融合設(shè)計的大厚度寬弦低壓渦輪導(dǎo)葉氣動分析

鞠文瑩，張兵兵，陳云，徐思文

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

在大涵道比發(fā)動機和艦船燃氣輪機中，級間過渡段作為解決高、低壓渦輪間流路差異問題和渦輪間承力問題的重要手段被廣泛采用。縮短過渡段軸向尺寸可以降低重量、成本及改善轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性。如何縮短過渡段軸向尺寸并提升過渡段流場品質(zhì)、降低過渡段流動損失逐漸成為過渡段氣動設(shè)計的重點。將過渡段支板和低壓渦輪導(dǎo)葉融合設(shè)計形成大厚度寬弦導(dǎo)葉可以顯著縮短過渡段長度并消除傳統(tǒng)支板帶來的流動損失，成為當下過渡段研究熱點。

宋石平驗證了大涵道比發(fā)動機渦輪帶支板的過渡段數(shù)值模擬方法的可靠性。黃濤對緊湊式渦輪過渡段的性能和流場加以分析。蔣首民通過非定常仿真方法研究了大擴張角渦輪過渡段的損失機理。2009 年，Marn 提出用有負荷的支板取代原來無負荷的支板與低壓渦輪導(dǎo)葉，開啟了過渡段研究的新思路。李晨將E3 發(fā)動機的支板與低壓渦輪第一級導(dǎo)葉進行一體化設(shè)計，數(shù)值模擬結(jié)果表明了一體化設(shè)計方法的有效性。

目前，國內(nèi)關(guān)于支板與導(dǎo)葉一體化設(shè)計的研究尚屬起步階段，一體化葉片設(shè)計方法和適用性有待進一步研究。本文以某燃氣輪機高、低壓渦輪級間過渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)葉一體化融合設(shè)計的大厚度寬弦葉片為研究對象，采用三維仿真和平面葉柵試驗分析多狀態(tài)下靜子內(nèi)部流場及工作性能。

1 研究對象與方法

本文研究對象是某燃氣輪機級間過渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)葉融合設(shè)計的葉片，導(dǎo)葉全周共16 片，采用大厚度寬弦直葉片，葉片最大厚度為44.8mm，軸線弦長達到140mm，葉片展弦比為0.6。導(dǎo)葉前緣到尾緣流道中徑截面半徑差距約20mm。導(dǎo)葉設(shè)計工況下進氣攻角為-25°，出口馬赫數(shù)為0.712。

仿真模型包括低壓渦輪導(dǎo)向器以及出口延長段。采用商用軟件求解定常的雷諾平均N-S 方程，計算域如圖1 所示。湍流模型采用SST 模型，壁面y+值小于4。對流項選用高階模式，湍流項選用一階模式。上、下壁面設(shè)置無滑移絕熱邊界，葉片周向設(shè)置周期性邊界條件。進口邊界條件給定總溫、總壓、氣流角，出口邊界條件設(shè)置靜壓。以變比熱工質(zhì)模擬燃氣。

圖1 計算域示意圖

考慮大導(dǎo)葉的最大厚度和弦長達到常規(guī)渦輪葉片的4 ～8 倍，先進行網(wǎng)格無關(guān)化分析，單通道葉柵網(wǎng)格數(shù)量達到75 萬后，仿真結(jié)果變化很小，同一工況下，總壓恢復(fù)系數(shù)和葉片出口馬赫數(shù)變化均小于0.02%，認為該網(wǎng)格已滿足計算精度要求。

采用常溫平面葉柵試驗驗證導(dǎo)葉不同攻角條件下、變出口馬赫數(shù)的葉柵試驗特性。試驗采用縮型平面葉柵，縮比尺寸比為0.235。試驗在連續(xù)式開口射流式風(fēng)洞試驗器完成。進氣工質(zhì)為壓縮空氣，通過改變試驗件進口總壓來調(diào)節(jié)出口等熵馬赫數(shù)，通過調(diào)整試驗器的轉(zhuǎn)盤改變進口攻角。

