透平末级动叶顶部间隙变化对排气扩压器气动性能的影响

吴飞，戴斌，艾松，周洪宇

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

透平末级动叶顶部间隙变化对排气扩压器气动性能的影响

吴飞，戴斌，艾松，周洪宇

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

文章采用数值分析方法研究了透平末级动叶顶部间隙变化对排气扩压器气动性能的影响。结果显示随着叶顶间隙相对值从0%逐渐增大至1.5%，排气扩压器进口气流角和总压逐渐增大，排气扩压器静压恢复性能先提升，然后逐渐下降。

排气扩压器，气流角，总压，静压恢复系数

0 引言

燃气轮机透平末级排气中含有较多动能，排气扩压器能有效地将动能回收转换成静压从而提高排气系统静压，同时可以减小透平出口静压，增加透平做功，提升机组效率，因此排气扩压器是燃气轮机的重要部件。

排气扩压器的性能受到多种因素的影响。Song Xue等人[1]的试验结果显示扩压器支撑保护罩结构能提升排气扩压器性能，且外形不同，提升效果也有明显差异。扩压器排气箱体对静压恢复性能有负面影响。扩压器进口气流角度亦对扩压器性能有明显影响。Stephen Guillot等人[2]的试验结果显示轴向-径向扩压器排气段径高比对扩压器分离有显著影响。Lei Xu等人[3]研究结果显示进口边界条件对扩压器性能影响较大。Jinglun FU等人[4]通过优化扩压器壁面型线来提升静压恢复性能。Pedro de la Calzada等人[5]通过调整扩压器支撑保护罩安装角来提升扩压器性能影响。Jun li等人[6]研究发现末级动叶顶部间隙泄流可以抑制扩压器壁面分离。

本文采用商用CFD软件研究末级动叶在不同叶顶间隙值时，对扩压器静压恢复性能的影响，为燃气轮机透平动叶顶部间隙值选择提供参考。

1 计算模型及边界条件

1.1 参数声明

压力 P；

叶顶间隙h。

角标：

1扩压器进口；

2排气箱体出口；

t总压；

s静压；

’相对值。

1.2 模型及边界条件

计算几何模型由透平整圈末级静叶、动叶和排气缸组成，其中排气缸包含扩压器、排气箱体，见图1，网格单元总数约1 600万。

图1 计算模型几何及网格

末级动叶顶部间隙相对于叶高的值h’如表1所示。

表1 叶顶间隙相对值

计算采用SST湍流模型，Y+小于200。由于计算模型中扩压器进口与透平末级动叶相连接，因此扩压器进口总压、总温、气流角与末级动叶出口参数一致，排气箱体出口环境为大气，CFD模型1～4采用相同计算边界条件。

2 计算结果分析

如图2所示，随着叶顶间隙增大，动叶接近顶部的区域出口气流角逐渐增大，中间和叶根部区域出口气流角无明显变化。现有研究结果显示，随着末级动叶出口气流角增大，扩压器静压恢复性能逐渐下降[1]。

图2 扩压器进口 （动叶出口）气流角沿径向分布

如图3所示，随着叶顶间隙增加，动叶顶部区域出口总压逐渐增大，较高能量的流体进入扩压器能抑制边界层的分离[6]，同时影响静压分布。

图3 扩压器进口 （动叶出口）总压沿径向分布

图4为扩压器10%径向高度相对总压分布展开云图。随着叶顶间隙增大，总压损失分布无明显区别。支撑保护罩尾缘下游均出现了明显总压损失。

图4 扩压器10%径向高度总压相对值展开云图

图5所示为扩压器50%径向高度相对总压分布展开云图。随着h’由0%增大至0.5%，支撑保护罩上游、下游区域总压损减小。h’由0.5%增大至1.5%，支撑保护罩上游、下游区域总压损逐渐增大。

图6为扩压器90%径向高度相对总压分布展开云图。h’由0%增大至0.5%，支撑保护罩上游、下游区域总压损减小。h’由0.5%增大至1.5%，支撑保护罩上游、下游区域总压损逐渐增大。

图6 扩压器90%径向高度总压相对值展开云图

图7为扩压器子午面静压分布云图。随着h’由0%增大至0.5%，支撑保护罩下游区域静压恢复性能逐渐增强，高静压区向上游移动。h’由0.5%增大至1.5%，支撑保护罩下游区域静压恢复性能逐渐减弱，高静压区向下游移动。

