水下沖動式渦輪機斜噴管設計新方法

蔣　彬，羅　凱，高愛軍，封啟璽，伊進寶

（1.西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安，710072；2.中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710072）

水下沖動式渦輪機斜噴管設計新方法

蔣彬1，羅凱1，高愛軍2，封啟璽2，伊進寶2

（1.西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安，710072；2.中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710072）

為改進水下部分進氣沖動式渦輪機斜噴管的設計，考慮實際過程中噴管內部的流動損失及出口氣流的偏角、渦輪動葉柵的壓降損失和余速損失，提出了一種斜噴管的設計新方法，并用數(shù)值方法進行了合理性檢驗。較傳統(tǒng)方法而言，采用新方法設計出的斜噴管對應的渦輪內效率提高了5％ 左右，且渦輪機出口靜壓更接近設計背壓。該方法可為水下渦輪機斜噴管設計提供參考。

沖動式渦輪機；斜噴管；設計方法；內效率

0　引言

水下航行器用渦輪機具有功率大、運轉平穩(wěn)、機械振動小、結構簡單等優(yōu)點。受制于噴管和動葉柵的裝配要求，水下渦輪機噴管出口為斜切型。設計者一般根據(jù)直噴嘴的設計方法完成水下渦輪機用斜噴管的設計［1］。

目前公開的文獻中，Kiely等設計了輸出功率2 kW的純沖動式部分進氣微型渦輪，并詳細介紹了斜噴管結構參數(shù)及渦輪的實驗參數(shù)［2］；伊進寶等對魚雷燃氣渦輪機斜噴管內流場進行了數(shù)值模擬計算，研究了噴管氣動特性隨膨脹比的變化關系［3］；孫利清等提出了用直噴管計算斜噴管性能的“當量噴管法”［4］；Lilley對航天用斜噴管的幾何外形進行了優(yōu)化設計，在滿足最佳膨脹比的前提下縮短了噴管的尺寸［5］；郭兆元等通過仿真分析了部分進氣渦輪葉柵內流動狀況、總壓損失、葉片氣動載荷和溫度載荷［6］；韓勇軍等采用理論分析與經(jīng)驗公式相結合的方法，建立了內效率的數(shù)學模型［7］；張方方等考慮了工質絕熱指數(shù)隨溫度的變化以及噴管內氣流摩擦、渦旋對工質的加熱作用，建立了變工況汽輪機噴管、動葉柵以及渦輪級能量損失的計算模型［8］。

從以上文獻來看，關于水下航行器用斜噴管設計方法的研究相對較少。傳統(tǒng)的斜噴管設計方法沒有完全考慮實際過程中的氣動損失及余速損失，直接用設計背壓對噴管進行設計，這會導致葉柵出口壓力高于設計背壓，從而降低噴管效率。為此，文章將考慮噴管內部的粘性損失、噴管出口氣流的偏角損失、葉柵中的壓力損失及余速損失對噴管性能的影響，探索一種水下渦輪機用斜噴管的設計新方法，為斜噴管的優(yōu)化設計提供參考。

1　設計方法

部分進氣渦輪機由斜噴管和動葉柵組成，如圖1所示。斜噴管將高溫、高壓工質的內能轉化成動能，高速工質以一定角度吹向葉輪，使葉輪高速旋轉，將工質動能轉變?yōu)槿~輪旋轉機械能。

圖1　純沖動式部分進氣渦輪機示意圖Fig.1　Schematic of an impulse partial air inlet turbine

傳統(tǒng)的斜噴管設計方法認為葉柵前后的壓力不變，且忽略了葉柵前后的壓差，因而直接用背壓和燃燒室壓力之比求得噴管出口速度，然后確定噴管尺寸。實際過程中，由于內部氣動損失及余速損失的存在，純沖動式渦輪葉柵前后仍存在壓差。因此，傳統(tǒng)的設計方法會導致葉柵出口壓力高于設計背壓。此外，實際過程中噴管出口氣流角度也會稍大于噴管斜切角。為此，文中首先求出動葉柵出口速度，然后求得葉柵出口的靜壓，最后基于此靜壓和燃燒室壓力之比求出噴管的面積比，完成斜噴管的設計。下面給出蒸汽渦輪用斜噴管的設計步驟。

