基本介紹
- 中文名：反動度
- 外文名：degreeofreaction
- 類型：科技術語
定性分析,流壓氣機設計,性能影響,
定性分析
級的反動度是汽輪機的重要參數之一，在一定程度上反映了汽輪機的工作狀態，在變工況時了解其變化情況是非常必要的。但是，關於級內反動度變化規律的定性討論，各種文獻卻不盡一致，並且存在一些誤區，主要是進行分析時沒有使用能量方程，以及連續方程的截面選擇不當；或存在一些條理和論述不夠清晰之處。通過分析這些誤區，提出了進行反動度定性分析的一些原則，並給出了較為完整而詳細的分析。
截面的選擇問題
速度三角形進行了反動度的定性分析，大致如下：
設 A‘’n 和 A‘’b 為噴嘴出口及動葉入口的垂直截面積，並忽略噴嘴出口與動葉入口之間工質的密度變化和漏氣。在套用連續性方程時，所選截面的面積應固定( 最好與汽輪機軸向垂直)，並且同一截面上的流速方向在變工況下要保持不變( 定性分析只考慮亞臨界工況) 。按照這個原則，就只能選擇噴嘴出口截面與動葉出口截面，這樣才可以單純地對速度的大小進行比較。而且 ρ1 ≈ ρ2 的假設也欠妥當，因為這其實是直接假設工質為不可壓縮流體，但是對於不可壓縮流體，變工況時不應該有膨脹的改變，也就不可能有反動度的改變。
完整的定性分析
選擇噴嘴出口截面與動葉出口截面，並且使用了能量方程，沒有原則上的問題。但是，其論述太過簡化，不 夠清晰，下面給出一 個分析，其前提假設為：
1） 工質為理想氣體，絕熱指數 k 為常數；
2） 級的前後壓力 p0 和 p2 不變；
3）變工況下噴嘴、動葉出氣角 α1 與 β1 不變，且不考慮任何損失。
因為是定性分析，未給出具體函式，但很顯然，改變級前工質溫度 T0* ，或者改變輪周速度 u，都可以實現級的變工況。當級的理想比焓降減小時，如果反動度不變，能量分配不滿足流動連續性；為滿足流動連續性，動葉比焓降需要增大，也即反動度變大。對於衝動級，理論上是存在速比增大反動度減小的情況，但實際上基本不會發生。
損失的影響
特別指出的是，與理想情況相比，損失也是一種變工況：對於動葉，在速度係數之外，還常考慮一種撞擊損失。常用的葉型均帶有一定的反動度，進汽邊為圓弧形，降低了葉片對沖角的敏感性，且在汽輪機實用的變工況範圍內，沖角θ 不大，因此可以不考慮此項損失。所以，用有效相對速度的概念來考慮撞擊損失，是否真的能夠提高計算精度還是個問題。
變工況下即使反動度不變，能量分配也能滿足流動連續性要求，似乎任何變工況下反動度都與設計工況相同； 但如果可以直接對任意兩個變工況進行比較，各變工況的反動度卻又不應該相等。
結論
變工況下汽輪機反動度定性分析的兩個基本原則：
1） 使用連續方程時，應選擇噴嘴出口與動葉出口截面；
2）使用連續方程的同時，必須使用能量方程。
另外，在不考慮各種損失、工質為理想氣體時，也沒有必要直接對工質密度進行特別的假定。在這些原則下，給出了一個比較完整而詳細的分析，並討論了損失對反動度的影響。該分析條理清晰，適用範圍較廣，結論和有關文獻的試驗結果也相一致，對於分析汽輪機變工況有一定意義。
流壓氣機設計
為了設計高壓比高負荷的軸流壓氣機，提出了一種低反動度的設計思想，旨在通過調整基元級反動度的大小控制動葉的附面層分離，在靜葉中採取附面層吸附的方法控制三維分離流動。壓氣機的單級負荷在不斷增大，性能也越來越高。
概念的提出和關鍵技術點
為了得到更高的單級壓比和氣動負荷，壓氣機通常採取兩種方法，即增加動葉葉尖的切線速度或增加動葉轉角。前一種方法顯然受材料強度等客觀條件的限制，動葉葉尖切線速度不能過高。那么為了進一步提高單級壓比 ，我們就只能增大動葉的轉角。按常規反動度設計的動葉在大轉角情況下將發生嚴重的分離流動，效率急劇降低。
於是，提出了低反動度壓氣機的設計概念的關鍵技術主要有以下三點 ：
1）動葉採取預旋以降低反動度，抑制吸力面附面層分離。對於多級軸流壓氣機，前幾級動葉採取較小的預旋，使下一級靜葉轉角保持在合理範圍內(氣流不發生分離)；最後一級(或末幾級)採取較大的預旋，這時靜葉的轉角較大，需要採用主動控制方法抑制分離流動。
2）動葉不抽吸，僅在轉角較大的靜葉中抽吸來控制分離流動。這樣做的好處是可以簡化抽吸管路的排布問題，從而降低設計難度。
