亞聲速部分進(jìn)氣渦輪數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

毛 凱，王曉鋒，袁偉為，蔣建園

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

相比較于開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪壓比小、比功小，提高渦輪功率主要依靠大流量和高效率。根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)整計(jì)算可知，渦輪效率提高一個(gè)點(diǎn)，發(fā)生器溫度則可降10 K，發(fā)生器溫度的降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的提升極為重要。因此，補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件設(shè)計(jì)時(shí)，提高渦輪效率非常關(guān)鍵。

對(duì)于小推力補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其渦輪一般采用單級(jí)亞聲速、部分進(jìn)氣形式，提高渦輪效率應(yīng)從其損失分布著手，主要由以下幾部分構(gòu)成：葉片通道損失、葉頂泄漏損失、部分進(jìn)氣損失及進(jìn)氣和排氣結(jié)構(gòu)損失。其中葉柵通道損失主要為葉型損失、二次流損失、激波損失等，關(guān)于此部分損失的降低研究方面，目前已發(fā)展出較多的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，如葉片復(fù)合彎扭設(shè)計(jì)[1-2]、后加載葉型設(shè)計(jì)[3]、可控渦設(shè)計(jì)[4]及非軸對(duì)稱端壁造型[5]等。為了降低動(dòng)葉頂部泄漏量，相關(guān)技術(shù)研究也較多，一方面通過對(duì)葉片及子午面的三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低葉頂壓力，另一方面從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，如采用蜂窩密封結(jié)構(gòu)[6]和迷宮密封結(jié)構(gòu)[7]。部分進(jìn)氣是渦輪設(shè)計(jì)過程中不得已采用的一種形式，對(duì)渦輪效率影響較大，控制措施相對(duì)較為單一，主要通過降低葉片高度、喉部面積等方式提高部分進(jìn)氣度，以及采用進(jìn)氣區(qū)集中布置方式來降低部分進(jìn)氣損失[8]。目前提高葉片通道效率以及降低泄漏損失相關(guān)研究非常多，技術(shù)手段也較為成熟，進(jìn)一步提高則比較困難。因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的進(jìn)氣和排氣管則顯得尤為重要[9]，黃恩德等對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究[10-11]，研究表明渦輪氣動(dòng)性能與排氣蝸殼內(nèi)流場(chǎng)的均勻程度密切相關(guān)。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為某小展弦比、亞聲速、部分進(jìn)氣形式渦輪，其渦輪主要參數(shù)如表1所示。

為提高渦輪效率，本渦輪采用了大u/c、小氣流角、靜子端彎設(shè)計(jì)及應(yīng)用后加載葉型等技術(shù)。為了減小泄漏損失，動(dòng)葉頂部設(shè)置了圍帶和迷宮密封結(jié)構(gòu)。為了降低部分進(jìn)氣損失，采用了一弧段進(jìn)氣的方式，靜子通道流體域如圖1所示。

表1 渦輪設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 靜子通道流體域Fig.1 Fluid area of vane passage

如圖2所示，渦輪采用徑向進(jìn)氣、徑向排氣的方式，進(jìn)口和出口均為單個(gè)。入口處采用90°彎管將徑向氣流轉(zhuǎn)為軸向，再經(jīng)導(dǎo)流錐導(dǎo)入至渦輪靜子通道，由渦輪出口管收集后沿徑向排出。渦輪出口管內(nèi)設(shè)置導(dǎo)向葉片，一方面對(duì)氣流起導(dǎo)向作用，另一方面增加渦輪出口管剛度。

圖2 進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Intake and exhaust structure

2 數(shù)值求解方法

葉片通道和葉頂間隙采用六面體網(wǎng)格，進(jìn)氣和排氣結(jié)構(gòu)通道采用四面體網(wǎng)格。葉片表面進(jìn)行加密處理。葉片通道網(wǎng)格和葉頂間隙網(wǎng)格如圖3所示。單通道計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約200萬，葉頂間隙網(wǎng)格55萬，帶進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)后總的網(wǎng)格數(shù)約1 000萬。

圖3 葉片通道及葉頂間隙網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of blade and maze clearance

