收稿日期：２０１７-０１-２６
作者简介：孙忠民（１９７１-），男，硕士，高级工程师。主要从事汽轮机及燃气轮机的研制工作。
在尾迹扰动下高负荷静叶流动的非定常特性
孙忠民１
，鞠凤鸣１
，韩万金
２
（１哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨１５００４６；
２哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨１５０００１）
摘要：采用商业软件以及立于转动带子上的圆柱体模拟上游动叶尾迹，数值研究了动叶尾迹对后继高负荷静叶栅流动特性的影响。计算结果表明，其上游动叶栅尾迹的流入是造成后继静叶栅流动非定常性的根源。相对定常计算结果，高负荷叶片的流动参数在尾迹的干扰下发生周期性脉动，叶中的脉动幅值高于两端，尾迹向吸力面附面层“注入”具有较高动量的流体，引发提前转捩，湍流耗散损失超过削弱流动分离趋势造成的损失降低，非定常情况下叶栅总压损失系数高于定常情况。
关键词：动叶尾迹；高负荷静叶；动静干扰；非定常流动；数值研究分类号：ＴＫ２６３．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１-５８８４（２０１８）０１-００３１-０６
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＵｎｓｔｅａｄｙＦｌｏｗＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＨｉｇｈｌｙＬｏａｄｅｄＢｌａｄｅｓＣａｓｃａｄｅ
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ＳＵＮＺｈｏｎｇ-ｍｉｎ１
，ＪＵＦｅｎｇ-ｍｉｎｇ１
，ＨＡＮＷａｎ-ｊｉｎ
２
（１ＨａｒｂｉｎＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４６，Ｃｈｉｎａ；
２ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｗａｋｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｎｔｈｅｆｌｏｗｉｎｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｓｔａｔｉｃｃａｓｃａｄｅｗｉｔｈｈｉｇｈｌｙｌｏａｄｅｄｂｌａｄｅｓ，ｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｐｕｔｏｎａｒｏｔａｔｉｎｇｂａｎｄ，ｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｏｔｏｒｗａｋｅｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔｓｔａｇｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｕｎｓｔｅａｄｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｓｔａｔｉｃｃａｓｃａｄｅａｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｉｎｆｌｏｗｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔ-ｓｔａｇｅｗａｋｅ．
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｒｙｂｌａｄｅｗａｋｅ；ｈｉｇｈｌｙｌｏａｄｅｄｂｌａｄｅｓ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｒｏｔｏｒａｎｄｓｔａｔｏｒ；ｕｎｓｔｅａｄｙｆｌｏｗ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙ
０ 前 言
在叶轮机械内部子午通道中，所有造成气动参数不均匀
的因素皆引发流动的非定常特性［１］
。这些因素包括：势流干扰、尾流干扰、部分进气、单侧抽气、可能破坏流动对称性的加强筋、隔板接缝、叶栅节距偏差等。另外，在一定绕流条件下，自激振动和叶片制造材料的性质有关，它的发生源于旋转脱流。因而，就其形成的物理本质来看，叶轮机械内部子
午通流实际是非定常流动［２］
。
本文数值研究的是大功率汽轮机中间级的高负荷静叶片，在汽轮机行业又称大焓降叶片。在静叶片的紧邻上游为上一级的动叶，高速旋转动叶的尾迹周期地进入静叶流道，与静叶吸力侧和压力侧边界层相互干扰，诱使静叶栅流场激
烈波动，边界层流动转捩提前，从而抑制流动分离［３］
。国内
有的专家［４］
称动静叶之间的这一相互作用为“负向射流”现
象。
在高负荷叶栅中，三维流动分离常常可能发生。流动分离一旦出现，叶栅将不能承受设计负荷。比较层流与湍流边界层的速度型，后者比前者饱满的多，因此，湍流边界层在抵抗分离方面，具有较强的能力。上游动叶尾迹周期地干扰静叶边界层流动，能使静叶边界层实现由层流向湍流的转捩，然而，湍流边界层的耗散损失较高。孰利孰弊，需要研究者
给出明确判断［５］
。再者，在进口流场存在沿周向转动的尾迹的条件下，确定尾迹和边界层相互干扰引起的非定常性对数值模拟结果的影响，在高负荷涡轮叶片研究领域是面向真实流动的新课题之一。
在诸多作者［６］
关于涡轮动静叶干扰的数值研究中，经常应用设置在可变转速传动带上的圆柱体的脱落尾流来模拟动叶尾迹。在基准工况下，本文亦使用这一方法模拟动叶尾迹，同时借助与定常计算结果相比较，数值研究高负荷叶片的非定常气动特性。
第６０卷第１期汽 轮 机 技 术Ｖｏｌ．６０Ｎｏ．１
２０１８年２月
ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｆｅｂ．２０１８
万方数据