球面端壁造型變幾何渦輪流場(chǎng)和性能數(shù)值研究

黃 鵬，喬渭陽(yáng)，魏佐君，劉 建

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安710072）

0 引言

在20世紀(jì)50年代，NASA的LEWIS研究中心就開(kāi)始對(duì)變幾何渦輪的可行性進(jìn)行了理論論證，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了可調(diào)導(dǎo)葉變幾何渦輪的效率特性，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉端壁間隙泄漏及較大的導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角度會(huì)導(dǎo)致渦輪效率下降，但采用變幾何渦輪使發(fā)動(dòng)機(jī)在部分載荷狀態(tài)下保持較高的循環(huán)參數(shù)，提高了整機(jī)循環(huán)效率［1－2］。此后，針對(duì)變幾何渦輪效率特性及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能影響的研究受到了廣泛的關(guān)注［3－7］。國(guó)內(nèi)近年也有大量的計(jì)算、試驗(yàn)研究成果發(fā)表［8－12］，極大提高了國(guó)內(nèi)變幾何渦輪的研究水平。

變幾何渦輪端壁設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要保證導(dǎo)葉在一定角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)不受阻礙，同時(shí)可調(diào)導(dǎo)葉端區(qū)間隙要盡可能小，從而將導(dǎo)葉間隙損失控制在較低的水平。球面端壁設(shè)計(jì)技術(shù)可以很好滿足以上兩個(gè)條件［11］，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。因此，球面端壁變幾何渦輪氣動(dòng)性能研究就顯得尤為重要。對(duì)一單級(jí)高壓渦輪進(jìn)行了球面端壁改造，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)葉安裝角的調(diào)節(jié)；運(yùn)用全三維CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)球面端壁造型對(duì)渦輪效率的影響及球面端壁變幾何渦輪在不同導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角下渦輪流場(chǎng)和氣動(dòng)性能變化規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了不同工作狀態(tài)下渦輪的損失機(jī)制。

1 計(jì)算模型及計(jì)算方法

1.1 變幾何渦輪球面端壁的造型方法

球面端壁變幾何渦輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，將渦輪原始通道與導(dǎo)葉連接的部分通道壁用球面替換，機(jī)匣球面和輪轂球面為同心球面，公共球心為渦輪轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)。通過(guò)對(duì)導(dǎo)葉葉頂、葉根的修型，使之形成與通道壁相配合的球面，從而實(shí)現(xiàn)在定間隙條件下對(duì)導(dǎo)葉安裝角的調(diào)節(jié)。

研究中的導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸位于葉片尾緣，這樣的布置可以減小導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)靜軸向間隙變化，有助于消除由此帶來(lái)的附加損失及實(shí)際工程應(yīng)用中可能引起的動(dòng)葉震動(dòng)。導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)范圍為－8°～8°，可調(diào)導(dǎo)葉葉尖、葉根間隙及動(dòng)葉葉尖間隙為葉高的0.5%。

圖1 球面端壁變幾何渦輪結(jié)構(gòu)

1.2 流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法

采用商用CFD軟件CFX14.0對(duì)變幾何渦輪三維粘性流場(chǎng)進(jìn)行了定常數(shù)值模擬。使用CFXTurbogrid對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，環(huán)繞葉片表面生成貼體O型網(wǎng)格，以更好模擬葉片周圍流場(chǎng)細(xì)節(jié)，其余計(jì)算域采用H型網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，100萬(wàn)網(wǎng)格模型與120網(wǎng)格模型的渦輪等熵效率計(jì)算誤差在0.04個(gè)百分點(diǎn)內(nèi)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)提高計(jì)算精度意義不大。因此，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)最終確定為1.0×106，在導(dǎo)葉、動(dòng)葉端部間隙內(nèi)保持10層計(jì)算網(wǎng)格，近壁面網(wǎng)格y＋＜20。葉片表面、通道壁均為無(wú)滑移絕熱壁面。轉(zhuǎn)靜交界面為級(jí)交界面（混合交界面）。湍流模型選用剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型（SST），并采用自動(dòng)壁面函數(shù)，湍流項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)采用二階格式離散。

計(jì)算域進(jìn)口的總溫度為1 587.4K，進(jìn)口的總壓為2 027.8kPa，通過(guò)改變出口靜壓來(lái)調(diào)節(jié)渦輪的落壓比，動(dòng)葉轉(zhuǎn)速為15 000r／min。

1.3 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

［13］采用與本研究相同的數(shù)值方法對(duì)參考文獻(xiàn)［14］中NGTE（英國(guó)國(guó)家燃?xì)鉁u輪研究院）的一單級(jí)渦輪進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，并將計(jì)算得出的渦輪效率和換算流量與參考文獻(xiàn)［14］中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。因此，本研究所使用數(shù)值計(jì)算方法可以較準(zhǔn)確地模擬渦輪級(jí)的總體氣動(dòng)性能。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 球面端壁及導(dǎo)葉間隙對(duì)渦輪效率的影響

