變幾何動力渦輪的氣動性能變化

1低工況下,關(guān)小管導(dǎo)葉和間冷回?zé)嵫h(huán)對動力齒輪采用可變幾何動態(tài)軸技術(shù)，有效調(diào)整和優(yōu)化各發(fā)動機組件之間的匹配，提高各發(fā)動機的減速性能。如在起動過程中,開大可調(diào)導(dǎo)葉,不僅可以使壓氣機特性圖上的共同工作線遠離喘振邊界,而且可以把相對更多比例的焓降分配給燃?xì)獍l(fā)生器透平,讓它有更大的扭矩使轉(zhuǎn)子盡快加速,實現(xiàn)機組的快速起動;在動力渦輪甩負(fù)荷時,突然開大可調(diào)導(dǎo)葉可以立即使動力透平的焓降大幅度降低,使動力透平的效率急劇下降,在這種情況下甚至可使燃?xì)庾饔迷趧恿ν钙降呐ぞ刈兂韶?fù)的(和旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩),即成為制動扭矩,從而有效實現(xiàn)動力渦輪的超速保護。在低工況時,關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉,可降低渦輪的有效通流面積,從而減小流量和降低功率,減小壓氣機耗功,并維持較高的渦輪進口總溫,從而可獲得較高的循環(huán)效率,而將變幾何動力渦輪技術(shù)與回?zé)嵫h(huán)或間冷回?zé)嵫h(huán)配合使用,將會獲得更大的循環(huán)收益。如采用回?zé)嵫h(huán)和變幾何動力渦輪技術(shù)的Solar5650型船用燃?xì)廨啓C,它的油耗能減小到中速柴油機的水平;而在WR-21燃?xì)廨啓C上,采用間冷回?zé)嵫h(huán)加變幾何動力渦輪技術(shù)使其與簡單循環(huán)LM2500燃?xì)廨啓C相比約能降低30%～40%的燃油消耗。如今WR-21船用燃?xì)廨啓C已成功應(yīng)用于英國海軍45型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的電力推進系統(tǒng)(IEP),而美法等國家海軍則進一步擬將其應(yīng)用于綜合全電力推進系統(tǒng)(IFEP)。因此,船用燃?xì)廨啓C變幾何動力渦輪技術(shù)研究具有現(xiàn)實的國防意義和重要的應(yīng)用前景。由于工程應(yīng)用的實際需求,渦輪葉柵的大負(fù)攻角特性研究得到了人們的廣泛關(guān)注。但是無論是實驗工作,還是數(shù)值模擬,對級環(huán)境中渦輪葉柵正沖角流動特性的機理研究相對較少。對于變幾何動力渦輪,在低工況時,關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉減小工質(zhì)流量和輸出功率,而可調(diào)導(dǎo)葉級動葉柵卻趨向在較大正沖角下運行;在啟動和加速工況,開大可調(diào)導(dǎo)葉以增大喘振裕度和燃?xì)獍l(fā)生器剩余功率,而可調(diào)導(dǎo)葉級動葉柵卻趨向在較大負(fù)沖角下運行。因此,系統(tǒng)地研究多級環(huán)境下大攻角流動特性將為變幾何動力渦輪的氣動設(shè)計提供可靠的依據(jù)。基于經(jīng)過驗證的葉輪機械三維數(shù)值模擬技術(shù),在先前的研究工作即文獻的基礎(chǔ)上,進一步考慮渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器和外特性的匹配要求,以更精確的模擬可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動導(dǎo)致變幾何動力渦輪處于大攻角運行而使其效率下降的流場機理,在此基礎(chǔ)上探討船用燃?xì)廨啓C變幾何動力渦輪的氣動設(shè)計規(guī)律。2壁區(qū)k-模型求解算法使用數(shù)值模擬方法在求解Favre平均三維粘性可壓縮N-S方程時,采用了1994年NASA的Menter發(fā)展的BSL雙方程湍流模型。