动叶围带对鱼雷涡轮机通流性能影响研究

伊进宝, 赵卫兵, 师海潮



动叶围带对鱼雷涡轮机通流性能影响研究

伊进宝, 赵卫兵, 师海潮

(中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075)

针对鱼雷涡轮机叶片短小, 顶部间隙泄漏损失严重的问题, 基于求解雷诺平均的NAVIER-STOKES方程组, 对有无围带下鱼雷涡轮机通流不同工况下流场及性能进行了数值计算, 研究了有无围带时涡轮机功率、效率、燃气流量以及各种流动损失的变化规律, 分析了叶轮围带对涡轮机通流流场及性能的影响。研究表明, 在鱼雷涡轮机叶轮顶部上安装围带有助于消除叶轮流道主流中叶片径向的泄漏流动, 减小叶轮内部流动损失, 提高涡轮机通流效率和功率, 改善鱼雷涡轮机通流部分的工作性能。

鱼雷涡轮机; 动叶围带; 数值仿真

0 引言

燃气涡轮机具有功率输出大、体积小、结构简单和工作可靠等特点, 在进一步提高鱼雷航速及维修性等方面具有明显的优势。

因其工作特点, 鱼雷燃气涡轮机一般采用短叶片设计, 叶顶间隙可占到叶片高度的10%, 如不采取措施, 叶顶漏气损失特别严重, 因此一般在叶轮顶部安装围带, 这样有助于减小叶片径向间隙燃气泄漏, 改善冲动式叶轮的工作性能[1-2]。但对于在动叶顶部安装围带能在多大程度上减小叶轮流动损失, 改善涡轮机通流性能, 尚未开展系统研究, 因此, 本文通过对比有无围带时鱼雷涡轮机通流流场及性能, 研究叶轮围带对叶顶流动及损失发展的影响, 对于深入理解动叶围带对鱼雷涡轮机通流性能的影响规律, 优化涡轮机通流设计具有一定的现实意义。

本文通过求解雷诺平均的NAVIER-STOKES方程组, 数值计算了有无围带时涡轮机通流不同工况下的流场及性能, 研究了有无围带时涡轮机功率、效率、燃气流量以及各种流动损失的变化规律, 分析了叶轮围带对涡轮机通流流场及性能的影响。

1 算例简介

算例涡轮机为部分进气、冲动式、轴流式涡轮机, 其通流部分结构简图见图1, 主要包括喷管、叶轮和壳体等[1-2]。

图1 燃气涡轮机通流部分示意图

首先, 高温高压燃气经过喷管, 在此过程中将气体的可用焓降转变为气体的动能; 随后, 高速燃气以一定角度吹向叶轮, 使叶轮高速旋转, 在此过程中完成了燃气动能到叶轮动能的转变。

2 计算方法

2.1 数值模型

2.2 计算网格及边界条件

针对涡轮机通流部分进行建模, 采用H-O-H多块结构化网格, 喷管壁面、叶片壁面及轮毂壁面网格局部加密以捕捉边界层, 叶尖间隙、叶轮与喷管环轴向间隙也适当加密。

涡轮机采用部分进气方式, 造成叶轮进口流场不均匀, 无法采用周期性边界条件, 需对涡轮机进行全周数值仿真。算例网格点数约为106。图2给出安装围带和无围带时通流计算网格示意图。

图2 涡轮机通流部分计算网格

通过设置交界面进行叶轮计算域和喷嘴环计算域数值传递。为提高计算精确度, 计算的流体介质按照燃烧室出口燃气的真实成分进行计算给出。采用亚音进口、亚音出口和绝热、无滑移壁面边界, 进口给定燃气总压和燃气温度, 出口给定燃气静压。

3 计算结果与分析

图3(a)~(c)分别给出了I, II速制下有围带和无围带时鱼雷涡轮机通流内效率、功率和流量随膨胀比的变化趋势。

涡轮机通流内效率[3]定义为

涡轮机无量纲功率定义为涡轮机通流实际发出功率与设计功率之比; 流量系数定义为经过涡轮机的实际燃气流量与理论流量之比[1-2]。

由图3可以明显看出, 有围带和无围带对涡轮机通流性能影响很大, 在鱼雷涡轮机叶轮顶部安装围带可明显提高涡轮机通流性能。

由图3(a)可知, 有无围带对涡轮机通流内效率影响明显。在I, II速制同一膨胀比下, 有围带涡轮机效率明显要比无围带涡轮机效率高得多; I速制下, 有围带涡轮机效率要比无围带涡轮机效率高6~11个百分点; II速制下, 有围带涡轮机效率要比无围带涡轮机效率高12个百分点。在叶轮顶部安装围带可明显改善涡轮机通流性能, 提高涡轮机通流内效率。

图3 有无围带时涡轮机通流性能参数随压比变化趋势

由图3(b)可知, 有无围带对涡轮机通流功率影响明显。I, II速制同一膨胀比下, 有围带涡轮机功率明显要比无围带涡轮机功率高得多; I速制下, 有围带涡轮机效率要比无围带涡轮机效率高7~14个百分点; II速制下, 有围带涡轮机效率要比无围带涡轮机效率高14个百分点。在叶轮顶部安装围带可明显改善涡轮机通流性能, 提高涡轮机通流功率。