數(shù)值計(jì)算采用CFX軟件，基于有限體積格式對(duì)相對(duì)坐標(biāo)系下的三維雷諾平均Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，方程的離散采用二階格式。選用SST剪應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型，采用近壁函數(shù)修正。靜止域和旋轉(zhuǎn)域之間采用“frozen rotor”模型。計(jì)算工質(zhì)采用理想氣體，按發(fā)生器出口燃?xì)鈪?shù)給定。邊界條件給定進(jìn)口總溫、總壓，出口給定靜壓。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

共計(jì)算了4個(gè)模型，計(jì)算通道依次增加，考慮葉片通道、泄漏通道、部分進(jìn)氣形式、進(jìn)排氣通道等結(jié)構(gòu)。計(jì)算區(qū)域和渦輪總體性能計(jì)算結(jié)果如表1所示。文中渦輪效率均為扭矩效率，計(jì)算式為：

(1)

表2 渦輪總體性能

圖4列出了不同類型損失的相對(duì)大小，從大到小依次為葉片通道損失、進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)+盤腔摩擦損失、部分進(jìn)氣損失及泄漏損失。

圖4 渦輪損失量值Fig.4 Turbine loss value

根據(jù)模型1對(duì)葉片通道流動(dòng)情況進(jìn)行分析，圖5給出了靜葉出口總壓和熵分布云圖。從圖5中可以看出，主流區(qū)的流動(dòng)幾乎沒有損失，由于渦輪尺寸較小的原因，尾跡影響區(qū)較大，而且受葉片正彎的影響，葉中區(qū)域損失較兩端大。圖6給出了動(dòng)葉不同展向位置馬赫數(shù)分布，整個(gè)通道內(nèi)均無低速漩渦區(qū)。該型渦輪載荷系數(shù)為2.44，展弦比為0.54，靜子葉片高度僅為6 mm，對(duì)于此種高負(fù)荷小展弦比渦輪來說，端壁二次流損失較大，本文計(jì)算的渦輪輪周效率為0.830，提升空間較小。

圖5 靜葉出口總壓和熵分布云圖Fig.5 Total pressure and entropy contour at outlet of vane

工作于富氧燃?xì)庵械臏u輪葉頂間隙一般都比較大[12]，本文渦輪葉頂相對(duì)間隙設(shè)計(jì)為7.1%，由于渦輪設(shè)計(jì)時(shí)采用了子午面型線優(yōu)化設(shè)計(jì)、導(dǎo)葉端彎設(shè)計(jì)以及零反力度設(shè)計(jì)等方法，對(duì)靜子出口壓力分布已進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且采用較復(fù)雜的迷宮結(jié)構(gòu)，因此，本渦輪葉頂泄漏損失較小。根據(jù)模型2計(jì)算得到的葉頂泄漏損失僅為3.5%，屬于較低水平。

模型3考慮部分進(jìn)氣造成鼓風(fēng)損失和驅(qū)氣損失，計(jì)算表明：單弧段的部分進(jìn)氣形式使得渦輪效率降低0.053，損失較大。降低部分進(jìn)氣損失較為有效的方法即為提高部分進(jìn)氣度，但本渦輪受流量和葉片高度限制，部分進(jìn)氣度基本無法再提升。

模型4考慮渦輪進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)，渦輪效率降低了0.073，影響非常大。圖7(a)給出了渦輪靜子入口馬赫數(shù)和流線圖，受非進(jìn)氣扇區(qū)影響，靜子通道兩端氣流速度低，產(chǎn)生大量漩渦。而且，由于進(jìn)口管子午型線是沿徑向逐漸收縮結(jié)構(gòu)，靜子入口氣流沿徑向流動(dòng)趨勢(shì)明顯。圖7(b)給出了渦輪出口管截面流線分布，由于動(dòng)葉葉片通道也是只有部分通道有氣流排出，由于動(dòng)葉出口氣流基本沿軸向，氣流直接沖擊至出口管壁面上，并與非進(jìn)氣扇區(qū)氣流強(qiáng)烈摻混，整體流線混亂，損失很大。而且，從圖7(b)中看出，出口管內(nèi)葉片對(duì)氣流整流效果差，葉片表面存在大量分離渦。

圖6 動(dòng)葉不同展向位置馬赫數(shù)Fig.6 Mach contour at different span of blade

4 進(jìn)氣和排氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)部分進(jìn)氣特點(diǎn)，將渦輪進(jìn)氣方式改為切向進(jìn)氣。為適應(yīng)流量變化，進(jìn)口管設(shè)計(jì)為變截面蝸殼形式，靜子葉片設(shè)置在離隔舌一定距離之后。進(jìn)氣結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。另外，采用切向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)后，渦輪軸向長度大幅度縮減，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)布局具有較大優(yōu)勢(shì)。

