多级轴流透平通流三维气动优化研究-.pdf

第 4 3卷第 1期 2 0 1 4年 3月 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 Mar ． 2 0 1 4 多级 轴流透平通流三维号 动优 化砜 究 韩 悦， 林智荣， 袁 新 清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 4 摘要燃气轮机单机功率的增大使得透平级负荷不断增加， 从而对通流部分的气动造型提 出了更高的要求。 采用包括弯叶片和非轴对称端壁的三维通流造型 系统对某两级高压透平进行了优化设计研究。优化结果表明， 使用弯叶片或非轴对称端壁造型， 能够改善流道内部压力分布， 抑制二次流的发展 ， 提高透平效率， 分别使透平 整机绝热效率提高0 ． 3 7 ％和0 ． 1 7 ％； 而同时采用二者进行联合优化时， 整机绝热效率提高了0 ． 4 8 ％。 关键词 非轴对称端壁 ；弯叶 片； 优化设 计 ； 轴流 透平 中图分类号 T K 4 7 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 ． 5 5 4 9 2 0 1 4 0 1 ． 0 0 1 7 0 6 S t ud y o f Th r e e ． Di m e n s i o na l Ae r o d y n a mi c Opt i mi z a t i o n o f M ul t i ． ． S t a g e Ax i a 1 ． ． Fl o w Tur bi ne Fl o w Pa t h HAN Y u e，L I N Zh i - r o n g，YUAN Xi n K e y L a b o r a t o r y f o r T h e r ma l S c i e n c e a n d P o we r E n g i n e e r i n g o f Mi n is t r y o f E d u c a t io n T s in g h u a U n i v e r s it y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a Abs t r a c t Wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e g a s t u r b i n e p o we r l o a d，a b e t t e r p e r f o r ma n c e o f t h e t u r b i n e i s s u p p o s e d t o b e d e e p l y s t u d i e d ．An o p t i mi z a t i o n s y s t e m，u s i n g a 3 - D r e c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e ，h a s b e e n d e v e l o p e d f o r a t wo s t a g e h i g h p r e s s u r e t u r b i n e ．T h r e e c a s e s h a v e b e e n s t u d i e db o w e d b l a d e，n o n a x i s y mme t r i c e n d w Ml a n d c o mb i n a t i o n o f b o t h ．I t i s i l l u s t r a t e d t h a t t h e o p t i ma l r e s u l t s o f t h e fi r s t t wo c a s e s c a n ma k e t h e i s e n t r o p i c c e f fi c i e n c y i n c r e a s e b y 0 ． 3 7 ％ a n d 0 ． 1 7 ％ r e s p e c t i v e l y ．A n d t h e t h i r d c a s e c o mb i n i n g t h e t w o m e t h o d s i m p r o v e s t h e e f f i c i e n c y b y 0． 