船用柴油機(jī)余熱發(fā)電透平內(nèi)部流場(chǎng)分析

宋 楊，彭杰偉

（1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司 科技與信息化部，北京 100097；2. 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 200090）

0 引 言

船用中速柴油機(jī)所排廢氣的溫度在300～500℃，屬于中高溫余熱，主要用來(lái)加熱船用重油和生活用水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶柴油機(jī)中的熱能約有50%是通過(guò)廢氣的形式排出的。薛佳[1]通過(guò)對(duì)比不同透平回收能量的方案，獲得3%～12%不等的回收率，指出在礦砂船上使用廢氣回收節(jié)能裝置是可行的。因此，有效回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣余熱，對(duì)于提高熱能利用效率、減少?gòu)U氣排放帶來(lái)的環(huán)境污染而言具有重要意義。本文提出利用該部分余熱直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪對(duì)外發(fā)電，不僅能提高能源利用率，改善船舶的廢氣排放性能，而且能簡(jiǎn)化輔助系統(tǒng)，節(jié)省空間。

目前有關(guān)船用柴油機(jī)余熱發(fā)電透平的研究較少，部分研究以車(chē)載尾氣余熱發(fā)電和有機(jī)朗肯循環(huán)為背景。例如：郝旭濤[2]對(duì)適用于車(chē)載尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的向心透平進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)模擬，并在不同工況下分析向心透平的性能，獲得最佳的入口壓力和轉(zhuǎn)速范圍；DONG等[3]對(duì)以R123為介質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)透平進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)出口葉片的角度、葉高和粗糙度等進(jìn)行詳細(xì)分析，并建立考慮表面粗糙度的修正模型，以此獲得較好的流動(dòng)模擬結(jié)果；PAN等[4]依靠DPM模型探討煙氣渦輪入口雷諾數(shù)對(duì)顆粒沉積的影響；邱志明[5]和薄澤民[6]對(duì)用于有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的向心透平進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究，并基于模擬結(jié)果對(duì)透平葉輪進(jìn)行優(yōu)化，為向心透平的優(yōu)化研究提供參考。

柴油機(jī)渦輪增壓器的應(yīng)用與本文所述余熱發(fā)電透平類(lèi)似，已有的大量柴油機(jī)渦輪增壓器研究為余熱發(fā)電透平研究提供了重要的理論支撐。劉揚(yáng)[7]基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）對(duì)柴油機(jī)渦輪增壓器進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)模擬分析，成功獲得與試驗(yàn)和理論相符的壓氣機(jī)特性曲線及其脈動(dòng)壓力；張新[8]依靠CFD對(duì)渦輪增壓器內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證性研究，表明渦輪的設(shè)計(jì)合理，數(shù)值計(jì)算可行；李建建[9]結(jié)合葉輪旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力，對(duì)渦輪葉輪進(jìn)行耦合計(jì)算，并根據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；陳瑛[10]通過(guò)NUMECA數(shù)值計(jì)算平臺(tái)探究渦輪級(jí)內(nèi)部流動(dòng)損失情況，為改善渦輪級(jí)內(nèi)部流動(dòng)情況提供流場(chǎng)參考。

此外，文獻(xiàn)[11]～文獻(xiàn)[17]對(duì)透平內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，可為本文的渦輪設(shè)計(jì)和流場(chǎng)分析提供參考。例如：許晶瑩等[15]為研究高壓渦輪變幾何對(duì)渦輪整體性能的影響，對(duì)渦輪的高壓和低壓級(jí)流動(dòng)進(jìn)行全三維數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，高壓導(dǎo)葉發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其損失發(fā)生改變；邵龍[16]利用Fluent軟件對(duì)向心透平內(nèi)部流動(dòng)的單流道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究導(dǎo)葉安裝角和數(shù)量等對(duì)流動(dòng)特性的影響，并基于此將葉輪效率提高1.05%；陳雷等[17]采用數(shù)值計(jì)算方法研究渦輪葉片前緣形狀對(duì)其氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)非圓弧形前緣形狀可改善渦輪的流動(dòng)特性，提高其工作效率，但對(duì)于非設(shè)計(jì)工況而言，氣流攻角大幅改變會(huì)給渦輪的氣動(dòng)性能帶來(lái)負(fù)面影響。

