車輛燃?xì)廨啓C(jī)軸流渦輪設(shè)計(jì)

王楠 宋建桐 呂江毅

摘 要：車用燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪設(shè)計(jì)目前在國內(nèi)比較少，為了系統(tǒng)詳實(shí)地開發(fā)可靠產(chǎn)品，依據(jù)流體力學(xué)及葉輪機(jī)械原理，通過數(shù)值模擬的方式，使用Concepts NREC軟件仿真計(jì)算進(jìn)行車用渦輪設(shè)計(jì)，在降低了開發(fā)成本和時(shí)間的同時(shí)，提高了設(shè)備的穩(wěn)定可靠性，對(duì)我國的車用燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);軸流渦輪;數(shù)值模擬;葉輪設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U464.32? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-83-04

Axial Turbine Design of Vehicle

Wang Nan， Song Jiantong， Lv Jiangyi

（ BeiJing PolyTechnic， College of Automobile Engineering， Beijing 100000 ）

Abstract： In order to develop reliable products systematically and accurately， the turbine design of automotive gas turbines is relatively rare in China. Based on the principles of hydrodynamics and turbomachinery， the Concepts NREC software is used to simulate and calculate the turbine design of automotive gas turbines by means of numerical simulation， which reduces the cost and time of development and improves the equipment at the same time. The stability and reliability are of great significance to the turbine design of automotive gas turbines in China.

Keywords： Gas turbine; Axial flow turbine; Numerical simulation; Rotor design

CLC NO.： U464.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-83-04

1 軸流渦輪設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)渦輪第一步要根據(jù)需求確定燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)過程使用的渦輪類型。因此，需要使用燃?xì)廨啓C(jī)總體性能計(jì)算程序確定渦輪的膨脹比、做功量、轉(zhuǎn)速、渦輪入口工況，要保證設(shè)計(jì)的渦輪能夠和其他部件匹配，至少要保證渦輪能夠?yàn)轵?qū)動(dòng)壓氣機(jī)提供足夠的動(dòng)力。

由于壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定性隨轉(zhuǎn)速的變化比渦輪更加敏感，通常情況下渦輪的轉(zhuǎn)速是由壓氣機(jī)設(shè)計(jì)決定的。

當(dāng)渦輪總體性能參數(shù)和設(shè)計(jì)要求確定后，第二步是使用平均流線方法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，其主要是對(duì)渦輪進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)的熱力計(jì)算。在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，先初步選取級(jí)載荷參數(shù)、流量系數(shù)和反動(dòng)度，然后可使用Smith圖確定級(jí)效率。當(dāng)選定這些參數(shù)后，就可以根據(jù)基本的氣動(dòng)熱力學(xué)公式計(jì)算葉片平均速度，進(jìn)出口速度三角形，每排葉片進(jìn)出口熱力學(xué)參數(shù)。完成初步設(shè)計(jì)后，進(jìn)入通流設(shè)計(jì)階段。在平均流線設(shè)計(jì)階段，只考慮了軸向流動(dòng)情況或者說子午流動(dòng)的情況，采用一維計(jì)算。在通流設(shè)計(jì)階段則考慮了徑向上的速度變化，也即采用二維計(jì)算方法求解輪緣-輪轂方向上的流動(dòng)參數(shù)分布。為了保證獲得較好的計(jì)算結(jié)果，兩個(gè)方向上的網(wǎng)格線應(yīng)滿足正交條件。在進(jìn)行通流設(shè)計(jì)時(shí)，流動(dòng)被假設(shè)為軸對(duì)稱流動(dòng)，即不考慮葉片-葉片方向上流動(dòng)參數(shù)的變化。

第三步是葉型設(shè)計(jì)，其過程是一個(gè)迭代的過程。例如：在最初設(shè)計(jì)時(shí)如果選擇的反動(dòng)度過大，那么動(dòng)葉承受的載荷過大，這樣導(dǎo)致的葉片數(shù)目就要增加，在這種情況下，要重新選擇反動(dòng)度進(jìn)行平均流線的熱力計(jì)算。當(dāng)流量系數(shù)選擇得過小時(shí)，葉片就會(huì)過高，從而會(huì)引起葉片根部應(yīng)力增大，這就要求對(duì)平均流線處的速度三角形進(jìn)行調(diào)整，使子午速度增加，從而使葉片高度減小。[1-2]

