大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)

陳 云，王 雷，王 剛

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)

陳 云，王 雷，王 剛

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

基于大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)研究，分析了大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和主要設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)選取原則以及發(fā)展趨勢(shì)，研究了過(guò)渡流道設(shè)計(jì)參數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)、過(guò)渡流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及對(duì)多級(jí)低壓渦輪子午流道設(shè)計(jì)與功率分配方法，綜合分析了多級(jí)低壓渦輪功率分配需要考慮的各項(xiàng)因素，并探討了高升力渦輪葉型設(shè)計(jì)方法。研究表明：過(guò)渡流道方案設(shè)計(jì)可以采用長(zhǎng)高比及當(dāng)量擴(kuò)張角作為初步選取標(biāo)準(zhǔn)；多級(jí)低壓渦輪功率分配要綜合考慮不同工況性能及氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)；完成設(shè)計(jì)的大轉(zhuǎn)折角后加載葉型能夠有效地控制渦輪葉柵內(nèi)的流動(dòng)損失。

大涵道比；低壓渦輪；氣動(dòng)設(shè)計(jì)；高負(fù)荷；過(guò)渡流道；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的提高，作為關(guān)鍵部件的多級(jí)低壓渦輪對(duì)整機(jī)性能指標(biāo)的影響愈加明顯。國(guó)外研究表明，在11 km高空巡航時(shí)，低壓渦輪部件效率增加1%可導(dǎo)致耗油率下降0.9%[1]。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)受風(fēng)扇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及噪聲水平限制，低壓渦輪轉(zhuǎn)速相對(duì)較低（不包括采用齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)形式），為了提供足夠的功率需要采用級(jí)數(shù)較多（4～7級(jí)）、外徑較大（≥500 mm）的低壓渦輪，這將導(dǎo)致低壓渦輪質(zhì)量增加，通常大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的20%及以上[1]。在其設(shè)計(jì)中，應(yīng)用3維定常及非定常精細(xì)數(shù)值模擬技術(shù)，使低壓渦輪效率達(dá)到了較高的水平（0.91以上）。當(dāng)前，國(guó)外在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的研究中，除了將高效率作為低壓渦輪的設(shè)計(jì)目標(biāo)外，還兼顧低成本、輕質(zhì)量設(shè)計(jì)，在氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)采取有效的設(shè)計(jì)方法，減少渦輪級(jí)數(shù)與葉片數(shù)，降低渦輪的加工和維護(hù)成本，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

本文以大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪為研究對(duì)象，對(duì)高效過(guò)渡流道設(shè)計(jì)、高負(fù)荷渦輪功率分配、高升力渦輪葉型設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，分析了大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取原則，為大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 低壓渦輪設(shè)計(jì)特點(diǎn)

目前，國(guó)外低壓渦輪技術(shù)主要圍繞高負(fù)荷渦輪設(shè)計(jì)、高升力葉型設(shè)計(jì)以及非定常設(shè)計(jì)在控制渦輪損失中的應(yīng)用等中進(jìn)行。大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪負(fù)荷發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示，高升力渦輪葉型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如圖2所示[2]。

圖2 高升力葉型表面速度分布特點(diǎn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，受風(fēng)扇強(qiáng)度與降噪設(shè)計(jì)的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸轉(zhuǎn)速較低，低壓渦輪為滿足功率及效率要求，采用抬高流道的形式提高切線速度來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以在高、低壓渦輪之間高效過(guò)渡流道的設(shè)計(jì)也是1項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2 多級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪主要設(shè)計(jì)原則有以下幾點(diǎn)：

（1）大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)工作在亞聲速狀態(tài)，采用較低的噴流速度有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率，所以，在低壓渦輪出口面積選擇上要考慮飛機(jī)工作狀態(tài)及發(fā)動(dòng)機(jī)末級(jí)低壓渦輪強(qiáng)度限制，在滿足總體對(duì)低壓渦輪最大外徑限制及保證低壓渦輪末級(jí)工作葉片強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，盡量選取較大的環(huán)形面積。通常，在初始方案設(shè)計(jì)中將末級(jí)動(dòng)葉徑高比（中截面直徑/葉高）作為強(qiáng)度限制條件之一，在大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪中該值一般不小于5[4]。

（2）渦輪輪轂比的大小對(duì)渦輪葉片工作過(guò)程中的二次流強(qiáng)度及葉片伸長(zhǎng)量變化有一定影響，為了減小二次流損失的影響，需保證渦輪葉片輪轂比小于0.5，但是考慮到輪轂比較大使葉片間隙損失增加，所以要求輪轂比小于0.85[4]。