為分別研究球面端壁及導(dǎo)葉端區(qū)間隙對(duì)渦輪效率的影響，對(duì)原始端壁（origin）、無(wú)間隙球面端壁（sph－noclr）、有間隙球面端壁（sph－clr）3種模型的渦輪等熵效率進(jìn)行了比較，如圖2所示，渦輪等熵效率ηis定義為：

圖2 球面端壁改造前后渦輪效率特性

對(duì)比原始端壁和無(wú)間隙球兩端壁2條效率曲線可以發(fā)現(xiàn)，球面端壁造型后渦輪導(dǎo)葉通道形狀改變所引起的渦輪效率下降基本控制在0.8%內(nèi)。值得注意的是，這是在傳統(tǒng)定幾何渦輪基礎(chǔ)上直接改造的結(jié)果，如果在渦輪通道設(shè)計(jì)時(shí)就加入了球面端壁造型，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果將更加合理，渦輪效率下降完全可以控制在一個(gè)更低水平。

為了確保導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)，在引入必要的導(dǎo)葉端區(qū)間隙以后，渦輪效率下降明顯，如原始端壁和無(wú)間隙球兩端壁2條效率曲線所示，端區(qū)間隙使得渦輪效率下降2%以上。可見(jiàn)，可調(diào)導(dǎo)葉端部間隙泄漏損失是變幾何渦輪的重要損失項(xiàng)之一。

圖3中導(dǎo)葉表面極限流線分布展示了3種幾何模型導(dǎo)葉通道內(nèi)流場(chǎng)細(xì)節(jié)。對(duì)比圖3b、圖3d，可以看到，球面無(wú)間隙模型吸力面葉尖端區(qū)通道渦影響范圍比原始導(dǎo)葉吸力面明顯增大。原始渦輪導(dǎo)葉進(jìn)口收斂型端壁具有增大端壁處氣流速度，抑制端壁邊界層發(fā)展，從而減小導(dǎo)葉通道內(nèi)二次流強(qiáng)度的作用。對(duì)渦輪端壁的球面造型不可避免地改變了收斂型的導(dǎo)葉進(jìn)口端壁，這就削弱了導(dǎo)葉端壁對(duì)二次流的抑制能力，這也是無(wú)間隙球面端壁模型效率低于原始端壁模型的主要原因。對(duì)比圖3c、圖3e，可以看到，球面有間隙模型壓力面端區(qū)附近的流體在導(dǎo)葉壓力面、吸力面之間壓力差的作用下被吸入間隙，輸運(yùn)至吸力面。對(duì)比圖3d、圖3f，可以看到，導(dǎo)葉端區(qū)間隙的存在使吸力面上端壁附近流場(chǎng)幾乎不受通道渦的影響，這是由于間隙泄漏流阻礙了在橫向壓力梯度作用下沿上端壁從壓力面流向吸力面的低能流體的運(yùn)動(dòng)，抑制了通道渦的發(fā)展，從而改善了吸力面表面的流動(dòng)狀況，但這并不意味著整個(gè)導(dǎo)葉的工作狀況得到了改善，由于間隙泄漏流內(nèi)部存在較大損失，使得渦輪效率明顯下降。

圖3 球面端壁造型前后導(dǎo)葉表面極限流線

2.2 球面端壁變幾何渦輪效率特性分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，變幾何球面端壁渦輪通過(guò)在－8°～8°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉，改變導(dǎo)葉喉部面積，在23.66～64.47kg／s的較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制，流量與導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角度基本呈線性變化規(guī)律。

有間隙球面端壁渦輪在不同導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角下的效率特性如圖4所示。在低壓比（壓比小于3.41）范圍內(nèi)，隨著導(dǎo)葉的打開(kāi)，渦輪效率逐漸升高并最終維持在一個(gè)較高的水平，當(dāng)壓比繼續(xù)提高時(shí)，導(dǎo)葉打開(kāi)狀態(tài)下的渦輪效率開(kāi)始降低，導(dǎo)葉打開(kāi)的程度越大，這種趨勢(shì)就越明顯。而在整個(gè)壓比變化范圍內(nèi)，渦輪效率會(huì)隨著導(dǎo)葉關(guān)閉而急劇降低。