2 研究結(jié)果

2.1 仿真結(jié)果分析

為評價葉片性能，按照公式（1）定義的導(dǎo)向器能量損失系數(shù)對導(dǎo)葉性能進行評估。

式中，ζ 是能量損失系數(shù)，k 是比熱比，p 是壓力參數(shù)，上標*表示總參數(shù)，下標in、out 分別表示導(dǎo)葉進、出口截面。

不同進氣攻角（i）下導(dǎo)葉能量損失系數(shù)隨出口馬赫數(shù)(Ma)變化曲線如圖2 所示。Ma＜0.8 時，隨著出口馬赫數(shù)增大，氣流附面層厚度逐漸減小，摩擦損失減小，葉柵內(nèi)氣體能量損失系數(shù)整體上逐漸降低。Ma＞0.8時，隨馬赫數(shù)增大，導(dǎo)葉能量損失系數(shù)出現(xiàn)增大趨勢。以0°攻角進氣條件為典型工況，葉中截面馬赫數(shù)云圖如圖3 所示，可見出口馬赫數(shù)大于0.8 后，葉根附近葉背側(cè)首先出現(xiàn)超音速區(qū)域，尾緣附近出現(xiàn)流動分離，導(dǎo)葉內(nèi)氣體流動損失增大。

圖2 能量損失系數(shù)隨出口馬赫數(shù)變化曲線

圖3 0°攻角進氣下10%葉高截面馬赫數(shù)云圖

導(dǎo)葉出口氣流角隨進氣攻角和出口馬赫數(shù)變化如圖4 所示。在-30°～30°攻角，出口馬赫數(shù)在0.3 ～1.0 范圍內(nèi)，導(dǎo)葉出口氣流角波動在6°以內(nèi)。一定進氣攻角下，隨出口等熵馬赫數(shù)的增大，出口氣流角整體上呈現(xiàn)先減小再增大的變化規(guī)律，且波動范圍在2°以內(nèi)，出口等熵馬赫數(shù)對出氣角的影響不大。出口馬赫數(shù)小于0.8 時，進氣攻角每增大10°，導(dǎo)葉出口氣流角增大約0.6°。當正攻角大于20°時，導(dǎo)葉出口氣流角增大1°以上。

圖4 導(dǎo)葉出口氣流角隨出口馬赫數(shù)變化曲線

對比攻角-30°、20°和30°狀態(tài)下，出口馬赫數(shù)在0.3 和0.7 附近的葉片表面極限流線。攻角-30°時，葉片表面極限流線整體分布平滑，在吸力側(cè)尾緣0.05葉高以下出現(xiàn)極小分離。攻角20°時，受通道渦影響，葉片尾緣附近二次流增大。當攻角達到30°時，流道內(nèi)二次流進一步發(fā)展，影響出口氣流角，出口馬赫數(shù)為0.73 時，過大的進氣攻角導(dǎo)致導(dǎo)葉吸力面前緣葉根附近出現(xiàn)局部分離。

分析出口馬赫數(shù)在0.7 附近，攻角為-30°和30°時不同葉高截面的馬赫數(shù)分布云圖。-30°攻角下導(dǎo)葉沿程氣流逐漸增速，各展向截面流動順暢，30°攻角下10%葉高截面吸力面前緣存在少量低能流體，出口氣流角略有偏離。整體上該導(dǎo)葉在-30°～30°攻角范圍內(nèi)能夠保持流場穩(wěn)定，實現(xiàn)導(dǎo)流功能，具有較寬廣的穩(wěn)定工作范圍。在設(shè)計工況（i=25°，Ma=0.715）附近，氣流轉(zhuǎn)折角為37.4°。在30°進氣攻角下，氣流轉(zhuǎn)折角達到88.6°左右。

2.2 仿真與試驗結(jié)果對比

試驗數(shù)據(jù)表明：導(dǎo)葉能量損失系數(shù)對攻角變化不敏感。在出口馬赫數(shù)0.3 ～0.8 工況內(nèi)，工質(zhì)能量損失系數(shù)分布在0.013 ～0.026，隨馬赫數(shù)增加整體呈下降趨勢，在0.7 馬赫數(shù)附近能量損失系數(shù)最低，設(shè)計點能量損失系數(shù)為0.0137，與同出口馬赫數(shù)下的低壓渦輪導(dǎo)葉基本相當。當出口馬赫數(shù)達到0.8 左右后，能量損失系數(shù)急劇增加。氣流角隨馬赫數(shù)增大出現(xiàn)了先降低后升高的趨勢，變化范圍在2°以內(nèi)。在-20°～10°攻角進氣條件下，試驗測得導(dǎo)葉出口氣流角基本一致，對攻角變化不敏感。在-30°攻角進氣條件下，導(dǎo)葉出口氣流角減小約2.3°。

