中压低温透平膨胀机膨胀端三维数值模拟.pdf

收稿日期:2 0 1 6 1 0 1 4 作者简介: 张志莲(1 9 7 8) , 女, 博士, 讲师, 主要研究方向为透平机械, 通信联系人, E - m a i l:z h a n g z h i l i a n b i p t . e d u . c n。 第2 5卷 第2期 2 0 1 7年6月 北京石油化工学院学报 J o u r n a l o fB e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y V o l . 2 5 N o . 2 J u n . 2 0 1 7 文章编号: 1 0 0 8 - 2 5 6 5(2 0 1 7)0 2 - 0 0 2 5 - 0 6 中压低温透平膨胀机膨胀端三维数值模拟 张志莲*, 肖云峰, 吕 涛, 黄俊强 ( 北京石油化工学院, 北京1 0 2 6 1 7) 摘要: 采用C F D方法对某型号中压低温透平膨胀机膨胀端进行整机全周数值模拟, 全面考虑了进气蜗壳、 叶 顶间隙气封、 轮背气封和轴封等细节结构对膨胀端气动性能和流场的影响。研究结果表明: 进气蜗壳的几何形状 是造成喷嘴进口气流沿叶高方向分布不均匀的主要原因; 轮背气封、 叶顶气封和轴封内存在明显的旋涡流动, 且叶 顶气封是典型的后台阶流动, 齿封内和台阶后旋涡涡轴方向相反; 喷嘴和叶轮之间过小的间隙导致气流在喷嘴压 力面一侧形成激波, 激波/附面层干扰使叶片和下端壁附面层同时分离, 在上、 下端壁角区各形成一个弯曲的涡管, 最后终止于动静交界面。 关键词: 低温透平膨胀机;旋涡流动;激波/附面层干扰;数值模拟 中图分类号:T G 1 5 6文献标志码: AD O I:1 0. 1 2 0 5 3/ j . i s s n . 1 0 0 8 - 2 5 6 5. 2 0 1 7. 0 2. 0 0 6 N u m e r a l S i m u l a t i o no fT u r b o c h a r g e dE n d i n M e d i u m - p r e s s u r eC r y o g e n i cT u r b o e x p a n d e r Z HANGZ h i l i a n *, X I AOY u n f e n g,L VT a o,HUANGJ u n - q i a n g (B e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y,B e i j i n g1 0 2 6 1 7,C h i n a) A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d y t h e i n f l u e n c eo f v o l u t eg e o m e t r y,t i pc l e a r a n c e s e a l,i m p e l l e rb a c ks e a l a n ds h a f te n ds e a l i na e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e,t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls t e a d yf l o wi n m e d i u m - p r e s s u r ec r y o g e n i c t u r b o e x p a n d e rw a ss i m u l a t e dv i at h ec o m p u t a t i o n a ld y n a m i c s f l u i dm e t h o di n t h i sp a p e r .T h er e s u l t ss h o wt h a tv o l u t eg e o m e t r y w a st h e m a i nc a u s eo ft h eu n e v e nf l o w d i s t r i b u t i o na l o n g t h en o z z l eb l a d e . T h e r ew a so b v i o u sv o r t e x - f l o wi nt h r e ea b o v e s e a l s,w h i c h i n t i pc l e a r a n c ew a s t h e t y p i c a l b a c k w a r d-f a c i n gs t e p f l o w. A l s o,a t o o s m a l l g a pb e t w e e nn o z z l e a n d i m p e l l e r c a u s e d t h e f o r m a t i o no f s h o c kw a v e s i np r e s s u r e s i d eo f n o z z l e,a n ds h o c k - b o u n d a r y l a y e r i n t e r a c t i o n s l e dt oa i r f o i lb o u n d a r yl a y e rs e p a r a t i o na n dac u r v e dv o r t e xt u b ef o r m a t i o n,f i n a l l y t e r m i n a t e d i nr o t o r-s t a t o r i n t e r f a c e . T h ec o m p u t a t i o n a l r e s u l t sp r o v i d e dab