步驟1：求解動葉柵出口速度

由蒸汽表查得：噴管入口水蒸氣的比焓hc，比熵sc。在激波不進噴管內的前提下，噴管中的膨脹過程視可為定熵過程，進而查得噴管出口水蒸氣的溫度Tno和比焓hno。

噴管出口的理論速度為

取定噴管速度系數(shù)φv，其值可由試驗或計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）方法測得，則噴管出口的實際速度可表示為

實際過程中，由于斜切部分的壁面缺失會導致出口氣流的偏轉，為此，根據(jù)經(jīng)驗對出口氣流的方向進行δ=1～2°的修正，實際出口氣流角αia=αi+δ。

由動葉柵速度三角形可知，氣流進口相對速度為

其中，渦輪中徑處周向線速度u=πndm/60。

出口相對速度為

其中，Ψ為工作葉片速度因數(shù)，可由以下經(jīng)驗公式求得［1］

其中，βo為葉片安裝角，由速度三角形可知

渦輪級出口絕對速度為

步驟2：求解動葉柵出口靜壓

噴管入口的比焓hc，一部分在渦輪級中轉化為軸功，另一部分為乏汽比焓hto，并最終排出渦輪級，其能量關系為

其中，噴管中的理論比焓降可表示為

化簡得到渦輪級出口乏汽總溫

其中，cpm為平均定壓比熱容，可表示為

由乏汽總溫Tot和靜溫Tos的關系有

得到渦輪級出口乏汽靜溫

由等熵膨脹過程可得，葉柵出口乏汽靜壓為

工質的定熵指數(shù)k可由下式求解

其中，Rg為氣體常數(shù)。

每個品種為1個處理，共8個處理，各處理隨機區(qū)組排列。每處理占1畦，畦長37.5米，寬4米，占地150平方米，重復2次，共300平方米。試驗共占地3.15畝。播種密度為18～20萬苗/畝。

步驟3：假定噴管個數(shù)確定噴管尺寸

假定噴管個數(shù)為Z，考慮流量損失后，噴管喉部面積為

其中，φm為流量系數(shù)［8］，可表示為

噴管出口最大截面直徑（如圖1所示，即過斜噴管出口前端點垂直于噴管軸線的平面直徑）為

其中，Ba為噴管的設計壓比

斜噴管的最小出口直徑

步驟4：調整噴管個數(shù)

結合式（18）可得葉柵的部分進氣度為

在加工允許的前提下，應該適當增大噴管個數(shù)，增大渦輪的部分進氣度，從而減少部分進氣度損失。

上述方案是針對蒸汽渦輪而提出的，對于燃氣渦輪，可根據(jù)噴管進出口能量守恒計算出工質離開噴管時的理論速度cft見式（22），其余步驟可參照上述方案。

2　設計方法的驗證

文中采用CFD方法結合設計實例對上述設計方法的合理性進行檢驗。首先，給出一組設計指標，根據(jù)上述方法設計出斜噴管并建立CFD仿真模型。然后，為檢驗CFD方法的可靠性，對文獻［2］中的渦輪進行CFD仿真，將仿真結果和文獻的試驗數(shù)據(jù)進行對比。最后，用經(jīng)檢驗的CFD方法對所設計的渦輪進行合理性驗證，并將仿真所得內效率和設計內效率進行對比。

2.1設計實例

為驗證上述設計方法，參考Kiely等設計的渦輪［2］，給出一組蒸汽渦輪的設計指標，見表1。速度系數(shù)取為0.93，定熵指數(shù)取為1.29，平均定壓比熱容為1797J/（kg·K）。

表1　渦輪機設計指標Table 1　Design indexes of a turbine

由上述設計方法求得噴管有效排氣直徑后，可根據(jù)動葉柵的經(jīng)驗設計方法［1-2］得出葉柵的葉高、葉寬、截距、葉片邊緣厚度和葉片數(shù)，最終的渦輪機幾何參數(shù)見表2。