最后在確定氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，開始投入生產(chǎn)。在形成產(chǎn)品后，還要根據(jù)產(chǎn)品的使用情況進(jìn)行分析，如有必要?jiǎng)t要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖1給出了渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)過程。可把設(shè)計(jì)過程分為三個(gè)過程：初步設(shè)計(jì)、通流設(shè)計(jì)和葉型設(shè)計(jì)。本章下面幾小節(jié)將結(jié)合課題具體說明一下這三個(gè)設(shè)計(jì)階段。

以高壓軸流渦輪設(shè)計(jì)為例來具體說明設(shè)計(jì)過程，軸流渦輪設(shè)計(jì)主要是在給定工況點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其中給定的主要的軸流渦輪設(shè)計(jì)要求參數(shù)見表1。

結(jié)構(gòu)參考數(shù)據(jù)見表2、表3和表4。

1.1 初步設(shè)計(jì)

使用商用軟件Concepts NREC的Axial模塊來輔助完成上述計(jì)算工作，其初步設(shè)計(jì)需要的基本幾何和性能參數(shù)見表5和表6。（其中很多參數(shù)的準(zhǔn)確值，主要是幾何參數(shù)要在后面的計(jì)算中確定）

在軟件中輸入的很多參數(shù)是期望值和經(jīng)驗(yàn)值，不一定合適，但在隨后的設(shè)計(jì)計(jì)算中會(huì)逐步調(diào)整。下面將介紹一下軸流渦輪初步設(shè)計(jì)時(shí)主要注意的一些重要參數(shù)的選擇原則：

（1）渦輪工作情況，有沒有阻塞，如果阻塞在哪里發(fā)生，一般喉部阻塞幾率較高，可以通過調(diào)整葉片數(shù)和調(diào)整葉片角等來改進(jìn);

（2）速度三角形是否合理，合理的速度三角形是渦輪高性能工作的前提;

（3）流量是否為設(shè)計(jì)流量，如果不符合將繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，可以調(diào)整的量有：葉高、渦輪半徑、進(jìn)/出口葉片角、壓比等;

（4）攻角是否在合理數(shù)值范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)是在±4°，可以通過調(diào)整進(jìn)/出口葉片角等來實(shí)現(xiàn);

（5）效率是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，渦輪效率范圍大約在85% —91%;

（6）反力度數(shù)值是否合適，過大過小都將影響渦輪工作性能;

（7）功率是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如果不符可以通過改進(jìn)流量、葉高、渦輪半徑、進(jìn)/出口葉片角、壓比等來達(dá)到要求;

（8）Zweifel系數(shù)是否合適，在初步設(shè)計(jì)時(shí)其理想的建議數(shù)值范圍應(yīng)在0.8-1.0。

根據(jù)已上原則，參數(shù)調(diào)整需要反復(fù)，數(shù)據(jù)調(diào)整的好壞直接影響后面的分析結(jié)果。通過Concepts NREC軟件的Axial模塊計(jì)算得到的設(shè)計(jì)速度三角形輸出見圖2。

1.2 通流設(shè)計(jì)

在進(jìn)行通流計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)，可獲得速度沿葉高方向上的分布，包括速度的大小和方向。對(duì)于大展弦比葉片，沿葉高方向上速度存在較大變化。對(duì)于現(xiàn)階段的渦輪葉片，為了減小二次流損失，葉片形狀通常是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，平均流線分析結(jié)果往往不能反映出遠(yuǎn)離中間葉高處流動(dòng)參數(shù)出現(xiàn)的變化。

在徑向方向上，通常使用徑向平衡方程來控制流動(dòng)參數(shù)沿徑向上的變化。早期的渦輪設(shè)計(jì)都使用等環(huán)量假設(shè)，在這種情況下，切向速度分量Cθ隨半徑的變化關(guān)系可以表示為：

（1）

在使用上式計(jì)算出Cθ后，再知道不同葉高處葉片旋轉(zhuǎn)速度U，以及子午速度Cm，即可確定任意葉高處的速度三角形。[3-4]

對(duì)于本課題的高壓軸流渦輪在軟件Concepts NREC的AxCent模塊中計(jì)算輸出的子午速度分布和絕對(duì)速度分布見圖3和圖4。

1.3 葉型設(shè)計(jì)

