韓 安，姜 偉，吳 凡，王 純，謝誕梅

(武漢大學(xué) 水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

符號說明：

H——?jiǎng)尤~片葉高,mm

LS——?jiǎng)尤~片背壓面弧長,mm

C0——?jiǎng)尤~片葉根處弦長,mm

P——凸起中心點(diǎn)位置,mm

Prel——凸起中心點(diǎn)位置相對值,

Prel=(P/LS)×100,%

L——凸起左寬,mm

R——凸起右寬,mm

Lrel——凸起左寬相對值,Lrel=(L/LS)×100,%

Rrel——凸起右寬相對值,Rrel=(R/LS)×100,%

A——凸起振幅,mm

Arel——凸起振幅相對值,Arel=(A/C0)×100,%

W——凸起波長,mm

Wrel——凸起波長相對值,Wrel=(W/H)×100,%

T——力矩,N·m

ΔT——力矩變化量,%

p——壓力,Pa

汽輪機(jī)作為電廠的主要發(fā)電設(shè)備，其重要性不言而喻，尤其是在如今深入調(diào)整能源結(jié)構(gòu)背景下[1]，汽輪機(jī)承擔(dān)的調(diào)峰任務(wù)將更加繁重，因此提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性對電廠效益的提升具有重要影響。

當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行在小容積流量工況時(shí)，汽輪機(jī)末級易出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，降低了汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)產(chǎn)生低頻振動[2-5]。李明宇等[6]研究了350 MW汽輪機(jī)低壓末級的熱力參數(shù)、流場和動葉強(qiáng)度，并針對運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)提出改進(jìn)措施。Zhang等[7-8]對極低質(zhì)量流量工況下低壓末級的流動不穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到的回流區(qū)域和葉頂壓力能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地吻合，并且對90%葉高截面進(jìn)行二維全周計(jì)算，分析了葉片的安裝對旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的影響。Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)小容積流量工況下，渦流強(qiáng)度具有空間不均勻性和時(shí)間不均勻性的特點(diǎn)，不穩(wěn)定壓力受到分離渦的影響，可能導(dǎo)致葉片振蕩。因此，有必要改善汽輪機(jī)在小容積流量工況下的流動特性。

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，仿生葉型是一種改善汽輪機(jī)葉柵內(nèi)流動特性的重要手段。1995年，F(xiàn)ish等[10]繪制了座頭鯨魚鰭橫截面，發(fā)現(xiàn)該截面與典型的空氣動力學(xué)翼型NACA634-021相似，其前緣帶有規(guī)則分布的光滑凸起結(jié)構(gòu),能夠改善流動特性，可以在高攻角下保持升力，提升高攻角條件下的流動性能。之后，國內(nèi)外科研人員以此為啟發(fā)，開始深入研究基于座頭鯨魚鰭翼型的仿生波浪前緣結(jié)構(gòu)及其對流動的影響[11-13]。Hasheminejad等[14]在平板前緣添加鋸齒形前緣，進(jìn)行一系列流動可視化實(shí)驗(yàn),得到反向渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、發(fā)展和破碎的過程。Hansen等[15]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了低雷諾數(shù)下，仿生波浪前緣改進(jìn)翼型的渦流能夠減少由于邊界層造成的損失，提升沖角性能，且提升效果隨沖角增大而增大。Shi等[16]研究了仿生波浪前緣應(yīng)用于潮汐渦輪葉片時(shí)升力和阻力特性的影響，發(fā)現(xiàn)凸起結(jié)構(gòu)對流動特性有顯著的改善作用，能夠提高升阻比，減少尖端渦流。

Wu等[17]對不同結(jié)構(gòu)的汽輪機(jī)仿生葉型進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了前緣凸起能夠產(chǎn)生反向渦，從而抑制流動失速并提升葉片做功能力。陳桐等[18]在核電汽輪機(jī)高壓末級葉片前緣設(shè)置凸起結(jié)構(gòu)，數(shù)值計(jì)算表明，仿生葉型能夠提升高壓末級的相對內(nèi)效率，且隨著輸出功率的降低，效率提升幅度增大。Zhang等[19]通過計(jì)算得出將仿生凸起結(jié)構(gòu)添加在汽輪機(jī)葉片背壓面對做功能力的提升有積極作用。