綜上所述，為回收柴油機(jī)的排氣余熱，提高熱能利用效率，本文基于渦輪增壓器研究成果[18-21]，在考慮柴油機(jī)、渦輪和增壓器之間的匹配關(guān)系的基礎(chǔ)上，針對(duì) 140kW、30000r/min的動(dòng)力渦輪，采用數(shù)值模擬方法對(duì)船用柴油機(jī)余熱發(fā)電透平進(jìn)行流場(chǎng)分析，為余熱發(fā)電透平的設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)用提供參考。

1 渦輪模型

本文設(shè)計(jì)的渦輪屬于向心式透平，由于實(shí)現(xiàn)向心式透平的多級(jí)結(jié)構(gòu)難度較大，故目前仍以單級(jí)結(jié)構(gòu)為主。該透平的最大優(yōu)點(diǎn)是能利用較大的焓降，圓周速度較高（一般可達(dá)400～500m/s），常用于質(zhì)量輕、尺寸小的場(chǎng)合[22]。因此，本文在質(zhì)量、尺寸和效率等要求較高的船舶上采用向心式透平形式。

影響向心透平效率的參數(shù)主要有導(dǎo)葉速度系數(shù)、動(dòng)葉速度系數(shù)、反動(dòng)度、速比、輪徑比、動(dòng)葉進(jìn)口絕對(duì)氣流角和動(dòng)葉出口相對(duì)氣流角。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于對(duì)透平整體尺寸和占用空間的考慮，在這7個(gè)參數(shù)滿足各自約束條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)選。確定葉輪的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行選型并確定其大小和安裝位置，最后完成蝸殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。表1為渦輪本體的主要參數(shù)。

表1 渦輪本體的主要參數(shù)

1.1 葉輪設(shè)計(jì)

葉輪造型設(shè)計(jì)在ANSYS Bladegen模塊中完成。基于一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)[22-25]，采用分層控制中弧線與葉片厚度的控制方法對(duì)葉輪形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中：弧線的形狀主要由葉片角和包絡(luò)角分布體現(xiàn)；流面形狀主要由中弧線形狀和厚度分布體現(xiàn)?？紤]到葉輪的工作溫度在300～500℃，葉輪材料選用K418鎳基合金，葉輪三維模型見(jiàn)圖1。

1.2 導(dǎo)葉設(shè)計(jì)

向心透平的導(dǎo)葉主要有楔狀、島狀和氣動(dòng)型等3種，為獲得更好的氣動(dòng)性能，本文采用TC-2P氣動(dòng)型導(dǎo)葉。該導(dǎo)葉的出口斜切部分可使導(dǎo)葉流道中的氣流進(jìn)一步膨脹，獲得高馬赫數(shù)的亞音速流動(dòng)，其三維模型見(jiàn)圖2。

1.3 蝸殼設(shè)計(jì)

本文的蝸殼設(shè)計(jì)以“將工質(zhì)均勻地分流到導(dǎo)葉流道中而不發(fā)生明顯的氣流加速”為基礎(chǔ)，氣流進(jìn)入導(dǎo)葉流道之前的設(shè)計(jì)馬赫數(shù)小于 0.2。蝸殼截面形狀對(duì)流動(dòng)性能的影響不大，考慮到設(shè)計(jì)和制造的便利性，采用圓形截面，其三維模型見(jiàn)圖3。

圖1 葉輪三維模型

圖2 導(dǎo)葉三維模型

圖3 蝸殼三維模型

2 流動(dòng)模擬結(jié)果分析

對(duì)渦輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模之后，對(duì)蝸殼、導(dǎo)葉和動(dòng)葉流道進(jìn)行數(shù)值模擬。

1) 蝸殼流道網(wǎng)格采用ICEM模塊劃分，得到非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定蝸殼流道網(wǎng)格數(shù)為2460124個(gè)。

2) 導(dǎo)葉和動(dòng)葉流道網(wǎng)格采用TurboGrid模塊劃分，選取ATM-Optimized為網(wǎng)格拓?fù)鋬?yōu)化方式。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定計(jì)算模型中單個(gè)流道導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)為252348個(gè)，單個(gè)流道動(dòng)葉網(wǎng)格數(shù)為243256個(gè)。