在完成通流設(shè)計(jì)后，得到沿葉高方向上一些平面上的二維葉片形狀。通常最少已知三個(gè)剖面，這三個(gè)剖面使葉根剖面、中間葉高剖面、葉尖剖面。

對(duì)于最簡單的葉片幾何形狀，有這三個(gè)剖面就可以實(shí)現(xiàn)葉片的積疊。對(duì)于比較復(fù)雜的三維葉片形狀，則需要更多的葉片剖面來描述。最初的渦輪葉型采用一些圓弧線和直線組成的，葉型設(shè)計(jì)的依據(jù)是一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際使用中得到的設(shè)計(jì)原則。

當(dāng)葉型剖面確定后，就可以開始葉片—葉片方向上的流動(dòng)分析。經(jīng)過葉片—葉片方向上的流動(dòng)分析，得到葉片吸力面和壓力面上的馬赫數(shù)分布，這樣設(shè)計(jì)人員可根據(jù)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)是否合理，尤其葉片表明擴(kuò)散因子是否在經(jīng)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)。如果不合理，就需要回到通流設(shè)計(jì)階段，對(duì)某些葉型剖面進(jìn)行修改。在某些情況下，甚至需要考慮平均流線設(shè)計(jì)計(jì)算中得到的一些參數(shù)是否有必要進(jìn)行修改。

下一步是對(duì)不同葉高處的葉型剖面進(jìn)行積疊，從而完成葉片的三維造型。可以采用不同的積疊方法實(shí)現(xiàn)葉片的三維造型，通常以每個(gè)剖面的質(zhì)心進(jìn)行積疊，這樣可以保證質(zhì)心連線沿著半徑方向，因此當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力不會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。有些情況下，會(huì)使葉片發(fā)生傾斜，即葉片沿葉高方向并不是沿徑向延伸，而是和徑向方向有夾角，這樣會(huì)使葉片對(duì)氣流產(chǎn)生沿徑向方向上的力，從而限制葉片表面附面層沿徑向方向上的遷移。在設(shè)計(jì)渦輪葉片時(shí)，如果能夠保證傾斜葉片所承受的應(yīng)力在葉片所能承受的范圍之內(nèi)，即可采用傾斜葉片。[5-6]

當(dāng)葉片的三維造型完成后，就可以采用CFD方法對(duì)葉片內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。如果CFD計(jì)算結(jié)果不能滿足要求，那么就要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)葉片形狀進(jìn)行修改。如果依靠修改葉片形狀不能獲得滿意的結(jié)果，則就要返回到通流設(shè)計(jì)階段，甚至要回到平均流線設(shè)計(jì)階段進(jìn)行重新計(jì)算。

通過使用Concepts NREC的AxCent模塊按照上述方法和原則反復(fù)設(shè)計(jì)調(diào)整，最后得到設(shè)計(jì)結(jié)果輸出。以高壓渦輪為例，其確定的基本幾何和基本性能參數(shù)如下：

高壓渦輪幾何參數(shù)見表7、表8：

所設(shè)計(jì)的高壓渦輪靜葉的三維模型見圖5（葉片數(shù)目為29），所設(shè)計(jì)的高壓渦輪動(dòng)葉的三維模型見圖6（葉片數(shù)目為53）。

最終高壓渦輪的仿真性能參數(shù)見表9。

2 結(jié)論

從性能參數(shù)看出，高壓渦輪的各項(xiàng)參數(shù)已經(jīng)基本滿足設(shè)計(jì)要求，而且葉型合理規(guī)整，其87%的效率也比較理想，另外相關(guān)數(shù)據(jù)也都調(diào)整到合理的范圍內(nèi)后，就可以把模型導(dǎo)入Concepts NREC中的AxCent模塊進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，即三維設(shè)計(jì)和分析。在這個(gè)模塊中的主要工作是從二維和三維的角度來優(yōu)化葉型。[7]主要參考的是軸流渦輪的相對(duì)馬赫數(shù)分布圖和載荷圖，令其輸出更為合理，工作情況更好。最終得到高壓渦輪的三維實(shí)體，下面兩個(gè)圖7（a）和（b）是所設(shè)計(jì)的高壓渦輪的三維立體圖：

參考文獻(xiàn)

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