從理論和計算的觀點講,實質(zhì)上BSL模型是k-ε模型和k-ω模型的復(fù)合模型(Blendedk-ε/k-ωBaselineModel),它一方面利用了近壁區(qū)k-ε模型可以給出較高精度的邊界條件及保證計算收斂的穩(wěn)定性特點;另一方面也充分發(fā)揮了遠壁區(qū)k-ε模型對自由流條件具有良好適應(yīng)性的特點。在求解N-S方程時,對流項數(shù)值格式采用線型分布對稱迎風(fēng)格式(LPS)加物理對流修正(PAC),粘性項采用中心差分格式,為加快程序的計算速度采用了全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)。計算渦輪進口給定總溫、總壓,絕對氣流角分布;出口給定背壓;在葉片內(nèi)、背弧和上下端壁施加無滑移條件,并應(yīng)用了溫度的法向梯度為零的條件;求解葉柵流場還采用了周期性邊界條件。計算中動靜葉片排軸向間隙未作延伸處理,葉片排首尾通過“混合平面”相連。本次計算靜葉柵網(wǎng)格徑向取46個網(wǎng)格點;動葉柵徑向取54個網(wǎng)格點,其中葉頂間隙取9個網(wǎng)格點;單列靜、動葉柵網(wǎng)格點數(shù)分別約10萬個及14萬個,總的計算網(wǎng)格點數(shù)約95萬個。圖1為整個渦輪的計算網(wǎng)格。設(shè)計點和非設(shè)計點的全流場最大計算殘差均收斂到10-4以下,這說明本次計算采用的數(shù)值方法和級間處理對本文算例是合理的。3層次分析法和模型上的細(xì)化對于采用后加載技術(shù)設(shè)計的大轉(zhuǎn)折角可調(diào)導(dǎo)葉,其轉(zhuǎn)角的取值范圍相對較小,同時考慮到與燃?xì)獍l(fā)生器的匹配及發(fā)動機運行的外特性要求,最終確定可調(diào)導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)角取值如下:在設(shè)計工況時,可調(diào)導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)角Δα=0°,而在兩個不同的較低負(fù)荷工況,Δα依次關(guān)小到-5°、-6°,對于超負(fù)荷工況,開大可調(diào)導(dǎo)葉選取了Δα=+8°。實質(zhì)上,當(dāng)開大可調(diào)導(dǎo)葉時,整個渦輪的通流能力受到了可調(diào)導(dǎo)葉級動葉柵的通流能力的制約;當(dāng)關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉時,整個渦輪的通流能力受到可調(diào)導(dǎo)葉的通流特性制約,并導(dǎo)致渦輪的效率更顯著地下降。有關(guān)實驗研究和數(shù)值分析得到了變幾何動力渦輪的功率特性、效率特性和流量特性,本文的研究結(jié)論也與此相一致,故這里不再進一步給出相關(guān)結(jié)果。由圖2可見,當(dāng)可調(diào)導(dǎo)葉關(guān)小時,第一級(可調(diào)導(dǎo)葉級)動葉的相對進氣角β1沿徑向減小了30°～60°,其趨向在較大正沖角下運行;當(dāng)可調(diào)導(dǎo)葉開大時,可調(diào)導(dǎo)葉級動葉的相對進氣角β1在徑向上增大了20°～30°,其趨向在更大的負(fù)沖角下運行;整體而言,開大時沿葉高上半部的變化大,關(guān)小時沿葉高下半部的變化大。由圖2(a)、(b)可見,對于兩種低負(fù)荷工況,盡管可調(diào)導(dǎo)葉僅僅進一步關(guān)小了1°,動葉的相對進氣角β1在根部減小近3°,而沿葉高上半部減小了5°～10°,并且使整個葉高上半部的流動特性顯著改變(見圖4(a)、(b)),因此數(shù)值模擬和試驗驗證是精確確定可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的必要手段。