動力渦輪葉輪流場分析

祁博武，王 強(qiáng)，黃秋萍（.中北大學(xué)，太原03005；.東南汽車，福州3509）

動力渦輪葉輪流場分析

祁博武1，王 強(qiáng)1，黃秋萍2
（1.中北大學(xué)，太原030051；2.東南汽車，福州350119）

為了研究動力渦輪關(guān)鍵部件的流場，借助GT-Power一維模型獲取的概括性數(shù)據(jù)作為建模的邊界條件，建立了動力渦輪關(guān)鍵部位的模型，劃分網(wǎng)格，利用CFX分析得出子午面，葉片不同葉高，氣動載荷，熵分布分析的云圖與分析結(jié)果，分析了流場內(nèi)氣流分離和尾流現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，有助于改進(jìn)動力渦輪整體氣動造型和局部氣動造型，為動力渦輪的改進(jìn)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

動力渦輪葉輪流場分析

1　　引言

動力渦輪作為渦輪復(fù)合柴油機(jī)的關(guān)鍵部件，對整個聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的性能有重要影響。同時，動力渦輪作為能量回收裝置，將廢氣的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而廢氣能量的利用率與動力渦輪內(nèi)的氣體流動有關(guān)，因而研究動力渦輪關(guān)鍵部件內(nèi)的氣體流動具有重要的意義。

2　　建模

根據(jù)動力渦輪的相關(guān)幾何參數(shù)，運(yùn)用BLADE-GEN軟件繪制出動力渦輪葉輪的三維幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖1（a）所示。由于渦輪葉輪具有周期對稱性，簡化模型，減少網(wǎng)格的計算量，節(jié)省計算時間，本文任意選取渦輪的一個葉片建立單通道流場計算域，即兩側(cè)由周期邊界界定的一個圍繞葉片的流場，適當(dāng)?shù)匮由爝M(jìn)出口的流體域，如圖1 （b）所示。

3　　網(wǎng)格劃分

將建立的葉片單通道流體域模型導(dǎo)入到ICEM軟件中劃分網(wǎng)格，選用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有比較高的網(wǎng)格質(zhì)量，對復(fù)雜邊界能夠保持較好的貼體性，如圖2所示。

4　　邊界條件

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFX軟件中，使用軟件自帶的Turbomachinery旋轉(zhuǎn)機(jī)械模式，選擇機(jī)械類型為徑流渦輪，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件。在動力渦輪葉片流場計算中，邊界條件有進(jìn)出口邊界條件、周期性邊界條件、壁面邊界條件等。據(jù)GT-Power一維模型確定的動力渦輪性能參數(shù)模擬計算邊界條件見表1。

圖1　動力渦輪模型

圖2　　網(wǎng)格模型和局部加密

表1　　動力渦輪性能參數(shù)

5　計算模型

本文將對動力渦輪葉輪內(nèi)氣體的紊流黏性流動進(jìn)行定常計算。該流動過程遵循三大守恒方程，通過增加一個合適的湍流模型使方程組封閉，求解雷諾時均Navier-Stokes控制方程。計算模型見表2。求解控制設(shè)置，殘差收斂準(zhǔn)則設(shè)為1×10-6，計算時間步長0.02 s。當(dāng)全流場計算殘差曲線到趨于1×10-6，且平直，認(rèn)為計算收斂。

表2　　計算模型及求解器設(shè)置

6　　計算結(jié)果

6.1子午面流場分析

圖3至圖5分別渦輪葉輪流道子午面的溫度、壓力和馬赫數(shù)的分布云圖。從圖3中可以看到，氣流由進(jìn)口到出口溫度變化趨勢大致沿著氣流方向溫度由高到低的分布。流道進(jìn)口處溫度最高，與設(shè)定的邊界值條件吻合，流場進(jìn)口前端至葉片前緣部分的溫度變化小，此后溫度逐漸降低，呈梯度性變化。由圖4中可以看出，壓力的變化趨勢大致是沿著氣流方向壓力由高到低的分布，與溫度分布趨勢相類似，壓力最大值出現(xiàn)在流場的進(jìn)口前端、葉片前緣以及葉片根部，而后壓力逐漸降低，呈梯度性變化。從圖5中可以看到，馬赫數(shù)分布沒有呈現(xiàn)出從大到小的階梯變化，相反馬赫數(shù)的變化趨勢有些復(fù)雜，隨著流場方向整體呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。