綜上所述，基于座頭鯨魚鰭前緣的仿生波浪前緣結(jié)構(gòu)對葉片做功能力的提升具有積極作用。仿生波浪前緣凸起的作用類似于渦流發(fā)生器，通過形成反向渦可以增強(qiáng)主流與邊界層之間的能量交換，以達(dá)到延緩失速、提高流動性能的效果。對于汽輪機(jī)末級動葉，在小容積流量工況下，沿葉高徑向外緣部分流速較大，未發(fā)生明顯的流動分離現(xiàn)象，且前緣處負(fù)攻角現(xiàn)象不明顯，故在該處進(jìn)行仿生波浪前緣的改進(jìn)效果不明顯。此外，目前國內(nèi)外對于仿生葉型的研究主要集中于仿生波浪前緣的作用，對于葉片表面添加仿生凸起結(jié)構(gòu)的研究較少。因此，筆者研究了某火電機(jī)組汽輪機(jī)低壓末級小容積流量工況下的流動特性，在此基礎(chǔ)上對末級動葉型線進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，將仿生凸起結(jié)構(gòu)由葉片前緣向葉片背壓面偏移，提升仿生凸起結(jié)構(gòu)對流場的影響力，并基于正交法，通過對不同參數(shù)的仿生葉型進(jìn)行計(jì)算，尋求在一定范圍內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并對背壓面凸起仿生葉型優(yōu)化的作用機(jī)理進(jìn)行了深入研究。

1 幾何模型

為了簡化，以某火電機(jī)組汽輪機(jī)低壓(LP)末級葉片(LSB)為研究對象，對一個(gè)靜葉和動葉流道內(nèi)的流動特性進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬研究，模型見圖1。

圖1 某火電機(jī)組汽輪機(jī)低壓末級葉片示意圖Fig.1 Diagram of low-pressure last stage blade for a steam turbine

對末級動葉進(jìn)行仿生化改進(jìn)，圖2給出了原葉型和仿生葉型示意圖，考慮到小容積流量工況下流體主要集中在沿葉高徑向外緣的區(qū)域，故在末級動葉背壓面70%H～100%H處設(shè)置凸起結(jié)構(gòu)，凸起結(jié)構(gòu)由中心點(diǎn)位置P、左寬L、右寬R、振幅A和波長W5個(gè)參數(shù)決定。考慮到凸起結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)和排布，選取凸起結(jié)構(gòu)排布的相對波長Wrel=3.664%。

原葉型(OB)

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

使用Ansys CFX軟件，采用求解三維黏性可壓縮的雷諾時(shí)均N-S方程對該汽輪機(jī)低壓末級葉片流場進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格劃分基于AnsysWorkbench中的MESH模塊完成。

由于模型結(jié)構(gòu)尺寸較大，若網(wǎng)格數(shù)過多，將會增加計(jì)算難度和時(shí)間，但該葉片為扭葉片，形狀較為復(fù)雜，過少的網(wǎng)格無法準(zhǔn)確得出計(jì)算結(jié)果，模型網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證如表1所示，綜合考慮數(shù)值計(jì)算的精度與時(shí)長，設(shè)置網(wǎng)格數(shù)約為168萬，網(wǎng)格劃分如圖3所示?？紤]到仿生葉型凸起結(jié)構(gòu)較小，對該部分進(jìn)行網(wǎng)格加密。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Tab.1 Mesh independence verification

(a)網(wǎng)格劃分示意圖

3 小容積流量工況下的流動特性

對火電機(jī)組汽輪機(jī)低壓末級不同工況下原葉型的軸向力矩進(jìn)行計(jì)算，并分析汽輪機(jī)在小容積流量下的流動特性與機(jī)理。經(jīng)過計(jì)算，不同進(jìn)口相對容積流量下的原葉型單個(gè)末級動葉軸向力矩TOB如表2所示。