試驗與仿真結(jié)果導(dǎo)葉能量損失系數(shù)隨馬赫數(shù)變化規(guī)律一致，隨馬赫數(shù)增大先降低再升高，但仿真結(jié)果能量損失系數(shù)數(shù)值偏高，尤其在低馬赫數(shù)工況。以-30°攻角，0.3 出口馬赫數(shù)邊界條件為典型工況，分析仿真與試驗結(jié)果差異影響因素。原因：（1）仿真模型是全尺寸設(shè)計葉柵，而試驗為縮型葉片。（2）平面葉柵試驗內(nèi)、外流道為平直流道，而設(shè)計狀態(tài)下導(dǎo)葉子午流道逐漸擴張，通道內(nèi)部二次流結(jié)構(gòu)增大流動損失。將縮型葉片內(nèi)、外流道改為平直流道。-30°攻角下以縮型葉片和平直流道為模型的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果、設(shè)計葉柵仿真結(jié)果對比圖5，縮型葉柵仿真結(jié)果在低馬赫數(shù)工況下工質(zhì)能量損失系數(shù)較設(shè)計葉柵顯著降低，在0.3 ～0.7 馬赫數(shù)范圍內(nèi)能量損失系數(shù)變化平緩，與試驗趨勢相同。此外，仿真模型為環(huán)形葉柵而試驗采用平面葉柵也是結(jié)果差異的重要原因。

圖5 -30°攻角下工質(zhì)能量損失系數(shù)曲線對比分析

典型工況導(dǎo)葉出口氣流角的仿真與試驗結(jié)果趨勢相同，數(shù)值仿真與試驗結(jié)果偏差約2°。仿真結(jié)果顯示，縮型葉片和平直流道對出口氣流角影響較小。

圖6 顯示了-20°攻角進氣條件下葉片表面靜壓分布情況，試驗結(jié)果出口馬赫數(shù)為0.712，仿真結(jié)果出口馬赫數(shù)為0.714。其中，x 表示葉片表面一點到前緣距離；b 表示葉片弦長，用x/b 表示該點在葉片上軸向/弦向的相對位置；p 表示葉片表面單點靜壓，Pex 表示葉片出口靜壓，用P/Pex 對葉片表面靜壓進行無量綱化，顯示葉片表面靜壓分布情況。可見試驗結(jié)果與仿真結(jié)果葉片表面靜壓分布接近，導(dǎo)葉載荷均勻加載。

圖6 -20°攻角下葉片表面靜壓分布

3 結(jié)語

本文以某燃氣輪機級間過渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)葉融合設(shè)計的大厚度寬弦葉片為研究對象，采用三維定常仿真和平面葉柵試驗結(jié)合方法，分析了導(dǎo)葉設(shè)計性能和內(nèi)部流場，得出以下結(jié)論。

（1）融合設(shè)計導(dǎo)葉具備導(dǎo)流功能，沿程氣流逐漸增速，設(shè)計工況附近內(nèi)部流場順暢，設(shè)計工況下，導(dǎo)葉內(nèi)工質(zhì)能量損失系數(shù)仿真結(jié)果為0.0298，葉柵試驗結(jié)果為0.0137。（2）融合設(shè)計導(dǎo)葉在-30°～20°進氣攻角范圍內(nèi)，表現(xiàn)出穩(wěn)定的導(dǎo)流功能，能量損失系數(shù)和出口氣流角變化小，能適應(yīng)較寬的非設(shè)計工況工作條件。（3）導(dǎo)葉在出口馬赫數(shù)0.3 ～0.8，受葉片表面摩擦損失和二次流損失影響，能量損失系數(shù)隨馬赫數(shù)增大而降低。出口馬赫數(shù)超過0.8 后導(dǎo)葉內(nèi)出現(xiàn)激波引起損失增大。（4）仿真和試驗結(jié)果驗證了過渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)葉融合設(shè)計可行性，建議將設(shè)計攻角調(diào)整為-15°可進一步拓寬最佳工況范圍。