圖3　　子午面溫度分布云圖

6.2葉高截面流場分析

圖6至圖8列出了20%、50%和80%葉高截面處溫度、壓力和馬赫數(shù)的分布云圖。

圖4　子午面壓力分布云圖

圖5　子午面馬赫數(shù)分布云圖

圖6　不同葉高截面溫度分布

圖7　不同葉高截面壓力分布

圖8　不同葉高截面馬赫數(shù)分布

從圖6中可看出從進(jìn)口到出口溫度的大致變化趨勢是先逐漸降低至趨于平穩(wěn)。在葉片尾緣處出現(xiàn)溫度極大值，在靠近尾緣的吸力面上，則出現(xiàn)局部壓力過低。從圖7可看到壓力與溫度近似成正比例關(guān)系，即壓力分布與溫度分布的大體趨勢相似，壓力從葉片前緣至尾緣逐漸減小，在靠近尾緣的吸力面處壓力出現(xiàn)局部極小值。從圖8中可看出馬赫數(shù)分布的大體趨勢是先增大后減小。在流場進(jìn)口處馬赫數(shù)最低，當(dāng)高溫氣體從噴嘴出口進(jìn)入渦輪葉片中，在渦輪中膨脹加速，在葉片的壓力面與吸力面上氣體流速均增加，溫度壓力下降，但是在葉片的壓力面與吸力面上的具體分布則不同，在吸力面馬赫數(shù)緩慢升高緩慢下降；而在壓力面上，馬赫數(shù)上升和下降的趨勢較快。

6.3氣動載荷與熵分布分析

從圖9的葉片氣動載荷分布可以看出，葉片兩側(cè)的氣動載荷變化不相同，一側(cè)壓力載荷沿著氣流方向從高到低逐漸減小，另一側(cè)壓力載荷波動性大，先減小后增大再較小。由圖10的熵增分布看到，從進(jìn)口到出口，氣體的熵一直在增加。因為，理想值是基于渦輪內(nèi)的氣體運(yùn)動是理想狀態(tài)設(shè)定，不考慮葉片通道中流體摩擦損失、湍流影響、與外界介質(zhì)熱交換、熱輻射等。在三維仿真的過程中，模擬的是氣體流動的實際過程，考慮到氣體進(jìn)入葉輪時的流入損失、湍流影響、氣體在通道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎損失、氣體在通道內(nèi)的摩擦損失等。

圖9　葉片氣動載荷分布圖

7　　結(jié)論

（1）動力渦輪葉片前緣和尾緣處能量損失較大，而等熵效率值比較低，可能是葉片造型局部設(shè)計不合理，如入口攻角等不合適，需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，才能提高動力渦輪的熱效率，進(jìn)一步提升動力渦輪的輸出功率。

（2）動力渦輪內(nèi)部的流場數(shù)值模擬結(jié)果表明了子午面，不同葉高截面溫度、壓力、馬赫數(shù)的分布云圖，氣動載荷分布，熵增分布的大體走勢，對流場中產(chǎn)生的現(xiàn)象有了定性的分析，對產(chǎn)生機(jī)理有了概括性的分析，有助于動力渦輪下一步的開發(fā)和改進(jìn)。

圖10　熵增分布圖

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Power Turbine and Impeller Flow Field Analysis

Qi Bowu1，Wang Qiang1，Huang Qiuping2
（1.The North University of China，Taiyuan 030051，China；2.South East（Fujian）Motor Corp.，F(xiàn)uzhou 350119，China）

Study the flow field of the Power turbine key parts，application GT-Power，one-dimensional model obtain a general data as boundary conditions，establishment the model of the Power turbine key parts and divide mesh，using CFX analysis obtain meridian plane，different vane is high，the aerodynamic load，the entropy distribution nephogram and analysis results，analysis the airflow field flow separation and formation mechanism of the wake flow phenomenon is helpful to improving Power turbine overall aerodynamic shape and locality aerodynamic shape，for improving and optimization Power turbine provide theory basis.

power turbine，impeller，flow field analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.004

來稿日期：2015-08-06

祁博武（1988-），男，碩士研究生，研究方向為增壓器性能仿真分析。