图7 扩压器静压分布云图

图8、图9、图10为不同径向高度扩压器沿周向的静压恢复系数相对值，结果显示扩压器下部区域静压恢复性能优于其它区域。总体上看静压恢复性能随着h’由0%增大至0.5%，明显提升。当h’由0.5%增大至1.5%，扩压器静压恢复性能下降。在50%和90%径向高度，由气流角增大对静压恢复性能带来的负面影响接近较高进口总压带来静压升所产生的有利影响，因此h’=0.5%和1.0%时的沿周向Cp’曲线比较接近。

图8 扩压器10%径向高周向平均Cp’

图9 扩压器50%径向高周向平均Cp’

图10 扩压器90%径向高周向平均Cp’

图11为扩压器沿气流方向的静压恢复系数相对值分布曲线。气流进入扩压器后静压迅速上升，这一区域顶部间隙对静压恢复性能无显著影响，由于通流面积的减小，在支撑保护罩流道内出现一个加速，静压下降。随后在支撑保护罩下游静压迅速上升，且不同顶部间隙导致静压恢复性能发生明显分化，总体上看h’=0.5%时静压恢复性能最优。

图11 扩压器沿气流方向平均Cp’

图12所示为包含扩压器和排气箱体的排气缸总体静压恢复系数相对值Cp’与末级动叶顶部间隙相对值的关系曲线。结果显示排气缸静压恢复性能随着动叶顶部间隙增加而提升，并在h’=0.6附近达到最优，随后间隙增大静压恢复性能逐渐下降。

图12 排气缸Cp’与叶顶间隙h’关系曲线

3 结论

通过对排气缸流场及性能分析发现，随着透平末级动叶顶部间隙增大，透平动叶顶部区域出口气流角增大，这对排气扩压器静压恢复性能造成不利影响，同时顶部间隙的增大，更多未参与动叶做功的高能气体进入排气扩压器，这有利于抑制扩压器壁面边界层的分离，并且在相同压损条件下，有更多的动压转换成静压，从而提升扩压器静压恢复性能。叶顶间隙相对值h’从0%增大至0.5%，进口总压增大这一有利因素占据主导地位，因此扩压器静压恢复性能逐渐提升。随着h’从0.5%增大至1.5%，出口气流角增大这一不利因素占据主导地位，因此扩压器静压恢复性能逐渐下降，h’最优值在0.6%附近。本文未考虑叶顶间隙增大对透平末级效率的负面影响，实际动叶顶部间隙的选择需要考虑叶顶间隙泄漏，以及制造水平等。

[1]S Xue,S Guillot,WF Ng,etc.An experimental investigation of the performance impact of swirl on a turbine exhaust diffuser/collector for a series of diffuser strut geometries[J].Asme Turbo Expo:Turbine Technical Conference and Ex-position 2015:V008T26A010-019.

[2]UE stang,S Guillot,WF Ng,etc.The experimental studies of improving the aerodynamic performance of a turbine exhaust system[J].Asme,2014,137(1)C12601:V01BT27A012.

[3]L Xu,L Hedlund,A Nillson.CFD investigation of the influence of inflow conditions on an aggressive axial exhaust diffuser for steam turbines[J].Asme Turb Expo:Turbine Technical Conference&Exposition,2014,V01B27A038.

[4]JL Fu,JJ Liu,SJ Zhou.aerodynamic optimization of the diffuser towards improving the performance of turbine and exhaust hood[J].Asme Turbo Expo:Turbine Technical Conference and Exposition,2014:V01BT27A024.

[5]PDL Calzada,J Parra.B Minguez Investigation on the aerodynamic performance of an annular exhaust system for a small turboshaft engine[J].Asme Turbo Expo:Turbine Technical Conference&Exposition,2013:V06BT38A001.

[6]J Li,ZG Li,ZP Feng.Effects of the Last Stage Rotor Tip Leakage Flow on the Aerodynamic Performance of the Exhaust Hood for Steam Turbines[J].Asme Turb Expo:Turbine Technical Conference and Exposition, 2013:V05BT25A009.

Influence of Last Stage Rotor Tip Clearance'Variation on Aerodynamic Performance of Exhaust Diffuser

Wu Fei， Dai Bin， Ai Song， Zhou Hongyu

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

This paper researches the influence of last stage rotor tip clearance'variation on aerodynamic performance of turbine exhaust diffuser by numerical analysis method.Results show that the relative tip clearance increases from 0%to 1.5%,the inlet gas angle and total pressure of exhaust diffuser increases gradually,and the static pressure recovery coefficient of exhaust diffuser increases firstly,then decreases gradually.

exhaust diffuser,gas angle,total pressure,static pressure recovery coefficient

TK474

A

1674-9987（2017）04-0024-06

吴飞 （1978-），男，工程师，毕业于四川理工学院，现主要从事燃气轮机研发工作。

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.006