各流體域之間采用interface連接。湍流模型采用精度較高的k-ε雙方程模型，壁面附近區(qū)域的邊界條件設(shè)定為絕熱無(wú)滑移邊界條件。設(shè)置流體工質(zhì)為理想空氣，給定質(zhì)量流量、進(jìn)口總溫和出口靜壓，并取轉(zhuǎn)速為30000r/min，同時(shí)以進(jìn)口總壓為收斂判斷條件。設(shè)計(jì)工況主要性能參數(shù)見(jiàn)表2，其中“一維計(jì)算結(jié)果”為本文所述透平在設(shè)計(jì)計(jì)算階段的計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與一維計(jì)算結(jié)果一致，偏差在10%以內(nèi)。

表2 設(shè)計(jì)工況主要性能參數(shù)

2.1 蝸殼流動(dòng)特性分析

蝸殼流道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布見(jiàn)圖4。由圖4可知，蝸殼內(nèi)的溫度和壓力基本上沒(méi)有變化，流線光順且分布均勻，隔舌附近產(chǎn)生局部流動(dòng)混合，但影響范圍很小，整體流動(dòng)狀態(tài)良好。

圖4 蝸殼流道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布

2.2 導(dǎo)葉流動(dòng)特性分析

導(dǎo)葉流道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布見(jiàn)圖5?？傮w上看，導(dǎo)葉流道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布均勻，各導(dǎo)葉之間具有極高的相似性，保證了氣流進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)的均勻性和穩(wěn)定性。由 5a)可知，氣流在導(dǎo)葉流道內(nèi)加速明顯，導(dǎo)葉流道前半段加速平緩，氣流速度的大小在100～200m/s，氣流經(jīng)過(guò)喉部在斜切部分進(jìn)一步膨脹加速，流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)氣流速度急劇增大，并以 535m/s的平均速度由導(dǎo)葉出口進(jìn)入葉輪進(jìn)口。相應(yīng)地，由圖5b)和圖5c)可知，溫度和壓力在流道前段變化平緩，經(jīng)過(guò)喉部之后快速降低至約336℃和183kPa。斜切部分有輕微的激波產(chǎn)生，但整體流線分布均勻，未出現(xiàn)明顯的漩渦，對(duì)主流的影響很小。同時(shí)，氣流速度在斜切部分之后略有降低，表明氣流在導(dǎo)葉與葉輪之間的徑向間隙內(nèi)發(fā)生了混合。

圖5 導(dǎo)葉流道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布

為直觀地反映導(dǎo)葉壁面上壓力的分布情況，對(duì)比 10%、50%和90%葉高處的導(dǎo)葉壁面壓力分布情況（見(jiàn)圖6）。由圖6可知：導(dǎo)葉壁面壓力的大小在 138～380kPa，導(dǎo)葉壓力面進(jìn)口處壓力為380kPa，且沿著流線方向，在0～0.75流向位置范圍內(nèi)基本上保持不變（僅下降13kPa），隨后在經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉喉部時(shí)急劇下降，并在導(dǎo)葉尾部降至226kPa；不同于壓力面，導(dǎo)葉吸力面的壓力有持續(xù)下降的變化，并在0.87流向位置處降至最小壓力138kPa，隨后在吸力面與壓力面的氣流交混作用下回升至226kPa；不同葉高處的壁面壓力分布曲線幾乎重合，表明在葉高方向的流動(dòng)分布均勻，蝸殼的流動(dòng)組織合理。

圖6 10%、50%和90%葉高處的導(dǎo)葉壁面壓力分布

2.3 葉輪流動(dòng)特性分析

葉輪全周流道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布見(jiàn)圖7。由于導(dǎo)葉流道內(nèi)的氣流充分加速，而葉輪入口處的圓周速度受速比的限制相對(duì)較小，導(dǎo)致動(dòng)葉入口處產(chǎn)生較大的攻角，造成葉輪吸力面出現(xiàn)比較明顯的流動(dòng)分離，并產(chǎn)生渦旋，動(dòng)葉尾緣處有小范圍的尾跡區(qū)，沒(méi)有漩渦產(chǎn)生。動(dòng)葉進(jìn)口處存在駐點(diǎn)高壓區(qū)，氣流經(jīng)過(guò)駐點(diǎn)之后，其壓力在壓力面?zhèn)惹岸沃饾u降低，變化均勻，在接近出口時(shí)迅速降低；吸力面?zhèn)热肟诟浇嬖诿黠@的低壓區(qū)，壓力在接近尾緣處有所回升，表明流動(dòng)分流受到抑制。

