高压涡轮动叶叶尖掉块对气动性能及振动的影响

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24094

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 856-867.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24094

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高压涡轮动叶叶尖掉块对气动性能及振动的影响

赵明阳¹, 殷林林¹, 韦文涛¹, 陈云¹, 刘日晨¹, 李军²

^1.中国航发沈阳发动机研究所, 辽宁省沈阳市 110015
^2.西安交通大学能源与动力工程学院, 陕西省西安市 710049

收稿日期:2024-05-24 修回日期:2024-07-11 出版日期:2024-10-31 发布日期:2024-10-29
作者简介:赵明阳(1985)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为燃气轮机及航空发动机总体性能设计，393492855@qq.com；
殷林林(1985)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为燃气轮机及航空发动机涡轮设计，402452058@qq.com；
韦文涛(1977)，男，硕士，研究员，主要研究方向为燃气轮机及航空发动机涡轮设计，13674206325@139.com；
陈云(1982)，男，硕士，研究员，主要研究方向为燃气轮机及航空发动机涡轮设计，378474761@qq.com；
刘日晨(1993)，男，硕士，工程师，主要研究方向为燃气轮机及航空发动机涡轮设计，lrc9598@qq.com；
李军(1971)，男，博士，教授，主要研究方向为透平机械气动热力学与优化设计、动密封流热固多场耦合和增稳抑振技术等，junli@mail.xjtu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金重点项目(51936008)

Impact of Falling Blocks of High Pressure Turbine Rotor Blades With Squealer Tip on the Aerodynamic Performance and Vibration Characteristics

Mingyang ZHAO¹, Linlin YIN¹, Wentao WEI¹, Yun CHEN¹, Richen LIU¹, Jun LI²

^1.AECC Shenyang Engine Research Institute, Shenyang 110015, Liaoning Province, China
^2.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China

Received:2024-05-24 Revised:2024-07-11 Published:2024-10-31 Online:2024-10-29
Supported by:
Key Project of the National Natural Science Foundation of China(51936008)

摘要/Abstract

摘要：

目的高压涡轮损伤条件下运行状态对燃气轮机性能和振动会产生一定影响，而目前准确评估整机是否可以继续服役的手段较为缺乏，为此开展高压涡轮动叶叶尖凹槽磨损掉块对气动性能及振动变形的影响研究。方法采用三维数值仿真方法，以原动叶完整叶尖凹槽结构为基准，通过仿真分析了5种不同叶尖凹槽掉块形状对高压涡轮典型气动性能及动叶振动特性的影响规律。结果动叶叶尖凹槽叶盆侧掉块，叶背侧掉块，尾缘掉块，叶盆和尾缘同时掉块，叶盆、叶背和尾缘同时掉块，分别造成高压涡轮效率下降0.44%、1.6%、0.03%、0.67%、3.2%；不同动叶叶尖凹槽形状对动叶的振动变形影响较小，尾缘掉块会减小动叶的变形。结论综合气动性能及振动变形的影响分析，对于动叶叶尖凹槽的叶盆掉块、尾缘掉块或两者同时掉块的叶片可以继续使用，而对于叶背掉块及盆背侧和尾缘同时掉块的叶片建议不再使用。

关键词: 燃气轮机, 高压涡轮, 间隙泄漏, 数值仿真, 动叶叶尖, 振动响应

Abstract:

Objectives The operating state under the condition of high-pressure turbine damage will have a certain impact on the performance and vibration of the gas turbine. At present, the means to accurately assess whether the whole machine can continue to be in service was relatively lacking. Therefore, the research on the influence of the tip groove wear and block shedding of the high-pressure turbine rotor blade on the aerodynamic performance and vibration deformation had been carried out. Methods Using the three-dimensional numerical simulation method, based on the original tip groove structure of the blade, the influence of five different tip groove damage shapes on typical aerodynamic performance and vibration characteristics of the high pressure turbine was simulated and analyzed. Results The damage of the blade tip groove on the pressure side with falling block, suction side with falling block, trailing edge with falling block, pressure side and trailing edge with falling blocks simultaneous, or pressure side, suction side and trailing edge with falling blocks simultaneous of rotor blades cause an efficiency decrease of 0.44%, 1.6%, 0.03%, 0.67%, and 3.2%, respectively. Different blade squealer tip shapes have a smaller impact on the vibration deformation of the rotor blade, while trailing edge with falling block reduces the deformation of the rotor blade. Conclusions Based on the analysis results of comprehensive performance and vibration, rotor blades with falling blocks at pressure side, trailing edge, or both can continue to be used. However, it is not recommended to use rotor blades with falling blocks at suction side or pressure side, suction side and trailing edge.

Key words: gas turbine, high pressure turbine, leakage flow, numerical simulation, rotor tip, vibration response

中图分类号:

TK 05

赵明阳, 殷林林, 韦文涛, 陈云, 刘日晨, 李军. 高压涡轮动叶叶尖掉块对气动性能及振动的影响[J]. 发电技术, 2024, 45(5): 856-867.

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图/表 20

图1 动叶叶尖凹槽掉块示意图

Fig. 1 Diagram of falling blocks of rotor blade tip flutes

图2 模型示意图

Fig. 2 Diagram of the models

表1 涡轮参数

Tab. 1 Parameters of the turbine

参数	数值
涡轮级进出口总静压比	4.9
动叶展弦比	1.19
动叶稠度	1.22
动叶出口马赫数	0.57
动叶叶尖凹槽深度/mm	4
动叶叶尖最小间隙/mm	0.5
动叶出口轮毂比	0.88

图3 计算模型

Fig. 3 Calculation model

图4 动叶表面相对静压分布

Fig. 4 Relative static pressure distribution on the rotor surface

图5 出口气流角沿叶高分布

Fig. 5 Distribution of outlet flow angle along the blade height

图6 不同出口高度气流角周向分布

Fig. 6 Distribution of flow angles along the circumference at different outlet heights

图7 不同出口高度流线

Fig. 7 Streamlines at different outlet heights

图8 动叶叶尖间隙泄漏量

Fig. 8 Leakage flow rate at rotor tip clearance

图9 不同截面马赫数及流线分布

Fig. 9 Mach number cloud map and streamline distribution at different planes

图10 反力度分布

Fig. 10 Distribution of reaction

图11 动叶总压损失系数曲线

Fig. 11 Curves of rotor total pressure loss coefficient

图12 出口截面总压云图及流线分布

Fig. 12 Total pressure cloud map and streamline distribution at the outlet section

图13 相对效率曲线

Fig. 13 Relative efficiency curve

图14 动叶频率

Fig. 14 Frequencies of rotor blade

图15 坎贝尔图

Fig. 15 Campbell diagram

图16 动叶A—F变形量云图

Fig. 16 Directional deformation of rotor blade A-F

图17 动叶变形量

Fig. 17 Directional deformation of rotor blade

图18 动叶部分掉块的计算模型示意图

Fig. 18 Schematic diagram of calculation model for fallings blocks of some rotor blade tip flutes

图19 部分掉块对效率的影响

Fig. 19 Impact of some falling blocks on efficiency

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高压涡轮动叶叶尖掉块对气动性能及振动的影响

Impact of Falling Blocks of High Pressure Turbine Rotor Blades With Squealer Tip on the Aerodynamic Performance and Vibration Characteristics

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