4 8 ％ ，wh i c h s h o ws o u r o p t i mi z a t i o n s y s t e m p e rfo r ma n c e w e l l i n t h e t u r b i n e d e s i g n，for i t c a n i mp r o v e t h e p r e s s u r e d i s t ri b u t i o n o f i n t e r n a l c h a n n e l a n d i n h i b i t t h e d e v e l o p me n t o f s e c o n d a r y f l o w，t h u s i n c r e a s i n g t h e t u r b i n e e f fi c i e n c y ． Ke y wo r d s n o n a x i s y mme t r i c e n d w a l l ；b o w e d b l a d e ；o p t i mi z a t i o n d e s i g n；a x i a l fl o w t u r b i n e 随着压气机压比的不断增加， 燃气透平进 口 温度的不断提高 ， 对燃气透平的设计提 出了更高 的要求。为了提高燃气透平的做功能力、 降低流 动损失 ， 需要对通流部分的三维气动造 型进行更 细致 的优化设计。国内外专家学者都对其进行 了 深入研究 ， 通过合理匹配不同形式 的积叠线和构 造非轴对称端壁造 型来 降低通道涡损失 ， 抑制叶 栅通道中二次流涡系的发展 ， 在 叶顶 间隙流和通 道涡的相互作用下减小 叶栅 的周 向压差 ， 降低沿 整个叶栅流道内的总压损失系数， 以提高叶栅出 E l 流场的均匀性 ， 减小二次流损失 。 作者所在研究团队在参数化几何造型及三维 气动优化等方 面也进行 了大量有 益 的尝试 剖。 本文重点针对某两级高压燃气透平中的两排静叶 栅进行了三维通流造型气动优化设计研究 ， 结果 表明， 透平进行非轴对称端壁与弯叶片联合优化， 可以改善流道中压力分布， 减小二次流损失， 改善 涡结构 ， 提高透平性能。 1 三维粘性气动优化设计 平台简介 基于商业软件 i S I G H T构建 的三维粘性 气动 优化设计平台系统参见图 1 。其 中主要包括以下 三部分 三维 叶栅通 流参 数 化几 何 造 型系 统 利 用 N U R B S等参数化几何造型方法 ， 提取出能够描述 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 1 1 修订 日期 2 0 1 4 0 1 0 7 作者简介 韩悦 1 9 8 9 一 ， 女， 清华大学硕士生， 主要从事燃气透平通流部分优化设计。本论文获得 2 0 1 3年中国动力工程学会透平专委会 学 术研讨 会优秀论文奖。 I II I 固 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 多级轴流透平通流三维气动优化研究 叶片和端壁的设计变量。 叶栅通流造 型气动性能评价系统 利用 C F D 软件 N U ME C A的 I G G网格 自动生成模块生成对 应 网格 ， 并使用 F I N E计算模块 对流场进行 数值 模拟 ， 获得气动性能参量 以作 为优化设计 的 目标 函数 。 优化策略 选择合适 的算法对设计空间进行 搜索 ， 得到具有最优气动性能的燃气透平通流部 分的几何造型 。 ‘ 设计 变量 刚 片 优 参 化 数 策 化 略 造 型 约束条件 ■■ ■ 日标 图 1 优化设计平 台示意 图 三维叶栅通流参数化几何造型系统主要针对 透平静叶栅弯叶片和非轴对称端壁两个部分进行 造型 ， 在弯叶片积叠规律控制方面 ， 采用了如 图 2 所示 的7点三次 B 6 z i e r 样条曲线用于控制叶片截 面周向位移沿叶片径 向的分布 ， 从而实现了弯叶 片的造型。非轴对称端壁造型的基本方式是在原 有 回转面端壁上增加半径扰动 △r， 通过构造不同 形式的△ r 分布， 可以得到不同形式的非轴对称端 壁形状 ， 文中采用如式 1所示的基 于双一维函数 法构造的 △ r 分布 。 A r A X C O S f 2 S 一 y 7 r 一2 S x ， 1 、 ＼ 2 S X 7 rs x 式 中 、 l ， 分别为轴 向和周 向坐标 ； A X为端 壁造型的幅值 ； S X为余 弦函数零点位置 也称 为侧偏系数 ， 通过调整 S ， 可对端壁造型的 变化形式进行微调。 、 S 均为轴 向位置 的函数 ， 其具体形式分别为图3中的两条 6点三 次 B 6 z i e r 样条曲线 。综 上所述 ， 三维参数化通流 造型系统中包含的设计变量} [ 总于表 1中。