圖4 不同旋轉(zhuǎn)角下球面端壁變幾何渦輪效率特性

2.3 球面端壁變幾何渦輪葉片加載狀態(tài)分析

通過(guò)改變導(dǎo)葉安裝角來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉喉道面積、控制渦輪流量的同時(shí)，必然會(huì)引起氣流在導(dǎo)葉、動(dòng)葉通道中焓降的重新分配。隨著導(dǎo)葉關(guān)閉，導(dǎo)葉喉道面積減小，氣流在導(dǎo)葉通道中過(guò)度膨脹，在其后的動(dòng)葉通道中的膨脹程度將減小，甚至葉根出現(xiàn)擴(kuò)壓現(xiàn)象。而導(dǎo)葉打開(kāi)時(shí)，導(dǎo)葉通道內(nèi)的氣流膨脹程度將減小，動(dòng)葉則要承擔(dān)更多的焓降，渦輪沿整個(gè)徑向高度的反力度增大。

不同旋轉(zhuǎn)角下導(dǎo)葉、動(dòng)葉50%葉高處的靜壓分布如圖5所示。在原始設(shè)計(jì)角度下，導(dǎo)葉工作在后加載狀態(tài)，動(dòng)葉為均勻加載狀態(tài)。隨著導(dǎo)葉的關(guān)閉，導(dǎo)葉通道收斂，氣流在導(dǎo)葉通道后段膨脹程度增大，導(dǎo)葉后加載的程度加深。此時(shí)動(dòng)葉進(jìn)氣正攻角增大，前駐點(diǎn)向壓力面移動(dòng)，吸力面加速區(qū)向前延伸，動(dòng)葉前部葉盆、葉背壓差增大，動(dòng)葉工作狀態(tài)由均勻加載過(guò)渡為前加載，同時(shí)由于反力度減小，氣流在動(dòng)葉通道中加速不足，甚至出現(xiàn)擴(kuò)壓現(xiàn)象，導(dǎo)致動(dòng)葉通道內(nèi)沿流向出現(xiàn)大范圍的逆壓梯度區(qū)，加之流量減小，造成動(dòng)葉壓力面、吸力面壓差減小，做功能力降低。當(dāng)導(dǎo)葉打開(kāi)時(shí)，氣流在導(dǎo)葉通道后段膨脹加速能力減弱，導(dǎo)葉由后加載狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍凹虞d，此時(shí)動(dòng)葉進(jìn)氣攻角轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)攻角，前駐點(diǎn)向吸力面移動(dòng)，吸力面加速段后移，動(dòng)葉前部壓力面、吸力面之間壓差減小，動(dòng)葉工作在后加載狀態(tài)，這有利于抑制動(dòng)葉通道內(nèi)的二次流發(fā)展，較大的級(jí)反力度也使得氣流在動(dòng)葉中的膨脹程度增大，葉片吸力面大部分區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)流向的順壓力梯度，有利于抑制可能發(fā)生的分離流動(dòng)，同時(shí)動(dòng)葉靜壓分布線所圍區(qū)域的面積更大，說(shuō)明動(dòng)葉做功能力增強(qiáng)。

圖5 不同旋轉(zhuǎn)角下導(dǎo)葉、動(dòng)葉50%葉高處?kù)o壓分布

2.4 球面端壁變幾何渦輪導(dǎo)葉損失分析

為研究導(dǎo)葉出口尾跡損失隨壓比和導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，導(dǎo)葉在關(guān)閉和打開(kāi)狀態(tài)下出口后4 mm截面上總壓損失系數(shù)分布隨壓比的變化如圖6所示。總壓損失ω定義為：

導(dǎo)葉關(guān)閉使導(dǎo)葉尾緣半徑與喉道寬度比值增大，－5°旋轉(zhuǎn)角狀態(tài)下導(dǎo)葉尾跡影響區(qū)域相比5°更大；由于－5°狀態(tài)下導(dǎo)葉通道的收斂程度更高，氣流在導(dǎo)葉通道內(nèi)膨脹更充分，出口馬赫數(shù)更高，這些都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的尾跡損失。對(duì)比圖6中－5°和5°狀態(tài)下，出口總壓損失系數(shù)分布隨壓比的變化，可以發(fā)現(xiàn)，－5°狀態(tài)下導(dǎo)葉尾跡損失隨壓比增大而明顯增強(qiáng)，而5°狀態(tài)下導(dǎo)葉尾跡損失隨壓比變化并不明顯，說(shuō)明導(dǎo)葉在關(guān)閉狀態(tài)下的尾跡損失對(duì)壓比變化更加敏感。

