基于CFD模擬的載荷后移和葉片間隙對總壓損失的影響的研究

景曉旭 張國慶

摘要：可轉動的渦輪第一級葉片和載荷后移都可以提高葉片的攻角適應性，從而使發動機具有更好的工況適應性，而可轉動葉片需要在葉片的頂端和低端都留下一定的間隙，這些間隙對發動機的流道損失有著重要的影響。載荷后移可以減少間隙喉部之前的流動損失情況。

關鍵詞：載荷后移；影響；研究

0 引言

燃氣輪機作為動力裝置，如何提高效率減少損失一直是燃機發展的重點。燃氣輪機的損失主要包括機械損失，通流損失和燃燒損失。而燃氣輪機的通流損失占了燃氣輪機總損失的75%，因此對通流部分的研究更是燃氣輪機損失研究的一個主要方面。葉型損失就是渦輪二維葉柵，即渦輪基元級的損失，它是由于當氣體流過平面葉柵的時候，因為氣體的粘性產生的附面層摩擦損失和附面層分離產生的損失。主要包括因為附面層而產生的摩擦損失，尾跡損失，尾跡和主流摻混所造成的損失，附面層中還有氣流的分離造成的損失和激波造成的損失。根據GE公司的研究數據，漏氣損失占了汽輪機級效率的33%。其中葉頂的漏氣損失更是占了22%，變幾何渦輪由于其靜葉需要隨著工況的變化，調節流量旋轉，葉頂和葉根部都需要留下間隙，因此相對于一般的渦輪級只有一個間隙，變幾何渦輪更是有了兩個間隙，泄露損失變得更加嚴重。實驗研究和理論研究都表明，相對間隙增大1%。渦輪的效率會隨之下降1.5%。間隙流動的存在使得流場的結構變得更加復雜，使得對于流動的研究更加困難。因此泄漏流動的研究也是葉輪機械研究的一個非常重要的方面。

傳統葉型氣體在葉型前半部分急劇加速，在葉型中部速度不變，在吸力面后部擴壓，這樣的葉型是前加載或者均勻加載葉型[1]。若最大載荷位置后移，在擴壓比差不多的前提下，則氣體在前半部分曲率變化小沒有明顯的加速，喉部之后急劇擴張，這樣的葉型就是后部加載葉型。如今，后部加載葉型由于其更好的攻角適應性，已經廣泛應用于現代葉輪機械的設計中。

變幾何燃氣輪機是指燃氣輪機的一個或者多個部件的幾何形狀位置等會隨著工作狀態而改變，使發動機總是處于最佳的工作狀態。在實際的工作狀態下，發動機不可能總是處在設計工況下，因此，如何在惡劣的工況下仍然使燃氣輪機保持較好的工作狀態是很有必要的。傳統渦輪發動機要改變推力必須調整轉速，這使各個部件或是發動機處于非設計狀態工作，各部件性能、效率隨轉速變化而降低。而渦輪導葉可調，則不調轉速既可改變流量，以改變發動機的推力。1971年，R.R公司經過試驗研究[2]得出結論：最有效地控制渦輪流量的方法是改變導葉安裝角。

1 不同葉形間隙處總壓損失的變化

渦輪第一級靜子葉片如果可以轉動，可以有更好的攻角適應性，也就減少了流道內部發生氣流分離的可能性，增加了發動機的變工況性能。但是這樣做的就需要在其靜葉的頂部和底部都會留下一定量的間隙，間隙的存在對葉柵內的流動和渦輪級的效率都造成了很大的影響，而載荷后移也可以提高葉片的攻角適應性，因此分析載荷后移對間隙流動的影響可以為相關設計提供一定的參考。

本文分析方法為制作載荷分布不同葉片模型，用CFD軟件進行計算對比分析不同葉片總壓損失的變化。

首先給出總壓損失的定義：

（1.1）

P*0進口總壓；P*當地總壓；PS當地靜壓。

觀察間隙的總壓損失等值線分布，可以看到葉片間隙處前半部分的總壓損失等值線幾乎是垂直于吸力面和壓力面的而喉部之后葉片總壓損失等值線逐漸平行于這兩個面，說明在葉片間隙喉部之前，流體的流向主要是順著流道方向，而喉部之后流體的流向不再是順著流道的方向，而是垂直于流道，這是因為在間隙的后半段，主導流體運動的不再是慣性力，而是葉片兩側的壓力差，葉片間隙內的流體從壓力面流向吸力面。這種流向的變化會引起總壓損失的劇烈變化，在圖中可以看到總壓損失最劇烈的區域出現在喉部位置。

載荷后移使得喉部位置向后移動，葉片最大壓力點前距離變長，葉片前半部分壓力變化更小，所以間隙處前半部分的總壓損失等值線更加稀疏，這就說明載荷后移使葉片間隙處前半部分總壓損失的的發展變慢，即載荷后移可以減小前半部分的總壓損失。

比較原葉型和后部加載葉型的間隙處總壓損失，發現葉型喉部位置附近原葉型的等總壓損失線斜率比后部加載葉型大，這是因為載荷后移使得葉柵前半部分橫向壓力梯度減小，橫向二次流減小，使得損失減小。但是在喉部之后，載荷后移的葉型的等總壓損失線更加密集，這說明后加載葉型這部分橫向流動更加嚴重，因此產生的損失更大，這是因為載荷后移使喉部之后的壓力梯度增大，從而引起了更加嚴重的流動損失。

2 不同葉形流道內部總壓損失的變化

在原葉片和載荷后移的葉片上在25%.50%和95%處截了三個截面。觀察葉片總壓損失隨著弦長變化，發現隨著流動的發展，葉頂和根部附近的總壓損失也在增大，并且損失區域向流道中心擴散。

對比葉頂間隙處的總壓損失和底部間隙的總壓損失，底部間隙的總壓損失比頂部間隙的總壓損失更大，這是因為離心力的作用，底部流體的速度更慢，附面層更厚，因此總壓損失更大

比較原葉片和載荷后移葉片流道內總壓損失分布，原葉片在葉片中間段和流道末尾處的總壓損失更大，并且對于流道中心的影響更大。

3 結論

通過分析兩個算例，研究載荷后移對渦輪靜葉間隙流動的影響，主要研究了兩個方面的內容：

1、載荷后移對間隙內靜壓分布的影響：載荷后移使間隙內靜壓梯度在前半部分減小，但是在喉部附近急劇增大，流動損失在喉部之前較小，而喉部之后更大。

2、載荷后移對葉片流道內總壓損失的影響：載荷的后移使葉片的總壓損失在前半部分減小，但是后半部分增大，到了出口處總壓損失略有減少。

參考文獻：

[1]周遜，具有后部加載葉型的渦輪葉柵氣動性能的試驗研究[D]。哈爾濱工業大學博士論文，2004.

[2]R.YANAGLete.ConeeptualDesignofTurboAeeeleratorforHSTCombinedCyeleEngine[A].ASME，92一GT一253，1992.