a s i sf o ra e r o d y n a m i c o p t i m i z a t i o na n dm o d i f i e dt h ed e s i g no f t u r b o e x p a n d e r . K e y w o r d s:c r y o g e n i c t u r b o e x p a n d e r;v o r t e x - f l o w;s h o c k - b o u n d a r y l a y e r i n t e r a c t i o n; n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 透平膨胀机是压缩气体储能的核心部件之一, 广泛应用于空气分离、 气体液化以及余热余压的能 量回收系统中 1, 主要由蜗壳、 导流器、 工作轮和扩 压器组成。近些年来国内外许多学者致力于导流器 和工作轮的叶型设计、 气动分析、 强度校核以及加工 制造和实验的研究, 以期进一步提高透平膨胀机的 性能和效率。E r o g l u等 1采用激光多普勒测试仪 ( L D V) 测量了某型号向心涡轮导叶在不同工况下 的流动情况, 发现喷管导叶流道内的流动受到上游 蜗壳几何结构的影响;P u t r a等 2采用实验和数值 万方数据 模拟相结合的方法, 研究了向心涡轮导叶内二次流 的情况; D a m b a c h等 3研究了不同叶顶间隙对流动 特性的影响;K r i s h n a b a b u等 4采用数值计算的方 法分析了叶顶间隙内复杂的流动情况, 揭示了叶顶 间隙内传热系数的分布规律。肖翔等 5研究了动叶 叶片数目、 叶片尾缘厚度和叶顶间隙对透平膨胀机 效率的影响。林鹏等 6分析了叶轮流道内二次流动 的生成和发展。杨浩等 7研究了动叶攻角对向心涡 轮内部涡系产生及二次流的影响。相对而言, 进气 结构的研究较少, 随着导叶和动叶设计手段以及加 工方法的不断完善, 依靠改善导叶和动叶来提高透 平膨胀机的效率越来越困难, 而提高进气结构性能 已成为进一步提高整机性能的关键。针对某型号中 压低温透平膨胀机的膨胀端建立了包括进气蜗壳、 叶顶气封、 轮背气封和轴封的整机数学模型, 详细研 究了进气结构、 密封结构对透平膨胀机气动性能和 流场的影响。 1 膨胀端结构参数与数值模拟 1 . 1 几何模型 研究对象为某型号的中压低温透平膨胀机的膨 胀端, 主要包括进气蜗壳、 喷嘴、 叶轮、 出口管、 轮背 气封和轴封等。对进气蜗壳内的局部结构进行合理 简化, 几何模型如图1所示。喷嘴和叶轮采用周期 性边界条件处理, 采用单通道模拟喷嘴和叶轮的三 维流场。叶轮背侧的气封和轴封上的迷宫密封为半 圆结构, 在计算模型中, 为了提高网格的正交性和计 算的收敛性, 简化成矩形结构。叶轮的叶顶间隙为 0 . 1 5mm, 轮背侧气封径向间隙为0 . 0 7 5mm, 轴封 上迷宫密封间隙为0 . 0 2 5mm。喷嘴叶片数为1 0 片, 叶轮叶片数为1 7片。 图1 膨胀端计算域三维模型 F i g . 1 3 Dc o m p u t a t i o nd o m a i nm o d e l o f t u r b o e x p a n d e r 1 . 2 数值方法和边界条件 采用商业软件NUME C A对某型号中压透平 膨胀机膨胀端内部流场进行数值模拟。前处理采用 I G G/A u t o G r i d 5生成空间离散结构化网格, 计算域 进气蜗壳的空间离散网格在I G G中贴体生成, 密封 的结构严格按照UG模型的结构实现, 密封中采用 多块结构化网格, 保证了狭长缝隙中网格的正交性。 膨胀端进气蜗壳的计算网格如图2所示, 喷嘴和叶 轮的计算网格如图3所示, 叶轮部分计算网格的子 午视图如图4所示。在I G G/A u t o G r i d 5中生成网 格时, 加密靠近壁面的网格, 满足S - A湍流模型对 y +值的要求8。膨胀端进气蜗壳网格节点总数约 2 1万, 喷嘴、 叶轮和气封网格节点总数约8 9万, 整 机网格1 1 0万。 图2 膨胀端进气蜗壳计算网格 F i g . 2 F i n i t ee l e m e n t sm o d e l o fv o l u t eg e o m e t r y 图3 叶轮和无叶扩压器计算网格 F i g . 3 F i n i t ee l e m e n t sm o d e lo f i m p e l l e ra n dv a n e l e s sd i f - f u s e r 2 气动性能分析 2 . 1 总体性能参数 采用滞止总参数对膨胀端的总性能进行分析。 总压恢复系数、 总压比( 膨胀比) 、 滞止等熵效率和多 62 北京石油化工学院学报 2 0 1 7年第2 5卷 万方数据 图4 叶轮部分计算网格的子午视图 F i g . 4 F i n i t ee l e m e n t sm o d e l o f r o t o r i nm e r i d i a np l a n e 变效率的表达式分别为: =P*1/P*0 ( 1) * =P * 2/P * 1 ( 2) * s= 1-T * 2/T * 1 1- *k- 1/()k ( 3) p o l = cp R l n(T*2/T*1) l n( *) ( 4) 式中: P*0、T*0、P*1、T*1、P*2、T*2分别为蜗壳进口总 压、 蜗壳进口总温、 喷嘴进口总压、 喷嘴进口总温、 叶 轮出口总压、 叶轮出口总温。 对叶轮部分气封泄露流动和轮背上及叶顶的轴 向力进行分析, 如图5所示。对轮背4个截面A1、 A2、A3和A4以及叶顶2个截面B1和B2的气动 参数进行处理。轮背和叶顶轴向力计算范围在图中 用红色标识。 图5 截面位置及轮背和叶顶壁面 F i g . 5 S e c t i o n