涡轮S2流面计算损失模型修正及气动优化设计

摘要

与三维计算相比,S2流面计算因为其计算时间短,精度高在叶轮机械领域一直占有很重要的地位。而S2流面计算的准确性很大一部分程度上依赖于损失模型的应用。这些年来Martelli&Boretti损失模型一直在该计算当中被应用的非常广泛,比较具有典型性。因此,本文以某五级低压涡轮为应用对象,对其加载M-B模型进行S2流面计算,同时对该涡轮进行三维计算,将二者计算的结果进行对比。结果显示,对于十列叶栅,两种计算结果的总压损失系数的差别比较大,在叶展中部区域,S2计算的损失较三维偏小,这说明S2计算的叶型损失是偏小的,而且在三维计算的总压损失沿着径向的分布中,在上下端壁处都存在着损失骤减的拐点,而S2的结果只是一条平滑的曲线,并未存在拐点。此外,在该模型的计算结果中,各个分项损失的计算也不太合理。其中包括攻角损失、尾迹损失以及摩擦损失的计算结果都是趋于零,这与涡轮中气体的实际流动情况来说并不吻合。因此改型工作主要从以上介绍的几个方面展开。
　　修正之后,对于S2计算的结果,总损失沿着径向分布时出现了拐点,这说明二次流的计算更加准确了,符合了损失在端壁处会增大的特点。并且在叶展中部的损失的叶型损失也增加了,这是由于在改型之后,摩擦损失的计算结果不再是零而有所增加,摩擦损失在叶型损失中占有很大的比例,因此致使叶型损失的增加。参考其余的损失模型种对于分项损失计算较好的结果,对该模型的攻角损失和尾缘损失进行修改,改后这两种损失的分布与实际情况更加吻合。
　　应用修正之后的模型对该五级涡轮前一级半叶栅进行优化工作。本文设置三个优化方案,其优化变量分别是:第一级静叶的进出口几何角、第一级动叶的进出口几何角、第一级静叶的周向弯曲变化(正弯叶片)。优化之后,前两个优化方案中动静叶几何角的改变导致了攻角的改变,从而叶栅的气流收敛度和气动负荷都发生了变化,叶型表面的速度分布和分离现象得到改善,总损失减小。叶片正弯之后引起的径向压力梯度的改变致使端壁处低能流体的聚集程度降低,虽然主流区的损失略微增加,但最后叶栅总体性能得到改善。