利用Gambit軟件進行渦輪3D網(wǎng)格劃分，采用多重參考系MRF模型解算。噴管和葉柵裝配的軸向間隙為0.4 mm，葉片頂部和機匣的單邊徑向間隙為0.2 mm。最終的整體網(wǎng)格劃分及邊界條件設置如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)為50×104。噴管與葉柵的局部放大網(wǎng)格如圖3所示。

表2　渦輪機結構參數(shù)Table 2　Structural parameters of a turbine

圖2　3D計算流場的網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.2　Meshing and boundary conditions of 3D computational field

圖3　噴管和葉柵流道的網(wǎng)格劃分Fig.3　Meshing of the nozzle and cascade channel

2.2仿真模型的檢驗

為檢驗仿真方法的可靠性，文中對Kiely等設計的微型渦輪［2］進行了仿真。該渦輪的輸出功率為2 kW、輪盤直徑約25 mm、轉速43.5×104轉、部分進氣度為0.32、膨脹比為60、噴管個數(shù)5個。

由表3可知，仿真結果與文獻參數(shù)基本一致，誤差在5％以內，說明文中所采用的渦輪CFD仿真方法基本可行。差別產(chǎn)生的原因主要在于仿真模型與檢驗模型的結構差別，如軸向和徑向間隙。此外，仿真所用算法對微型低雷諾數(shù)渦輪的仿真也會存在誤差［9］。

2.3方法合理性驗證

為檢驗文中提出的新型方法的合理性，結合上文已驗證的CFD方法，建立了3種不同噴管模型。模型1：不考慮動葉柵內部的壓降損失和葉柵出口的動壓損失，具體設計方法參見文獻［1］。模型2：采用上述新方法設計出的噴管，其噴管出口最大截面面積要比采用傳統(tǒng)方法設計出的噴管（模型1）大1.2倍。模型3：將模型2的噴管出口截面面積放大1.2倍。3種模型的噴管喉部直徑保持相同，出口面積依次增大，對應的葉柵尺寸也按比例放大，仿真結果見表4。

表3　仿真結果和文獻參數(shù)的對比Table 3　Comparison between simulation and experimental results

表4　不同噴管出口對應的渦輪機性能Table 4　Performances of the turbines with different nozzle outlets

由上表可知，采用新型設計方法設計的噴管（模型2）所對應的渦輪機內效率最高，且更接近渦輪機的設計內效率，而高于或低于此設計值的渦輪機內效率都有所降低。因此論證了新型斜噴管設計方法的合理性。此外，模型2的葉柵出口靜壓和設計背壓更接近，也反映了設計方法的合理性。

3　結束語

為改進水下航行器用斜噴管的設計，文章考慮了實際過程中斜噴管出口工質的偏轉、純沖動式渦輪動葉柵中的壓降損失和余速損失，推導出葉柵出口靜壓計算公式，提出了一種斜噴管的設計新方法。結合數(shù)值仿真的方法對設計方法的合理性進行了檢驗。對比傳統(tǒng)的設計方案，采用新方法設計出的噴管對應的渦輪機內效率提高了5％左右，且葉柵出口壓力更加接近環(huán)境背壓。

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（責任編輯：陳曦）

New Design Approach of Scarfed Nozzle in Underwater Impulse Turbine

JIANG Bin1，LUO Kai1，GAO Ai-jun2，F(xiàn)ENG Qi-xi2，YI Jin-bao2
（1.School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China；2.The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710075，China）

Considering the inner flow loss of nozzles，the deflection of the outlet flow，the pressure loss and leavingvelocity loss of turbine cascades，a new design approach of the scarfed nozzle is presented for an underwater partial air inlet impulse turbine to modify the conventional design approach.The feasibility of the present approach is verified by numerical simulations.Compared with the conventional design approach，the inner efficiency of the modified turbine is raised by about 5％，and the outlet static pressure is closer to the designed back pressure.The present design approach may provide a reference for the design of turbine′s scarfed nozzles.

impulse turbine；scarfed nozzle；design approach；inner efficiency

TJ630.32

A

1673-1948（2015）04-0296-05

2015-05-26；

2015-06-08.

國家自然科學基金項目資助（51409215）；中央高?；究蒲许椖抠Y助（G2015KY0102）.

蔣彬（1991-），男，碩士，主要研究方向為水下渦輪機的設計與仿真.