由于 需要同时对两排静叶栅通流部分进行三维气动造 型优化 ， 因此共有设计变量 1 9 x 2 3 8个。 _I ll s F [V I J E 一 8 O 。 6 0 L , g D 骂 c - 恒 一 2 0 ，B 吉 I ． - ． A ． n ． I ． I 一1 0 制 磊 酗 { l兰 f 厦 匿 一 5 0 5 1 O 叶片截面周 向偏移／ m m 图2 弯叶片造型示意图 _- ． -径 向扰 动 -_ ， _ 、 ．． _一侧偏 控 制 ． ， 轴向位置 图3 端壁造型参数沿轴向的分布曲线 表 1 三维参数化通流造型 系统设计 变量 汇总表 变量名 几何 意义 Xl、 X2 、x3 、 X4 Rc 、RD SB 、S c 、S D 、 SF Ht 、 H2 、 H3、H4 D8 、Dc 、 DD 、DE 、 DF 端壁轴向控制点位 置比例 系数 端壁造型幅值 控制 端壁基函数侧偏量 控制 叶片截面周向位移控制点径向 位置 比例系数 叶片截面周向位移量控制 在对叶栅通流造型进行数值模拟分析时， 给定 如下边界条件 进 口总压、 总温 、 气 流角 、 出 口静压 按径向平衡方程设置 ； 所有壁面均采用 了绝热无 滑移边界条件 ； 由于优化时只进行定常计算， 故在 动／ 静叶栅交界面上采用了混合平面边界条件。考 虑到 S p al a r t ． A l l m a r a s 湍流模型计算量较小 ， 故在叶 栅通流造型气动性能评价系统中选用了该湍流模 型。为了提高优化效率， 优化过程中使用了网格数 为 8 9万的计算网格 ； 在对最优设计点进行流动机理 分析时， 为了获得更准确的流场细节 ， 使用了网格数 为 1 7 2万的计算 网格。在 目标函数的选取上， 暂时 只考虑了绝热效率这一主要的气动性能指标。针对 此多设计变量单 目标优化问题 ， 选择 自适应的模拟 退火算法 A S A， A d a p t e d S i m u l a t i n g A n n e a l i n g 来对 6 4 2 O 2 4 石 n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 多级 轴流透平 通流三维气动优化研究 高处的绝热效率是按照网格线计算的， 即假定网 格线就是流线 ， 此 时得 出的特定叶高处 的绝热效 率仅供参考 ， 不具有确切 的物理意义。从 图中可 以看出， 气动优化主要集中于第一级静叶， 因此对 第一级的影响比较显著。参看图 6 a ， 仅考虑端 壁造型时， 虽然第一级的主流部分效率得到了明 显的提高 ， 但靠 近端壁处存 在较大 的高损 失 区。 这是 由于非轴对称端壁的引入虽然抑制 了二次流 的生成 ， 减小了主流的损失， 但 同时也导致了近端 壁处局部流动的混乱 ， 使得近壁 区损失大大增加 。 如图 6 b 所示 ， 相较 于透平第一 级， 优化造型对 整机效率的影响有所减弱， 但趋势相同。与端壁 造型类似， 弯叶片造型亦能提高主流部分效率， 并且对近端壁处流动影 响较 小 。当同时使用两 种造 型方法时 ， 二者各 自的优缺点得 到了平衡 ， 能提升主 流区气 动效 率 ， 同时对 近壁 区流 动影 响较小 扭 匡 量 ‘藤 罩 a 第一级 效 ％ b 整机 图6 透平整机绝热效率沿叶高分布 图 7进一步给出了每排叶片的损失系数沿叶 高的分布情况。静叶片排的损失系数定义为 c P 一P ／P ， 其中 P 、 P 。 分别为静叶片排 进 、 出口总压 ； 在动叶片排 ， 损失系数定义为 一 ／ ， 其 中 、 分别 为动 叶片排 进 、 出口相对总压。从 图 7 a 中可 以看到 ， 在第 一 级静叶靠近上下端壁处 ， 弯叶片造型使得局部 ■曩I il l 损失系数有所降低， 但主流区的损失却略有增加； 非轴对称端 壁造 型叶高以下 区域 的损 失增加 了 2 0 ％， 但主流的损失略有减小， 这是由于非轴对称 端壁在二次流的产生及发展区域 以牺牲局部流动 为代价抑制了二次流。图7 b 显示 ， 虽然未对一 级动叶进行几何造型优化 ， 但其损失曲线变化 比 较显著。这说明一级动叶对一级静叶中产生的二 次流比较敏感 ， 当优化造型抑制 了一级静叶 中的 二次流时 ， 其气动效率得到 了较大 的提 高。与图 5所示的几何造型相对应 ， 图 7 c 、 d 显示透平 第二级气动效率变化不显著。 挺 古 靛 总压损失系数／ ％ a 一级静 叶 惺 古 窝 惶 古 ‘嚣 总压损失系数／ ％ b 一级动叶 总压损失系数 C 二级静叶 总压损失系数／ ％ d 二级 动叶 图7 叶片损失系数沿叶高分布 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多级轴流透平通流三维气动优化研究 热力透平 2 ． 