圓盤半徑對變幾何渦輪氣動性能的影響

王曦

摘 要：為了保證渦輪導葉可以轉動，導葉兩端與機匣和輪轂壁面要留有間隙，從而引起額外泄漏損失。針對這一問題，本文對在可調導葉兩端增加圓盤結構的變幾何渦輪氣動性能進行分析，研究導葉端壁圓盤半徑對于泄漏損失的影響。研究結果表明：增大導葉端壁圓盤半徑，可以減小導葉端壁間隙，從而降低可調導葉泄漏損失，提高渦輪的性能。當圓盤半徑與弦長的比值達到一定時，再增大半徑對于渦輪效率的提升有限，考慮結構和強度等其他方面的影響，圓盤半徑r/弦長B為0.35時，已可以良好的減小可調導葉泄漏損失，提高渦輪的性能。

關鍵詞：變幾何渦輪;可調導葉;端區結構;泄漏損失

Abstract： In order to ensure that the turbine guide vane can rotate，clearance shall be reserved between both ends of the guide vane and the wall surface of the hub and shroud， resulting in additional leakage loss.To solve this preoblem，this paper analyzes the aerodynamic performance of variable geometry turbine with disk structure at both ends of adjustable guide vane，and studies the influence of guide vane end wall disk radius.The results show that increasing the radius of the guide vane end wall can reduce the guide wall clearance，decrease the leakage loss of the adjustable guide vane and improve the performance of the variable geometry turbine.When the ratio of disc radius to chord length reaches a certain value，increasing the radius has limited improvement of structure and strength， when the ratio of disc radius r to chord length B is 0.35，it can well reduce the leakage loss of guide vane and improve the performance of turbine.

Key words： Variable Geometry Turbine Variable-area Nozzle Petiolarea Structure Leakage Loss

前言

變幾何渦輪部分采用變幾何設計是使渦輪具有變通能力的有效手段， 可以在不同工況下把航空發動機性能調整到最為良好的工作點上。然而眾多的學者研究表明，為了保證變幾何渦輪導葉可以轉動，導葉的兩端與機匣和輪轂壁面要留有間隙，從而引起泄漏損失。Razinsky和Kuziak[1]發現， 渦輪采用變幾何設計，必須在靜葉端部留有一定高度的間隙，讓靜葉的自由轉動得以保證，這樣就會引起靜葉端部的附加損失，導致渦輪效率下降。本文擬在研究可調導葉兩端增加圓盤設計，以減小可調導葉端壁間隙引起的泄漏損失。

1研究對象與數值計算方法

1.1研究對象

本文研究渦輪部件由2級冷卻燃氣渦輪與1級非冷卻動力渦輪構成。燃氣渦輪與動力渦輪轉向相反，兩者之間通過過渡段進行連接。為了減小可調導葉端壁間隙引起的泄漏損失，在可調導葉兩端分別增加一個圓盤。研究可調導葉端壁為部分間隙時對渦輪氣動性能的影響，并同導葉端壁為無間隙時進行對比。

1.2數值計算方法

1.2.1計算方法及邊界條件

本文使用商業流體計算軟件CFX 17.2求解三維定常雷諾平均N-S方程。其中湍流模型采用帶有自動壁面處理功能的剪切應力輸運模型（SST模型）。計算域壁面給定絕熱無滑移邊界條件;動靜交接面周向平均處理。進口條件給定總溫、總壓，出口條件給定平均靜壓。本文收斂標準為流場變量的均方根殘差達到10-6以下。

1.2.2計算網格

計算網格除可調導葉外采用商用軟件TurboGrid生成。可調導葉采用ANSYS Workbench 中的Mesh生成非結構化網格，并對壁面和間隙進行了加密處理，壁面Y+值保持在1左右，在不改變網格劃分策略的前提下，調整網格數量，在總網格大于130萬時計算出來的渦輪效率值趨于穩定，考慮到計算的時間成本以及計算資源的限制，將總網格節點數設置為130萬。