表2 末級動葉軸向力矩Tab.2 Axial torque of last stage blade

為了探究進(jìn)口相對容積流量對末級動葉軸向力矩的影響，需要得到不同工況下級內(nèi)工質(zhì)的整體流動情況，對該模型的三維流線進(jìn)行可視化處理，如圖4所示。從圖4可以看出，進(jìn)口相對容積流量的變化對級內(nèi)的流動情況和流速均有較大影響。

由圖4還可知，在設(shè)計(jì)工況下，流體在級內(nèi)流動平順，流速較大，在動葉流道內(nèi)，流速沿葉高徑向外緣而逐漸增大。隨著進(jìn)口相對容積流量的減小，級內(nèi)流速下降，同時(shí)在動葉流道中葉片后至出口面的部分區(qū)域形成較大的回流渦。該回流渦區(qū)域隨著進(jìn)口流量的減小逐漸擴(kuò)大，進(jìn)口流量越小，其越向葉高徑向外緣區(qū)域發(fā)展。

4 基于正交法的汽輪機(jī)葉片仿生葉型優(yōu)化

綜上所述，小容積流量工況下汽輪機(jī)做功能力大幅下降，對汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性都有一定影響。筆者通過對末級動葉進(jìn)行仿生葉型改進(jìn)，分析了仿生凸起結(jié)構(gòu)的作用原理，并基于正交法在選定參數(shù)范圍內(nèi)尋求相對較優(yōu)的仿生葉型。

圖6 末級動葉50%H平面處的流線圖Fig.6 Streamlines at 50%H plane of last stage blade

4.1 正交優(yōu)化結(jié)果

由于凸起結(jié)構(gòu)由多個(gè)參數(shù)決定，且各個(gè)參數(shù)對軸向力矩均有影響，為了更高效地研究小容積流量工況下仿生凸起結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用，采用4因素3水平正交表對不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，以得到所選范圍內(nèi)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)，結(jié)果見表3，表內(nèi)各參數(shù)均取相對值。

表3 凸起結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.3 Parameters of tubercles %

根據(jù)正交法,對由各個(gè)參數(shù)組合而成的葉型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。與原葉型相比，設(shè)計(jì)工況下，仿生葉型對末級動葉的做功能力幾乎無不利影響，在小容積流量工況下，仿生優(yōu)化葉型具有較明顯的優(yōu)勢，這9種結(jié)構(gòu)對末級動葉的力矩均有增大作用，力矩最大可增加23.9%。對于汽輪機(jī)來說，小容積流量工況下末級動葉的力矩增大，其做功能力也有所增強(qiáng)。這也意味著隨著進(jìn)口相對容積流量的減小，該機(jī)組末級動葉產(chǎn)生負(fù)軸向力矩時(shí)所對應(yīng)的流量將會減小，從而減少汽輪機(jī)的損失，提高機(jī)組的運(yùn)行效率，同時(shí)對機(jī)組安全性的保障也有積極作用。

表4 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of orthogonal test

為了研究不同參數(shù)所構(gòu)成的凸起結(jié)構(gòu)對末級動葉力矩的影響，將正交表中的結(jié)果按照參數(shù)和數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步整理與比較，如表5所示。當(dāng)凸起中心點(diǎn)位置Prel=10%、左寬Lrel=3.45%、右寬Rrel=2.30%、振幅Arel=3.20%時(shí)，分別取得各參數(shù)下末級動葉的最大力矩，將這4個(gè)參數(shù)組成新的仿生凸起結(jié)構(gòu)，則可得到在此范圍內(nèi)正交實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)葉型。

表5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理Tab.5 Data colletion of orthogonal test