（3）大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪為了降低軸向長(zhǎng)度，通常采用大展弦比葉片設(shè)計(jì)，但是太大的展弦比勢(shì)必會(huì)影響渦輪葉片強(qiáng)度，在方案中，低壓渦輪展弦比選取在6以內(nèi)[4]。

（4）在進(jìn)行渦輪設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)各級(jí)低壓渦輪的載荷系數(shù)（ΔH/u2）進(jìn)行優(yōu)化選取，保證渦輪具有較高效率，常規(guī)低壓渦輪級(jí)載荷系數(shù)保持在2.0左右，對(duì)于較高負(fù)荷的渦輪盡量保證級(jí)載荷系數(shù)小于3.0。另外，渦輪載荷系數(shù)的選取要綜合考慮與流量系數(shù)(Va/u)之間的關(guān)系，保證低壓渦輪落在高效率區(qū)。

2.2 過(guò)渡流道設(shè)計(jì)

高低壓渦輪過(guò)渡流道的選取決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向尺寸及過(guò)渡流道內(nèi)的流動(dòng)損失，最終影響到整個(gè)渦輪的效率水平。在過(guò)渡流道設(shè)計(jì)中，以過(guò)渡流道長(zhǎng)高比（X/Y）及過(guò)渡流道當(dāng)量擴(kuò)張角（θ）作為初步選取標(biāo)準(zhǔn)。其中過(guò)渡流道當(dāng)量擴(kuò)張角定義為：將過(guò)渡流道環(huán)形通道的進(jìn)、出口面積分別等效成圓臺(tái)的2個(gè)圓面積，圓臺(tái)的軸線長(zhǎng)度與過(guò)渡流道的軸向長(zhǎng)度保持一致，這時(shí)圓臺(tái)腰線與軸線形成的夾角即為過(guò)渡流道當(dāng)量擴(kuò)張角，如圖3所示。

在進(jìn)行過(guò)渡流道選取前，對(duì)國(guó)外大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，估算了GP7200和GE90等2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡流道幾何參數(shù)，其長(zhǎng)高比分別為1.628和1.419，當(dāng)量擴(kuò)張角分別為11°和9.5°，過(guò)渡流道如圖4所示。

與GP7200發(fā)動(dòng)機(jī)相比，GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)渡流道斜率大，氣流轉(zhuǎn)折角大，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)高，在方案設(shè)計(jì)中初步按照GP7200發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行參數(shù)選取。在過(guò)渡流道的設(shè)計(jì)中，當(dāng)量擴(kuò)張角是1個(gè)關(guān)鍵的幾何參數(shù)，太大的當(dāng)量擴(kuò)張角不利于高效過(guò)渡流道的設(shè)計(jì)，通常在設(shè)計(jì)中，當(dāng)量擴(kuò)張角在9°左右。在進(jìn)行當(dāng)量擴(kuò)張角選取時(shí)，還要考慮低壓渦輪進(jìn)口（既過(guò)渡流道出口）Ma的大小。

圖3 過(guò)渡流道選取標(biāo)準(zhǔn)

圖4 GP7200發(fā)動(dòng)機(jī)與GE90發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡流道

由于過(guò)渡流道尺寸長(zhǎng)、整流支板數(shù)少、氣流轉(zhuǎn)折角大，氣流在過(guò)渡流道內(nèi)的流態(tài)完全由上下端壁型線控制，所以上下端壁型線的設(shè)計(jì)是過(guò)渡流道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在過(guò)渡流道的設(shè)計(jì)中,將過(guò)渡流道用中弧線加厚度分布的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表示。利用Matlab遺傳算法庫(kù)結(jié)合3維數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行帶整流支板的過(guò)渡流道優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了總壓損失最小的過(guò)渡流道內(nèi)外端壁型線。過(guò)渡流道優(yōu)化記錄及設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

2.3 子午流道設(shè)計(jì)

圖5 過(guò)渡流道優(yōu)化記錄及設(shè)計(jì)結(jié)果

在低壓渦輪子午流道的設(shè)計(jì)中，還需要根據(jù)具體方案設(shè)計(jì)對(duì)子午流道擴(kuò)張角及轉(zhuǎn)靜子軸向距離進(jìn)行選取。為了降低葉柵通道內(nèi)二次流動(dòng)損失，子午流道擴(kuò)張角選取不大于25°（GE/E3低壓渦輪設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)）[3]；根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通常轉(zhuǎn)靜子軸向距離不小于靜子葉片軸向弦長(zhǎng)的25%。