由图3(c)可知, 有无围带对涡轮机流量系数基本上没有影响, 涡轮机的流量系数几乎不变, 维持在0.95左右, 不受涡轮机膨胀比影响; 这是由于本文所研究的涡轮机喷管为缩放式, 在计算的膨胀比范围之内, 喷管环一直处于超临界状态, 涡轮机流量系数只与喷管结构参数有关, 与叶轮无关。

图4(a)和(b)分别给出了I、II速制下有围带和无围带时鱼雷涡轮机叶轮速度系数和总压恢复系数随膨胀比的变化趋势。

图4 有无围带时涡轮机通流损失特性随压比变化趋势

由于本文研究的鱼雷涡轮机叶轮为冲动式设计, 叶轮速度系数的定义为叶轮出口燃气相对速度与叶轮入口燃气相对速度之比, 叶轮总压恢复系数定义为叶轮出口燃气相对总压与叶轮入口燃气相对总压之比。

速度系数和总压恢复系数表征了涡轮机叶轮内部的流动损失。由图4可知, 有无围带对涡轮机叶轮内部流动损失影响明显。I, II速制下, 同一膨胀比下, 有围带涡轮机叶轮速度系数明显要比无围带时高的多; I速制下, 有围带涡轮机叶轮速度系数要比无围带高6~13个百分点, 叶轮总压恢复系数要比无围带高3~6个百分点; II速制下, 有围带涡轮机叶轮速度系数要比无围带高15个百分点, 叶轮总压恢复系数要比无围带高4~6个百分点。在叶轮顶部安装围带可明显改善涡轮机通流性能, 减低叶轮内部流动损失。

图5(a)~(c)分别给出了有无围带时某单一喷管对应叶轮流道内部75%、90%轴向弦长位置以及出口3个位置垂直于流向截面上燃气相对总压恢复系数云图和流线分布示意图比较。图中使用_1~_5表示单一喷管所对应的5个叶片,表示叶片的吸力面,表示叶片的压力面。

图5 有无围带时叶轮内部总压恢复系数和流线图比较

比较可知, 叶片顶端没有安装围带时, 叶片顶部与机匣下壁面之间存在一定间隙, 喷管喷出的高速燃气进入叶轮, 对动叶进行挤压, 使叶片压力面静压力高于吸力面, 在压差作用下, 动叶径向间隙形成从压力面到吸力面的泄漏流[4], 当泄漏流从吸力面流出时与通道主流相互作用在沿着叶片吸力面的角落处形成泄漏涡, 在图中用1~5标识; 泄漏流在吸力面角区形成高损失涡区, 使动叶吸力面附近的流动损失有大幅增加, 沿流向发展, 涡核向压力面和中叶展处迁移。

叶顶间隙产生的泄漏流和泄漏涡对涡轮性能有着重要影响: 泄漏流动使得动叶压力面靠近叶尖处的载荷减小, 泄漏流和泄漏涡堵塞通道主流, 增加叶轮内部流动损失。

与无围带时相比较, 在叶轮上安装围带明显消除了叶轮流道主流中叶片径向的泄漏流动和泄漏涡, 使得叶片顶部流动损失减小, 这样就有助于减小叶片径向间隙燃气泄漏, 减小叶轮内部流动损失, 改善鱼雷涡轮机通流部分的工作性能。

4 结束语

本文基于求解雷诺平均的NAVIER-STOKES方程组, 数值计算了有无围带时鱼雷涡轮机通流部分流场及性能, 研究了叶轮顶部围带对涡轮机通流性能和流场细节的影响。研究表明, 在鱼雷涡轮机叶轮顶部上安装围带有助于减小叶片径向间隙燃气泄漏, 消除叶轮流道主流中叶片径向的泄漏流动, 减小叶轮内部流动损失, 提高涡轮机通流效率和功率, 改善鱼雷涡轮机通流部分的工作性能。

[1] 赵寅生, 钱志博. 鱼雷涡轮机原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2002.

[2] 查志武, 史小峰, 钱志博. 鱼雷热动力技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[3] 黄树红. 汽轮机原理[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[4] Denton J D. Loss Mechanisms in Turbomachinery[M], ASME, 93-GT-435, 1993.

Effect of Rotor Shroud on Flow Passage Performance of Torpedo Turbine

YI Jin-bao, ZHAO Wei-bing, SHI Hai-chao

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Aiming at the heavy flow leakage loss from rotor tip because of short blade in a torpedo turbine, a three- dimensional, viscous and steady computational fluid dynamics (CFD) analysis is performed for studying the turbine flow field and performance of rotors with or without rotor shroud under different designing condition by solving Rans-Navier-Stokes equations. The changing trends of turbine′s power, efficiency, gas flow rate, and various flow losses with or without rotor shroud are achieved, and the effect of rotor shroud on the flow field and the performance of turbine are analyzed. Results show that the rotor shroud can clearly enhance the power, efficiency and performance of turbine by eliminating the leakage flow and vortex at rotor tip, and by reducing the inner flow loss of torpedo turbine.

torpedo turbine; rotor shroud; numerical simulation

TJ630.32

A

1673-1948(2012)01-0056-04

2011-03-06;

2011-07-12.

伊进宝(1981-), 男, 博士后, 研究方向为鱼雷热动力技术.

(责任编辑: 陈 曦)