4.2 仿生葉型對做功能力的優(yōu)化作用

表6 仿生葉型與原葉型末級動葉力矩比較Tab.6 Comparison of the axial torque between BB and OB

凸起結(jié)構(gòu)的設(shè)置勢必會對流道內(nèi)的流動產(chǎn)生影響，為了研究凸起結(jié)構(gòu)的作用原理，對流道內(nèi)的壓力、流線和渦量進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖7給出了原葉型與仿生葉型背壓面壓力的比較。由圖7可知，2種葉型的背壓面壓力分布存在較大差異，由于凸起結(jié)構(gòu)高于原葉片表面，流體對凸起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，在凸起結(jié)構(gòu)的上游壓力較高，且隨葉高呈梯度分布，靠葉頂越近，壓力越高，這是由于此處流體較集中且流速較高。在凸起結(jié)構(gòu)的下游，由于凸起的曲率較大，流體無法直接附著，形成了顯著的低壓區(qū)域。

圖7 原葉型與仿生葉型背壓面壓力對比Fig.7 Comparison of back pressure surface between OB and BB

從圖8中87.4%H平面葉片表面壓力分布圖可以明顯看出由于凸起結(jié)構(gòu)引起的流動不均勻性所造成的壓力變化。從葉片70%H～100%H的整體壓力來看，仿生葉型的背壓面壓力相對于原葉型有所降低，同時(shí)在凸起結(jié)構(gòu)的下游壓力分布更加均勻。因此，在背壓面增加凸起結(jié)構(gòu)起到了優(yōu)化背壓面壓力分布的作用。

(a)87.4%H平面

凸起結(jié)構(gòu)的存在使得末級動葉的壓力分布產(chǎn)生了較為明顯的變化，這是由于凸起結(jié)構(gòu)對工質(zhì)的流動特性產(chǎn)生了較大的影響。從圖9可以看出，仿生葉型和原葉型背壓面70%H～100%H平面的流線圖差異明顯。在原葉型下，該區(qū)域內(nèi)流速較快，流線貼合葉片表面，未發(fā)生流動分離現(xiàn)象。在仿生葉型中，該區(qū)域的流線有較大變化，流體在流過凸起結(jié)構(gòu)后形成渦結(jié)構(gòu)，原因主要是背壓面凸起的曲率較大，工質(zhì)流經(jīng)該結(jié)構(gòu)時(shí)，無法完全附著，進(jìn)而發(fā)展成為流向渦。

(a)OB

由圖10可知，原葉型在72.7%H平面處流線貼合較好，仿生葉型在緊靠凸起結(jié)構(gòu)的下游產(chǎn)生了流動分離，而工質(zhì)在流動時(shí)由于渦結(jié)構(gòu)而未附著于葉片表面，在流過此流向渦后重新貼合葉片流動。

為了研究渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在動葉片上選取一些截面作渦量圖進(jìn)行分析，如圖11所示。截面方向?yàn)槿~片不同軸向位置處，觀察方向?yàn)檫M(jìn)口面向出口面。

(a)OB

圖11 動葉片截取平面示意圖Fig.11 Diagram of moving blade plane intercepted

從圖12可以看出，流體剛流過凸起結(jié)構(gòu)時(shí)，由于無法貼合葉片表面流動，故在凸起結(jié)構(gòu)下游形成反向渦對。在靠近凸起的部分，渦的強(qiáng)度較大，隨著流體向下游流動，渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度逐漸減弱。流過渦結(jié)構(gòu)以后，流體重新附著于葉片表面，對背壓面施加壓力。改進(jìn)后的仿生葉型在背壓面的凸起結(jié)構(gòu)作用下，動葉柵內(nèi)的流場發(fā)生了變化。凸起結(jié)構(gòu)的作用類似于分離渦發(fā)生器，流體在下游形成的反向渦對將原本附著于背壓面的流體抬離背壓面表面，形成低壓區(qū)域，能夠改善背壓面壓力分布，阻礙流體直接對葉片背壓面施加壓力，避免了流體對背壓面的直接沖擊，減小了在流動過程中的流動阻力，從而起到優(yōu)化做功能力的作用。

5 結(jié) 論

(a)截面A