叶片弯曲对跨音速涡轮叶栅流场的影响卡座

叶片弯曲对跨音速涡轮叶栅流场的影响

叶片弯曲对跨音速涡轮叶栅流场的影响 2011年12月09日 来源： 中图分类号：O35　　　文献标识码：A文章编号：1001－2060（2000）03－0239-04The Effect of Turbine Blade Positive Curving on the Flow Field of a Turbine Transonic CascadeWang Songtao　Wu Meng　Feng Guotai（College of Energy Science and Engineering under the Harbin Institute of Technology, Harbin, China, Post Code 150001）A numerical simulation was conducted on the flow field of a straight cascade composed of uniformly loaded blades and a bowed cascade composed of blades of different curved angles. A study was performed of the change under the curved blade action of the blade profile pressure distribution, Mach number contour lines and blade surface pressure distribution. Meanwhile, an investigation was conducted of the effect of blade curving on the location of horseshoe vortex and passage vortex formation. A positive curving of the blades has been found to be conducive to a decrease in the transverse pressure gradient at the end wall and a weakening of the end wall secondary flows. Moreover, the blade positive curving will lead to a shift of the initial separation point of the horseshoe vortex to the middle of the flow passage, bringing about a generation of the passage vortex ahead of the anticipated time. The differential scheme selected in this paper is a Godunov one of the third-order precision with TVD properties. The turbulent flow model is a B-L algebraic one after a correction. Key words: positive-curved blade, flow field parameter, numerical simulation1　引言　　国内外很多学者对弯曲叶片降低二次流损失的机理，进行了深入而细致的研究。文献［1］首次指出弯曲叶片所以能够降低二次流损失，在于叶片弯曲后在叶片表面建立了C型的静压分布。在该压力分布的作用下，减少了低能流体在吸力面壁角处的堆积，从而有效地减少了二次流损失。　　文献［2］通过试验，详细研究了弯叶片降低二次流损失的机理。验证了文献［1］的结论。文献［3，4］研究了不同冲角、不同展弦比条件下，叶片弯曲对涡轮栅后流场的影响。本文则通过对具有代表性的正弯叶片及直叶片三维粘流场的数值模拟，分析了叶片弯曲后对流场参数分布的改变及对涡系形成的影响，并将这种影响与损失的变化联系起来。2　数值方法　　控制方程为任意曲线坐标系下的N-S方程，差分格式为具有TVD性质的三阶精度的Godunov格式，湍流模型为修正后的B-L代数模型［5］。　　本文对展弦比为1.3的均匀加载涡轮静叶，进行了弯角为正弯15°及30°的数值模拟。在弯、直两种情况下，叶栅的进出口参数是相同的。进口总温为288.2 K，进口总压为1.013×105 Pa，出口背压为0.46×105 Pa，进口为轴向进气。计算所采用的网格点数为90×40×40。3　叶片弯曲对流场参数的影响　　图1给出了均匀加载叶片的直叶片与两种正弯叶片在根、中、顶三个截面上的型面压力分布。由图1a可以看出，叶片正弯后根部吸力面的压力在轴向弦长25%位置以后有较大的提升，而压力面的型面压力在75%位置以后也有所增加，但其增加的幅度远不如吸力面的大。因此叶片正弯后，根部的横向压力梯度显著下降。图1b所显示的顶部型面压力的变化与根部的情况基本相同，所差异的是，顶部压力面的型面压力在叶片弯曲之后基本保持不变，但由于吸力面压力分布的变化，使得顶部横向压力梯度亦有所降低。由上述讨论可知，针对于本文所计算的叶片，在端壁附近，叶片弯曲使在25%轴向弦长位置以后的横向压力梯度得以降低。对比15°与30°弯角这两种情况可以看出，弯角越大，压力梯度的降低就越明显。图1　叶片型面压力分布　　由对图1的分析可得出如下结论：叶片正弯后可减少端壁处的横向压力梯度，随着弯角的增大这种变化趋势就越明显，横向压力梯度的降低有助于削弱通道涡，减少端壁二次流损失。　　图2给出了均匀加载叶片在弯、直三种情况下叶栅中径处S1流面M数等值线，从图中可知，叶片弯曲后，出口M数有所增加，中径附近M数提高带来一个直接结果是质量流量的增加。正弯15°质量流量增加了2%，而在正弯30°时质量流量增加了3.5%。M数的提高，对损失也会有相应的影响，当出口为亚音速时，M上升主要会增加叶型损失，但当出口超音速时，若在尾缘附近有激波存在，则会一方面增加激波损失，另一方面同时也使叶

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