從圖6還可看出，導(dǎo)葉吸力面端區(qū)存在由間隙泄漏流引起的總壓損失區(qū)域。隨導(dǎo)葉關(guān)閉，損失區(qū)域形狀更狹長(zhǎng)，沿周向延伸更遠(yuǎn)，這主要是由兩方面原因造成的：一是當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，后加載狀態(tài)下導(dǎo)葉后段端區(qū)間隙兩側(cè)的壓差更大，泄漏流通過(guò)端區(qū)間隙后具有更強(qiáng)的周向運(yùn)動(dòng)能力；二是關(guān)閉狀態(tài)下的導(dǎo)葉吸力面有更大的區(qū)域位于導(dǎo)葉喉道之后，間隙泄漏流在喉道之后的流動(dòng)將不再受到導(dǎo)葉通道內(nèi)的橫向壓力梯度抑制，周向流動(dòng)阻力將減小。盡管打開(kāi)的導(dǎo)葉工作在前加載狀態(tài)下，但在圖6b、圖6d及圖6f中并沒(méi)有明顯的二次流損失區(qū)，這是由于導(dǎo)葉作為渦輪的第一排葉片，具有更大的進(jìn)出口壓比，流通能力更強(qiáng)；通道內(nèi)流動(dòng)為高雷諾數(shù)狀態(tài)，端壁處邊界層更薄，這都有效抑制了二次流的發(fā)展。

圖6 導(dǎo)葉出口后4mm截面上的總壓損失分布

2.5 球面端壁變幾何渦輪動(dòng)葉損失分析

當(dāng)壓比為3.41時(shí)，不同的導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角動(dòng)葉表面極限流線分布及110%軸向弦長(zhǎng)處的總壓損失系數(shù)分布如圖7所示。

圖7 動(dòng)葉表面極限流線分布和動(dòng)葉110%軸向弦長(zhǎng)截面上的總壓損失分布

導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)－5°和0°時(shí)，動(dòng)葉壓力面極限流線分布差別不大，流動(dòng)狀態(tài)良好，當(dāng)導(dǎo)葉打開(kāi)至5°時(shí)，動(dòng)葉工作在負(fù)攻角狀態(tài)下，動(dòng)葉葉盆前段25%徑向高度以上發(fā)生分離流動(dòng)，但分離并沒(méi)有造成嚴(yán)重的渦輪性能損失，在圖7i中并沒(méi)有與其對(duì)應(yīng)的損失區(qū)域。隨導(dǎo)葉的關(guān)閉，動(dòng)葉吸力面下通道渦影響區(qū)域?qū)⒀貜较蛏仙?°時(shí)在出口處與上通道渦影響區(qū)域匯聚，整個(gè)動(dòng)葉出口都受到二次流的強(qiáng)烈影響，圖7c也存在明顯的二次流損失區(qū)域，一方面這是由于動(dòng)葉前加載狀態(tài)過(guò)早地激發(fā)了二次流的產(chǎn)生，另一方面是動(dòng)葉通道內(nèi)較低的氣流速度使得端區(qū)低能流體滯留時(shí)間延長(zhǎng)，使二次流得以充分發(fā)展。對(duì)比圖7c、圖7f、圖7i可以看到，導(dǎo)葉打開(kāi)時(shí)，動(dòng)葉尾跡損失也隨之增大，這是由動(dòng)葉出口馬赫數(shù)增大引起的。

3 結(jié)束語(yǔ)

球面端壁設(shè)計(jì)技術(shù)在滿足導(dǎo)葉無(wú)阻礙旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，具有氣動(dòng)性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在現(xiàn)有傳統(tǒng)定幾何渦輪通道的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行球面端壁造型可能會(huì)削弱原始渦輪端壁對(duì)二次流的抑制作用，增大渦輪損失。這要求在變幾何渦輪設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該考慮采用球面端壁的布局并合理選取球面端壁的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)。導(dǎo)葉間隙損失是變幾何渦輪重要的損失源之一，可以考慮將已經(jīng)成功應(yīng)用于渦輪動(dòng)葉的間隙流動(dòng)損失控制技術(shù)（如葉端肋條、葉端面修型、凹槽形端面等），應(yīng)用于變幾何渦輪導(dǎo)葉設(shè)計(jì)中來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)葉間隙損失的控制。導(dǎo)葉開(kāi)閉將改變渦輪級(jí)反力度及各葉片排的加載狀態(tài)，進(jìn)而影響渦輪效率。尤其在可調(diào)導(dǎo)葉關(guān)閉狀態(tài)下，導(dǎo)葉出口尾跡損失和動(dòng)葉通道內(nèi)二次流損失的增大造成渦輪效率的急劇下降。針對(duì)這一問(wèn)題，需要在本研究基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步發(fā)展基于多個(gè)工作點(diǎn)的變幾何渦輪設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)工作點(diǎn)上渦輪各葉排內(nèi)氣流焓降的合理分配，進(jìn)而使渦輪在根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)改變可調(diào)導(dǎo)葉安裝角的同時(shí)始終保持較高效率。

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