由于渦輪各級靜葉采用后部加載葉型,而且又采用了大頭圓弧的幾何前緣,它們對氣流沖角的變化不敏感,所以其它三級動葉的進氣攻角的變化并不太大,相比之下,第四級動葉的相對進氣角β1的變化要大一些,而葉高下半部的變化更為顯著。由圖3可見,無論是在大正攻角或大負(fù)攻角下運行(見圖2),可調(diào)導(dǎo)葉級動葉柵流道都會發(fā)生流動分離。然而兩種流動分離的位置明顯不同:在大正攻角下運行時,在葉片吸力面上形成大尺度旋渦區(qū),對于大負(fù)沖角,則在葉片壓力面上形成大尺度旋渦區(qū)。眾所周知,要想從物面的流譜去推斷整個復(fù)雜流場狀況幾乎是不可能的。因此,由圖4和圖5進一步給出變幾何動力渦輪可調(diào)導(dǎo)葉級動葉片近壁表面的極限流線分布,以及流道內(nèi)的空間三維分離渦流場結(jié)構(gòu)。由圖4可以看到,關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉時在動葉片壓力面存在一條分離結(jié)點—鞍點—分離結(jié)點結(jié)構(gòu)的分離線,這條分離線起始于奇點,因此該分離為閉式分離,并與圖3(a)、(b)的泡式分離結(jié)構(gòu)相對應(yīng);而由圖中動葉片吸力面極限流線分布可以看到,在吸力面也存在一條分離結(jié)點—鞍點—分離結(jié)點結(jié)構(gòu)的分離線,同樣對應(yīng)于閉式分離結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)角Δα=-6°時,這條分離線更為明顯,并位于葉片中部。在轉(zhuǎn)角Δα=-5°時,分離相對應(yīng)的分離結(jié)點均位于葉片中下部前緣附近,其中有一分離結(jié)點為螺旋結(jié)點。整體上比較而言,在轉(zhuǎn)角Δα=-6°時,二次流動的影響范圍占據(jù)了整個葉片的壓力面和吸力面,而在轉(zhuǎn)角Δα=-5°時,二次流動的影響范圍占據(jù)了整個葉片的壓力面葉高,但只影響了葉片下半部的吸力面。由圖4(c)可見:當(dāng)開大可調(diào)導(dǎo)葉時,在動葉片壓力面靠近流道中部存在一條分離結(jié)點—鞍點—分離結(jié)點結(jié)構(gòu)的分離線,這條分離線起始于奇點,因此該分離為閉式分離,并對應(yīng)于圖3(d)的泡式分離結(jié)構(gòu);而在吸力面上,除近兩端壁區(qū)域外極限流線從葉片前緣到尾緣平行流過,沒有發(fā)生分離。兩者相比,關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉導(dǎo)致的分離流動損失將大于開大可調(diào)導(dǎo)葉而帶來的分離流動損失。由圖5給出的三維分離渦的流場結(jié)構(gòu)可以看出,在可調(diào)導(dǎo)葉關(guān)小-5°時,一個閉式三維分離渦在可調(diào)導(dǎo)葉級動葉下端壁前緣吸力面表面產(chǎn)生并做逆時針螺旋上升運動,并與圖3(a)、(b)相對應(yīng),由于產(chǎn)生時強度較弱,從20%葉高起它的渦心就不明顯,在近50%葉高處就耗散掉進入主流,并與圖4(b)所揭示的動葉片吸力面的壁面流譜相一致;這里所揭示的三維分離流場結(jié)構(gòu)的演變與著名的Langston實驗葉柵在+11.8°沖角下的分離流場的發(fā)展趨勢比較吻合;在可調(diào)導(dǎo)葉關(guān)小-6°時,三維分離渦的強度和尺度范圍都很大,自葉片根部向葉頂一直做逆時針螺旋上升運動,并保持封閉的“死區(qū)”結(jié)構(gòu),最后在葉片95%葉高處吸力面與一個由脫落渦引起的順時針強誘導(dǎo)渦強烈相互作用耗散掉進入主流。