在滿足以上條件下，進(jìn)行子午流道的設(shè)計(jì)，盡量縮短低壓渦輪軸向尺寸。在初步確定低壓渦輪子午流道的基礎(chǔ)上，進(jìn)行S2流面迭代計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)各排葉片出口氣流角及子午流道型線，調(diào)整低壓渦輪流量及各級(jí)功率分配，經(jīng)過(guò)多輪迭代，最終獲得滿足設(shè)計(jì)要求的子午流道方案。

2.4 功率分配

在低壓渦輪設(shè)計(jì)中，要根據(jù)渦輪各級(jí)做功特點(diǎn)進(jìn)行功率分配，綜合考慮損失水平、載荷系數(shù)、流量系數(shù)、膨脹比、葉柵出口Ma、氣流轉(zhuǎn)折角等因素。

由于大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪具有級(jí)數(shù)多、效率高、負(fù)荷大的特點(diǎn)，隨著低壓渦輪負(fù)荷水平的提高，渦輪載荷系數(shù)逐步提高，在此情況下，合理分配各級(jí)渦輪負(fù)荷水平對(duì)提高渦輪設(shè)計(jì)效率非常關(guān)鍵。

在多級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)中，第1級(jí)低壓渦輪葉片短，端壁擴(kuò)張角大，切線速度較小，所以第1級(jí)低壓渦輪內(nèi)的流動(dòng)損失較大，在功率分配時(shí)要適當(dāng)降低第1級(jí)低壓渦輪的功率比例。低壓渦輪末級(jí)由于要保證低壓渦輪出口氣流軸向，同時(shí)，低壓渦輪末級(jí)功率受發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的影響大，在高空飛行時(shí)低雷諾數(shù)效應(yīng)引起的損失也相對(duì)較大，所以，末級(jí)低壓渦輪分配的功率也不宜過(guò)高。

以5級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)為例，中間3級(jí)低壓渦輪功率所占的比重較大。在對(duì)該3級(jí)低壓渦輪進(jìn)行功率分配時(shí)，要考慮渦輪導(dǎo)動(dòng)葉出口Ma、氣流轉(zhuǎn)折角以及對(duì)“再生熱”的利用等各種因素。第2級(jí)低壓渦輪進(jìn)口總溫高，提高該級(jí)渦輪的負(fù)荷，能適當(dāng)降低后2級(jí)渦輪的膨脹比，有利于葉型設(shè)計(jì)，同時(shí)可以有效利用“再生熱”，利于提高效率。第3、4級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)比較相似，都屬于高膨脹比、低通流、大轉(zhuǎn)折角葉型設(shè)計(jì)，在功率分配上要考慮葉柵出口Ma水平及葉柵內(nèi)氣流轉(zhuǎn)折角的大小，在設(shè)計(jì)中，如果葉柵出口氣流Ma水平太高（超過(guò)0.75），或者氣流轉(zhuǎn)折角太大，甚至超過(guò)了120°，此時(shí)就需要重新調(diào)整各級(jí)渦輪功率分配。

通過(guò)多輪迭代選定的低壓渦輪各級(jí)負(fù)荷分布如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，第2～4級(jí)低壓渦輪都選擇在最佳工作線附近，充分發(fā)揮了渦輪潛力，獲得了最佳的負(fù)荷與效率的平衡，總體看，5級(jí)低壓渦輪功率分配合理。

圖6 低壓渦輪級(jí)參數(shù)及負(fù)荷分配

2.5 葉型設(shè)計(jì)

通過(guò)提高單個(gè)渦輪葉片負(fù)荷水平以減少葉片數(shù)的方法，減輕渦輪質(zhì)量，降低制造成本。在渦輪葉型設(shè)計(jì)中，通常采用升力系數(shù)（Zweifel數(shù)）表征低壓渦輪葉片的設(shè)計(jì)負(fù)荷水平；在常規(guī)的多級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)中，為了減少葉柵內(nèi)流動(dòng)損失，渦輪葉型的升力系數(shù)小于0.9。

在大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)中，將升力系數(shù)超過(guò)1的渦輪葉型定義為高升力渦輪葉型，典型的代表有T104、T106葉型及PAK-B葉型，其升力系數(shù)為1.04～1.08。