圖7 原進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)內(nèi)部流線Fig.7 Streamline of the original intake and exhaust structure

根據(jù)渦輪總體布局要求，出口管同樣設(shè)計(jì)為變截面蝸殼切向排氣形式。動(dòng)葉出口絕對(duì)氣流角基本沿軸向，為了防止氣流直接沖擊至出口管壁上，在動(dòng)葉出口處增加一排導(dǎo)向葉片，改變氣流角度，使氣流順利排出。排氣結(jié)構(gòu)如圖8(b)所示。

圖8 優(yōu)化后進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)Fig.8 Intake and exhaust 3D structure after optimization

三維仿真計(jì)算表明：采用優(yōu)化后進(jìn)氣和排氣結(jié)構(gòu)，渦輪流通能力無變化，渦輪效率從0.675提高至0.706，提升4.59%，增幅明顯，如表3所示。

圖9(a)給出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)渦輪靜子入口流線圖，對(duì)比圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，采用切向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)后，氣流基本無徑向流動(dòng)趨勢(shì)。由于氣流存在較大的切向分速度，氣流出現(xiàn)沿周向流動(dòng)的趨勢(shì)。而且在首個(gè)靜子葉片附近，氣流產(chǎn)生低速分離區(qū)，這是由于氣流從蝸殼進(jìn)口處至第一個(gè)靜子葉片距離較短，氣流存在較大的轉(zhuǎn)折角。圖9(b)給出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)渦輪動(dòng)葉出口流線圖，對(duì)比圖7(a)發(fā)現(xiàn)，采用帶導(dǎo)向葉片的切向排氣結(jié)構(gòu)后，渦輪出口截面流線整齊，基本消除了原出口管結(jié)構(gòu)內(nèi)部大量的漩渦流動(dòng)。這是由于導(dǎo)向葉片的存在給氣流增加預(yù)旋角度，使其繞蝸殼旋向流動(dòng)，順利從出口排出。

表3 優(yōu)化前后渦輪總體性能

圖9 優(yōu)化后進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)內(nèi)部流線Fig.9 Streamline of the optimized intake and exhaust structure

圖10給出了優(yōu)化前后靜子表面極限流線對(duì)比，從圖10中可以看出，原進(jìn)氣結(jié)構(gòu)采用軸向進(jìn)氣的方式，渦輪靜子入口氣流為零攻角狀態(tài)，靜子通道流動(dòng)狀態(tài)較好，表面流線整齊，基本平行于上下端壁。采用切向進(jìn)氣的結(jié)構(gòu)后，由于氣流存在切向角度，渦輪靜子入口為較大的負(fù)攻角狀態(tài)，鞍點(diǎn)從葉片前緣向吸力面挪動(dòng)。從圖10(b)中可以看出，流線仍基本整齊，這是由于靜子葉片為鈍頭設(shè)計(jì)，前緣半徑較大，對(duì)帶切向角度的氣流適應(yīng)性較強(qiáng)。但從圖10(b)中可以發(fā)現(xiàn)，入口附近的個(gè)別靜子葉片根部出現(xiàn)分離渦。

總體上來說，采用切向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)后，靜子通道流動(dòng)狀態(tài)輕微變差，但其軸向尺寸縮減較大。

圖10 靜子表面極限流線Fig.10 Extra streamline of vane

5 結(jié)論

通過對(duì)某型小展弦比、亞聲速部分進(jìn)氣渦輪三維仿真計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

1)原渦輪葉片通道損失、泄漏損失、部分進(jìn)氣損失基本處于較低水平。

2)原渦輪進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)性能差，內(nèi)部流動(dòng)混亂，存在大量分離渦，對(duì)渦輪效率影響很大，具有較大提升空間。

3)采用切向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)后，渦輪軸向尺寸大幅度縮減，且基本消除了靜子入口的徑向流動(dòng)。但由于切向進(jìn)氣的原因致使個(gè)別靜子葉片吸力面葉根附近產(chǎn)生分離渦。

4)采用切向排氣結(jié)構(gòu)后，整個(gè)渦輪出口管流動(dòng)情況明顯改善，流線整齊，損失降低。

5)進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，渦輪效率從0.675提升至0.706，增幅為4.59%。