在開大可調(diào)導(dǎo)葉+8°時,由圖5(c)可以看出,在可調(diào)導(dǎo)葉級動葉片下端壁產(chǎn)生的閉式三維分離渦自葉片根部向葉頂一直做順時針螺旋上升運動,并與圖3(d)相對應(yīng)。值得說明的是,這里所揭示的較大負(fù)攻角的流場結(jié)構(gòu)與張宏武博士對NASA單級跨音透平設(shè)計轉(zhuǎn)速小流量工況下大負(fù)沖角運行的三維分離流場結(jié)構(gòu)相一致,這也進一步驗證了本文使用的三維數(shù)值模擬方法的可靠性和精度。然而張宏武博士的計算卻沒有考慮間隙的影響,由圖5(c)可以進一步看出,三維分離渦在到達葉頂間隙區(qū)域時,葉片前緣頂部區(qū)域三維分離渦的一部分流體到達相鄰葉片的吸力側(cè)與通道渦等相互摻混,而大部分流體則跨過葉頂間隙形成泄漏渦,使泄漏流動顯著增強。無論是關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉導(dǎo)致的吸力面三維分離流場結(jié)構(gòu),還是開大可調(diào)導(dǎo)葉導(dǎo)致的壓力面三維分離流場結(jié)構(gòu),在三維分離渦自葉片根部向葉頂一直做逆時針或順時針螺旋上升運動的過程中,葉片通道中下部和頂部的流體沒有被旋渦吸入,而使沿其邊界通過葉柵通道。三維分離渦始終保持封閉的“死區(qū)”結(jié)構(gòu)。在動葉片下端壁處形成的分離泡的閉式分離特性有效抑制了輪轂處大面積分離流動的發(fā)生,而且在葉片表面也沒有形成不可再附的開式分離,因此動葉仍能維持正常的氣動喉部。對于變幾何動力渦輪的氣動設(shè)計,可調(diào)導(dǎo)葉級動葉的壓力面、吸力面的型線設(shè)計,需要特別的關(guān)注。由圖6和圖7可以看出,與開大可調(diào)導(dǎo)葉相比,關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉到某一角度時,四級變幾何動力渦輪的各級效率都開始顯著下降,并使整個變幾何動力渦輪的效率比定幾何動力渦輪的效率下降得更快。因此,至少應(yīng)對變幾何動力渦輪的可調(diào)導(dǎo)葉級動葉片采取合理的端壁“修型”(Endwallcontouring,3DAirfoilDesign,etc)技術(shù),以有效提高葉片根部的抗分離流動能力,并盡可能降低上端壁的二次流損失。大量的數(shù)值分析和實驗研究表明,后加載型的渦輪靜葉柵的三維通道總損失較低,同時又具有高強度及大范圍攻角適應(yīng)性等優(yōu)點,所以可調(diào)導(dǎo)葉應(yīng)考慮采用小轉(zhuǎn)折角的后加載葉型。以求隨著工況變化和可調(diào)導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動,整個變幾何動力渦輪的效率下降得較少,從而不過多地抵消機組獲得的循環(huán)收益。4葉型設(shè)計原則考慮變幾何動力渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器的匹配,并在它滿足螺旋槳外特性要求的條件下,本文研究了可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動導(dǎo)致變幾何動力渦輪氣動性能變化的流場機理,可得到以下結(jié)論:(1)無論是關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉導(dǎo)致的吸力面三維分離流場,還是開大可調(diào)導(dǎo)葉導(dǎo)致的壓力面三維分離流場,三維分離渦始終保持封閉的“死區(qū)”結(jié)構(gòu),自葉片根部向葉頂一直做逆時針或順時針螺旋上升運動。在動葉片下端壁處形成的分離泡的閉式分離特性有效抑制了輪轂處大面積分離流動的發(fā)生。由于在葉片表面并沒有形成不可再附的開式分離,因此動葉仍能維持正常的氣動喉部。兩者相比,吸力面三維分離渦流場將導(dǎo)致整個渦輪的效率更顯