3）靜葉中採用葉片表面(主要是吸力面)和兩端壁面聯合抽吸的方式來實現對分離流的控制。
套用範圍
運用低反動度概念設計的動葉具有安裝角小、轉角大的特點，出口的氣流速度顯著高於常規方式的設計，容易導致下一級靜葉進口沿葉高方向局部甚至全部產生超音現象，這種現象在設計中應該是要極力避免的，因為超音流動比亞音流動更為複雜，難於控制。
低反動度壓氣機設計實例
利用低反動度這一思想設計一台高負荷的單級軸流壓氣機，其主要設計參數如下：壓比1.05，質量流量10 kg/s，轉速3 000r/min，要求該壓氣機的整級等熵效率不低於85%。為了達到較好的預旋效果，經過多次方案計算，對比結果後確定為 -30°(和軸向夾角)，此時動葉的安裝角控制在比較合理的範圍內，保持較高的工作效率。
需採用主動控制方法來控制靜葉中的分離流動，通過附面層抽吸的方法將引起分離的附面層低能流體部分抽走，從而抑制分離流動的產生，使整台壓氣機具有較高的效率。
計算結果及分析
抽吸方案分為下端壁單一位置抽吸、葉片吸力面單一位置抽吸以及這兩種方式相結合的混合抽吸方式。方案計算都 採用 Numeca 軟體的 Fine/Turbo模組，通過求解三維 N -S 方程進行定常流場的數值模擬。湍流模型採用 Spalart -Allmaras 一方程模型。差分格式採用中心差分格式，全多重格線法加速收斂。方案計算的進口總壓 p*=100 181Pa， 進口總溫 T*=293.8K， 進氣角為 -30°，葉柵出口背壓可調以保證通流流量。
性能影響
對於高負荷低反動度跨聲速轉子，子午型線造型是其設計中研究重點之一。為尋求更優的子午造型方式，藉助數值模擬的方法初步研究了不同子午形式對高負荷低反動度跨聲速轉子氣動性能的影響。結果表明，相較於直線形式的子午型線，採用正弦曲線形式的子午型線可降低激波強度，轉子效率提升0.84%；合理的子午型線造型既需要控制波前馬赫數不至於過高，同時又要確保激波過後軸向速度可以獲得迅速提升，避免發生附面層分離再附著的現象。
數值計算方法及研究方案
1） 轉子設計參數：
以三級高負荷低反動吸附式壓氣機首級跨聲速轉子作為研究對象，其在葉尖切線速度為 370m/s 的情況下實現了 2.7 的總壓比，負荷係數（>0.85）已經遠超出了常規跨聲速壓氣機轉子所能達到的範疇。
2） 研究方案：
原型設計中，輪緣、輪轂曲線均為正弦曲線，其起始以及終止位置位於相應截面葉型前、尾緣與型線的交點，輪轂出口高度相對進口抬升30%進口葉高，而輪緣出口高度相對於進口降低15%進口葉高。嚴格意義上講，當子午流道形狀發生改變時，就設計問題而言，應同時改變其他幾何參數以確保壓氣機的工作性能——質量流量以及總壓比變化不是很大，但這加大了對比的工作量。
研究結果及討論
1） 曲線形式以及出口中徑位置對轉子設計點處氣動性能的影響：
對子午型線形式以及出口中徑位置進行相關研究，變中徑方案由輪轂向上抬升/降低 6%進口葉高獲得。當輪轂/緣曲線形式以及出口中徑變化時，各 S1 流面面積沿流向相對於原型的變化。由於轉子稠度既定，因此，當型線向上抬升時，相應 S1 流面面積增加，反之亦然。對於直線型轉子，其輪轂與輪緣處的 S1 面流道面積呈相反的變化趨勢。
2） 輪緣曲線形式對轉子氣動性能的影響：
與傳統跨聲速轉子相比，低反動度高負荷轉子的設計特點主要是輪緣型線的變化，因此，在保持輪轂型線不發生變化的前提下，對輪緣型線（正弦曲線）收縮段的起始（lp）及終止（tp）位置進行相關的研究 ，其中一點（lp 或 者 tp）位置發生變化時，另一點的位置保持不變。
結論
對於高負荷低反動度跨聲速轉子，需藉助輪緣與輪轂型線同時收縮以保證其能夠高效流動，因此需慎重選擇子午型線的變化形式。
1）不同形式的子午型線通過調整流道面積沿軸向的變化以及輪緣加功量影響著首級轉子的氣動性能。
2）當激波前子午收縮程度過大時，會導致前緣激波強度增加，並且在出口附近，由於 S2 子午收縮程度減小，S1 流道擴張致使其在輪緣出口處出現一定尺度的分離流動。
3）當激波前子午收縮程度減小時，可提高轉子的加功能力 ，減弱前緣激波的強度以及徑向尺度 。但激波後輪緣附近可能因為軸向速度提升幅度較小而發生附面層分離並且再附的現象 ，導致效率降低。