2數值模擬結果及分析

2.1圓盤半徑對渦輪性能旳影響

可調導葉端壁部分間隙大小主要由導葉端壁圓盤半徑和徑向間隙兩個參數控制，本文主要考慮導葉端壁圓盤半徑的影響。固定導葉端壁相對徑向間隙，相對徑向間隙為導葉徑向間隙t與葉高l的比值，通過改變導葉端壁圓盤半徑與弦長比（分別為0、0.25、0.3、0.35 、0.4、1）分析導葉端壁圓盤大小對渦輪性能的影響。

2.1.1圓盤半徑對渦輪效率旳影響

輪轂和機匣圓盤半徑對渦輪效率的影響如圖1所示。橫坐標原點為全間隙，橫坐標終點為無間隙，橫坐標中間部分為圓盤半徑/弦長，縱坐標相對效率為效率與導葉無間隙時效率的比值。增大圓盤半徑可減小導葉端區間隙大小，從而減小間隙泄漏流損失，提高渦輪效率。導葉是部分間隙時效率相較于無間隙時減少的較少，而全間隙時，效率有一個明顯的降低。

2.2圓盤半徑對渦輪流場旳影響

2.2.1圓盤半徑對導葉能量損失旳影響

從圖2中可以看出，相比導葉端壁無間隙情況，端壁間隙泄漏流對導葉的總壓損失產生明顯影響，在端壁間隙泄漏流的影響下，導葉兩端的能量損失明顯增大。端壁間隙對導葉的總壓損失影響主要集中在10%葉高以下和90%葉高以上兩個區域。

2.2.2圓盤半徑對導葉表面靜壓分布旳影響

本小節取導葉10%和90%兩個葉高截面分析輪轂和機匣圓盤大小對導葉靜壓系數分布的影響。靜壓系數定義為當地靜壓與渦輪入口質量平均總壓之比。

圓盤大小對導葉靜壓分布的影響如圖3所示。首先，可以看出該導葉壓力面與吸力面壓差隨著葉高增加逐漸減小，在相同的輪轂和機匣圓盤半徑下，相對于機匣間隙，輪轂間隙附近壓力面和吸力面存在較大的壓差， 使輪轂間隙處泄漏流強度更大，導致輪轂間隙對渦輪效率影響更大，同時導葉出口總壓損失在輪轂附近也更大。圓盤大小對導葉表面靜壓分布的影響主要集中在導葉吸力面40%弦長以后。

2.2.3圓盤半徑對導葉馬赫數分布旳影響

圓盤大小對導葉葉高截面馬赫數分布的影響如圖4所示。由于篇幅限制，只展示無間隙、r/B為0.35的部分間隙和全間隙的10%葉高處馬赫數云圖。在導葉10%葉高吸力面葉片中后部位置出現明顯的超音速區，最大馬赫數達到1.3，該超音速區隨著導葉端壁圓盤增大而略微增大，全間隙時， 這一超音速區馬赫數明顯小于部分間隙。

3結論

通過對變幾何渦輪可調導葉增加圓盤進行三維氣動計算與研究分析， 本文得到如下結論：（1）對比分析了不同圓盤半徑下的變幾何渦輪性能，結果表明可調導葉端壁為部分間隙時的渦輪性能僅比無間隙時的渦輪性能略有降低，部分間隙時的渦輪性能明顯優于全間隙時的渦輪性能， 全間隙時渦輪效率相較于無間隙下降7.4%，是部分間隙時的效率下降的4倍以上。說明采用該結構可以明顯改善導葉端壁間隙引起的泄漏損失。

（2）在導葉端區采用圓盤結構，可以減小導葉端壁間隙，從而使得導葉端壁間隙引起泄漏損失逐漸下降，渦輪效率隨之增加。但由于導葉旋轉需要、端區結構復雜以及葉片強度等多方面的限制，圓盤的大小不可能無限制的增大。r/B為0.35的圓盤已可以良好的減小導葉間隙泄露損失，提高變幾何渦輪氣動性能，再增大圓盤半徑的意義有限。

參考文獻：

[1] RAZINSKY E H，KUZIAK W R.Aerothermodynamic performance of a variable nozzle power turbine stage for an automotive gas turbine[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1977，99（4）：587-592.