圖7 葉輪全周流道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布

圖8為10%、50%和90%葉高處的動(dòng)葉壁面壓力分布。由于氣流是經(jīng)由導(dǎo)葉加速并降壓之后到達(dá)動(dòng)葉的，故動(dòng)葉表面的壓力較小（28～245kPa）。不同于導(dǎo)葉壓力面的壓力急劇變化，動(dòng)葉壓力面的壓力變化比較均勻且平緩，表明氣流對(duì)葉輪穩(wěn)定、持續(xù)地做功；同時(shí)，由于流動(dòng)分離的存在，在動(dòng)葉吸力面出現(xiàn)28kPa的低壓區(qū)，但其影響較小，因此吸力面的壓力快速回升并保持不變。此外，在輪轂和動(dòng)葉表面扭轉(zhuǎn)的作用下，氣流流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致10%葉高處的吸力面壓力上升至139kPa。

2.4 動(dòng)葉和靜葉流動(dòng)特性分析

為分析流體流經(jīng)導(dǎo)葉和葉輪時(shí)速度、溫度和壓力的變化規(guī)律，本文提取導(dǎo)葉入口處、葉輪入口處和葉輪出口處的速度、溫度和壓力，相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖9，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間位置由其與過(guò)渦輪軸線的平面夾角α確定，因此蝸殼隔舌位置的位置角α≈90°。

圖8 10%、50%和90%葉高處的動(dòng)葉壁面壓力分布

圖9 渦輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

圖10為圖9中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度和速度分布。由圖10可知：在蝸殼良好的引流作用下，導(dǎo)葉進(jìn)口處的壓力、溫度和速度均保持一致；葉輪出口處的參數(shù)略有偏差，壓力、溫度和速度的最大偏差分別約為1.2%、18.5%和18.4%；葉輪進(jìn)口處的偏差最大，這與動(dòng)葉和靜葉之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及位置關(guān)系有關(guān)；在180°和 208°位置角處，葉輪進(jìn)口出現(xiàn)較大的壓力（238kPa）、較高的溫度（377℃）和較低的氣流速度（454m/s），這是因?yàn)樵谠摻嵌葏^(qū)域葉輪內(nèi)出現(xiàn)了渦流。

此外，從圖10中還可看出流體在流經(jīng)靜葉和動(dòng)葉過(guò)程中壓力、溫度和速度的變化趨勢(shì)。由圖10a)可知，氣流壓力在導(dǎo)葉進(jìn)口處最大，隨后在導(dǎo)葉的膨脹加速作用下，在葉輪入口處大幅下降，之后又在葉輪流道中持續(xù)下降；相似的，溫度也隨著氣流流經(jīng)導(dǎo)葉和葉輪呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)。然而，氣流速度在導(dǎo)葉進(jìn)口處最低，隨后在葉輪進(jìn)口處升至最高596m/s，并在葉輪流道中逐漸降低至264m/s，這反映了流體在葉輪中的做功過(guò)程。

圖10 渦輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度和速度分布

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)船用柴油機(jī)排氣的流量和熱力狀態(tài)對(duì)采用一級(jí)徑流式結(jié)構(gòu)的透平設(shè)計(jì)和流場(chǎng)模擬進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

1) 基于對(duì)透平整體尺寸和占用空間的考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)選用的速比（0.474）小于最優(yōu)值，但葉輪徑向尺寸可減小30%。

2) 模擬結(jié)果與一維計(jì)算結(jié)果相一致，最大偏差小于 10%，符合工程應(yīng)用計(jì)算要求，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性。

3) 由蝸殼、導(dǎo)葉和葉輪處的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布可知，本文所述蝸殼內(nèi)流線光順且分布均勻，溫度和壓力基本上保持不變，整體流動(dòng)狀態(tài)良好。氣流在導(dǎo)葉流道內(nèi)分布均勻，并快速膨脹加速至535m/s進(jìn)入葉輪進(jìn)口，相應(yīng)的溫度和壓力降至336℃和183kPa。此外，由于動(dòng)葉入口處產(chǎn)生了較大的攻角，導(dǎo)致葉輪吸力面出現(xiàn)了明顯的流動(dòng)分離和渦旋。

通過(guò)提取比較渦輪靜葉至動(dòng)葉的流道壓力、溫度和流速發(fā)現(xiàn)，在蝸殼良好的引流作用下，導(dǎo)葉進(jìn)口處的壓力、溫度和速度均保持一致；但在動(dòng)葉與靜葉的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響下，不可避免地在部分動(dòng)葉流道中出現(xiàn)渦流，導(dǎo)致壓力和溫度增大、流速下降。