多級(jí)低壓渦輪葉型升力系數(shù)的選取還必須考慮各級(jí)渦輪的工作特點(diǎn)。由于第1級(jí)低壓渦輪導(dǎo)葉進(jìn)口流場(chǎng)不均勻，同時(shí)端壁擴(kuò)張角相對(duì)較大，存在較強(qiáng)的二次流動(dòng)，為了控制葉柵內(nèi)的流動(dòng)損失，葉型的升力系數(shù)不宜選取太高；在末級(jí)低壓渦輪動(dòng)葉設(shè)計(jì)中,為了保證低壓渦輪出口軸向排氣，葉片轉(zhuǎn)折角相對(duì)較小，采用損失相對(duì)較小的后加載葉型設(shè)計(jì)比較困難，同時(shí)葉型設(shè)計(jì)還要考慮葉尖截面的葉柵稠度，保證能夠進(jìn)行葉冠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以葉型的升力系數(shù)不宜選取太高。其他各排葉片在葉型設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)提高葉型的升力系數(shù)。

采用高升力渦輪葉型設(shè)計(jì)必須具備降低由于葉片數(shù)減少渦輪葉型負(fù)荷提高而導(dǎo)致的流動(dòng)損失增加的有效手段。通過(guò)大量的設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，采用大轉(zhuǎn)折角后加載的葉型設(shè)計(jì)方法能夠有效地控制葉柵內(nèi)的流動(dòng)損失。在葉型設(shè)計(jì)中保證葉型喉道前葉背流動(dòng)逐步加速，盡量避免葉背氣流二次加減速導(dǎo)致流動(dòng)損失增加；葉盆型線設(shè)計(jì)保證葉盆內(nèi)保持較低的流速，增加葉型盆背的壓差提高葉片扭矩，并不出現(xiàn)分離流動(dòng)。通過(guò)設(shè)計(jì)獲得的典型高負(fù)荷大轉(zhuǎn)折角低壓渦輪導(dǎo)、動(dòng)葉的葉型積疊如圖7所示。

3維計(jì)算獲得的低壓渦輪導(dǎo)、動(dòng)葉50%葉高截面處的載荷分布如圖8所示，從圖中可見(jiàn)，采用大轉(zhuǎn)折角后加載葉型設(shè)計(jì)的高升力渦輪葉型葉背流動(dòng)加速均勻，葉盆處壓力在較長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)保持不變，葉型載荷分布飽滿，是典型的高升力渦輪葉型設(shè)計(jì)。

圖7 低壓渦輪葉型積疊

圖8 低壓渦輪葉片中徑處載荷分布

3 結(jié)論

（1）提高負(fù)荷水平是多級(jí)低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。

（2）低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取要綜合考慮性能、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等各方面的要求。

（3）過(guò)渡流道長(zhǎng)高比及當(dāng)量擴(kuò)張角可以作為過(guò)渡流道初步設(shè)計(jì)選取的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）多級(jí)低壓渦輪功率分配要綜合考慮損失水平、載荷系數(shù)、流量系數(shù)、膨脹比、葉柵出口Ma、氣流轉(zhuǎn)折角等各項(xiàng)參數(shù)。

（5）采用大轉(zhuǎn)折角后加載的設(shè)計(jì)方法能夠有效地控制渦輪葉柵內(nèi)的流動(dòng)損失。

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Aerodynamic Design of Multistage Low Pressure Turbine for High Bypass Ratio Aeroengine

CHEN Yun,WANG Lei,WANG Gang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The aerodynamic design charactersitics,design selection criterion of main parameters and development trends of the high bypass ratio aeroengine multistage Low Pressure Turbine (LPT)were analyzed based on the investigation of the high bypass ratio aeroengine multistage LPT.The selection criterion and optimization design method of inter turbine duct design parameter,the meridional channel design and power distribution methods of LPT were investigated.The power distribution of each stage were analyzed comprehensively and the design methods of high lift turbine airfoil were dicussed.The result shows that the inter turbine duct design can use aspect ratio and equivalent expansion angle as a preliminary selection criteria.The different condition performance and aerodynamic design parameters are considered for the multistage turbine power distribution.The design of large turning angle loaded turbine airfoil can effectively control the flow loss in turbine cascade.

high bypass ratio;LPT;aerodynamic design;high load;inter-turbine duct;aeroengine

陳云（1982），男，碩士，工程師，主要從事葉輪機(jī)械氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作。

2012-07-11