2流场 分 析 在进行详细流动分析前 ， 首先对 比了原始设 计 、 端壁造型、 弯叶片造型、 联合造型四种设计方 案下的流动形 态。在高压透平级中， 二次流损失 是主要的损失来源之一 。为对二次流动进行定量 分析 ， 采用当地速度减去主流平均速度 的方式来 定义二次流。通过比较图 8中各优化方案的二次 流图谱可以发现， 在第一级动叶 3 0 ％轴向弦长 处 ， 上下端壁附近有 2个相反旋 向的通道涡 ， 这是 由于端壁附面层内低能流体在横向压力梯度作用 下 ， 由压力面向吸力面堆积。有 2个高损失 区， 分 别为上下通道涡核心。在进行优化之后 ， 可 明显 看出涡核向端壁靠近 ， 向吸力面靠近。上端涡分 为 2 个小涡， 并且弯叶片与端壁联合优化效果明 显好于只进行弯叶片造型优化 。 a 原始 b 端壁 C 弯 d 联合 图 8 一级动叶3 0 ％轴向弦长处 s 3流面二次流图谱 2 ． 3 叶片表面静压分布 非轴对称端壁造型影响了流道近壁区域 的流 动 ， 改变了叶片表面静压分布。由图 9 a 可 以看 到 ， 在一级静叶 5 ％叶高截面上， 非轴对称端壁造 型使得 吸力 面在 3 0 ％ ～8 0 ％轴 向弦长处 的压力 大大提高， 从而降低了吸／ 压力面之 间的压差 ， 进 而有效削弱 了近下端壁处 的横 向流动 ； 对于 图 9 b 、 C 所示的 9 5 ％ 、 5 0 ％叶高 ， 非轴对称端壁带 来的影响基本可以忽略。弯叶片造型对叶片表面 压差分布也会有 所影 响， 但在下端壁处 的影响并 不显著 ， 在上端壁处的影响要稍大一些。另外 ， 从 原始设计的静压分布特征来看 ， 一级静叶是典型 的后加载叶型 ， 在二次流动的起始位置 ， 通常是距 前缘 5 ％ ～1 0 ％轴 向弦长 的位置 附近 ， 较 低 的气 动负载有利于抑制二次流动的生成 。 在二级静叶通道 中， 由于二次流业 已成形 ， 因 此 ， 从图 1 0中可 以看到 ， 在三种优化方案中， 最终 的优化结果均未对静压分布产生明显的影响 参 看图 5可知 ， 优化后二级静 叶几何造型未发生显 著变化 ， 只是 由于第一级 流动参数 的变 化而造 成了静压曲线的整体移动。 轴 向坐标／ ％ a 5 ％ 叶高 轴 向坐标／ ％ b 9 5 ％叶高 轴 向坐标／ ％ c 5 0 ％叶高 图 9 一级静叶表面静压分布 轴向坐标／ ％ b 9 5 ％ 叶高 mi l l囡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 多级轴流透平通流三维气动优化研究 轴 向坐标／ ％ c 5 0 ％ 叶高 图 1 O 二级静叶表面静压分布 在本文采用的造型方案中 ， 动叶片的几何造 型始终保持原始设计 ， 并未参与优化设计。因此 ， 从图 1 1 所示的两排动叶 5 0 ％叶高截面上的压力 分布曲线来看 ， 动叶的负荷情况未发生显著变化。 轴向坐标／ ％ a 第一级动叶 5 0 ％叶高 轴 向坐标， ％ b 第二级动叶 5 0 ％叶高 图 l 1 动 叶表面静压分布 2 ． 4 气流角变化 图 1 2所示为各动／ 静交界面及出口处的气流 角沿叶高分布 。从 图 1 2 a 中可看 出， 端壁造型 对气流角的影响仅限于 5 0 ％ 叶高以下 ； 弯叶片的 影响主要集 中在靠近端壁 1 5 ％ 叶高范 围内。图 1 2 c 所示 ， 在 二级静 叶出 口处 ， 与原始设 计相 比， 优化后气流角分布均更加合理。而在动叶中， 优化后出口气流落后角均有所减小 ， 这显示动叶 的负载得到了优化 。 囡I l l／ 1 ． O O．8 惶 O 6 三 0．4 再0 ．2 O．0 1 ． 0 O．8 扭 叵0 ．6 最o ．4 0-2 O．0 6 5 7 0 7 5 出口气流角 a 一级静叶出 口 一 4 0 3 0 2 O 一1 0 0 1 O 2 0 出口气流角 b 一级动 叶出口 1 ．O O ． 8 艄0 ．6 羡0 ．4 O ． 2 0 ． O 1 ． 0 O ． 8 l旧 0 ． 6 蚤o ．4 0 ． 2 0 ． 0 6 5 7 0 7 5 出口 气流角 C 二级静 叶出口 O 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 出 口气流角 d 二级动 叶出口 1 图 1 2 各交 界面及出 口气流角 3 结 论 本文采用包括弯叶片和非轴对称端壁的三维 通流造型系统对某两级高压透平 中的两排静叶栅 进行了气 动优化试验与分析研 究。优 化结果表 明， 使用弯叶片造型、 非轴对称端壁造型、 弯叶片／ 非轴对称端壁联合优化造型分别能够使透平整机 绝热效率提高 0 ． 3 7 ％ 、 0 ． 1 7 ％和 0 ． 4 8 ％。流场分析 下转第2 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 考虑部分进汽影响的调节级变工况特性研究 热力透平 4 5 ％ ～ 8 0 ％额定负荷时 ， 由于部分进汽 的存在 ， 较 高的重叠度也能保证经 济性， 本文处于 0 ． 6 4 3左 右 。 3 结 论 1 以某 6 0 0 MW 汽轮机机组为例 ， 基 于量纲 分析理论 ， 提出一种适用 于喷嘴配汽调节级 的变 工况计算模 型， 对常规调节级变工况热力计算作 了进一步完善 。 2 应用提出的模型 ， 探讨 了考虑部分进 汽对 级 内压 比影 响下 的调节级变工况特性 ， 并通过对 机组热经济性 的影响分析 ， 实现了阀门重叠度 的 寻优 ， 为喷嘴配汽方式汽轮机机组运行优化研究 提供了理论指导。 参考文献 [ 1 ] F RI D H J ． E x p e ri m e n t a l I n v e s t i g a t i o n o f P e r f o r ma n c e ，F l o w I n t e r a c t i o n s a n d Ro t o r F o r c i n g i n Ax i a l P a r t i al Ad mi s s i o n T u r b i n e s[ D] ．[ s ． 1 ． ] K T H， 2 0 1 2 1 - 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d e s i g n O p e r a t i o n [ J ] ．J o u r n al o f P o w e r T e c h n o l o g i e s ，2 0 1 l ， 9 1 4 1 9 8 - 2 0 5 ． [ 7 ]李维特 ， 黄保 海． 汽轮机 变工况 热力计算 [ M] ． 北京 中 国电 力出版社 ， 2 0 0 1 6 5 1 4 7 ． ⋯】⋯】⋯】 ⋯】 ⋯⋯】 一， ⋯，⋯⋯⋯， ⋯】H ⋯⋯ ⋯】⋯，一， 上接第 2 2页 显示， 非轴对称端壁和弯叶片造型都不会改变原 始 叶型的主要气动特征 ， 但能够改善局部 流动从 而使整体气动效率得到提高。非轴对称端壁造型 能够降低近下端壁处的横 向压力梯度 ， 影 响流道 近壁区域的流动 ， 在二次流 的生成阶段对二次流 进行有效抑制 。弯叶片对近端壁处的流动影响较 小 ， 但能够优化叶片负荷沿叶高的分布， 减小二次 流对主流的影 响， 从 而提 高主流部分效率。采用 非轴对称端壁与弯 叶片造型联合优化 的方案 ， 既 能通过改善近壁区流动而在二次流的生成阶段对 其进行抑制 ， 同时也能通过控制径向流动来减小 二次流在其发展 阶段对主流的影 响， 从 而获得优 于二者单独使用时的效果。 参 考文献 [ 1 ]G RE G O R Y S MI T H D G，I NG R A M G，J A Y A RA MA N P，e t a1 N o n A x i s y m me t r i c T u r b i n e E n d Wa l l P r o f i l i n g [ J ] ．P r o c e e d i n g s of t h e I n s t i t u t i o n of Me c h a n i c al En g i n e e r s ，Pa rt AJ o u mal o f P o w e r a n d E n e r g y ， 2 0 0 1 ， 2 1 5 6 7 2 1 - 7 3 4 ． [ 2 ]S N E D D E N G， DU N N D， I N G R AM G， e t a 1 ．T h e A p p l i c a t i o n o f No n Ax i s y mme t r i c En d w a l l Co n t o u rin g i n a S i n g l e S t a g e， R o t a t i n g T u r b i n e[ C] ／ ／ Or l a n d o ，F L ，U n i t e d s t a t e s A me ri c a n S o c ie t y o f Me c h a n i c a l En g i n e e r s ，2 0 0 98 3l - 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