倒車渦輪葉片反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失影響因素研究

李宗全，牛夕瑩，王林，安仲玉

1. 中國船舶集團(tuán)有限公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078

2. 船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150078

燃?xì)廨啓C(jī)具有功率密度大、起動速度快、變換工況靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶動力領(lǐng)域[1?2]。使用燃?xì)廨啓C(jī)作為動力的船舶在進(jìn)行倒車時，可采用的倒車形式主要有2 種：一種是燃?xì)廨啓C(jī)配備可調(diào)螺旋槳的形式，通過可調(diào)螺旋槳實(shí)現(xiàn)船舶的倒車功能；另一種是可倒車燃?xì)廨啓C(jī)配備定距螺旋槳的形式，由于可倒車燃?xì)廨啓C(jī)自身具備正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動的功能，可實(shí)現(xiàn)船舶直接倒車功能。由于可倒車燃?xì)廨啓C(jī)具有倒車功率大、反應(yīng)速度快、配備的定距螺旋槳結(jié)構(gòu)簡單、行駛阻力小等優(yōu)點(diǎn)，逐步引起了研究人員的重視，使得可倒車燃?xì)廨啓C(jī)得到了快速發(fā)展。

可倒車燃?xì)廨啓C(jī)主要通過倒車渦輪來實(shí)現(xiàn)正車和倒車功能，倒車渦輪采用了雙層燃?xì)馔ǖ?雙層渦輪葉片的設(shè)計思想，雙層渦輪葉片的上層葉片為倒車葉片，位于外層燃?xì)馔ǖ?，下層葉片為正車葉片，位于內(nèi)層燃?xì)馔ǖ馈Ｓ捎谡嚾~片與倒車葉片是一體結(jié)構(gòu)，通過共同的盤、渦輪軸輸出功率，90%以上運(yùn)行情況下，可倒車燃?xì)廨啓C(jī)僅使用正車功能，此時，當(dāng)燃?xì)饬鬟^正車通道，驅(qū)動正車葉片工作時，倒車葉片位置無燃?xì)饬鬟^，倒車葉片處于反向轉(zhuǎn)動狀態(tài)，在該狀態(tài)下，倒車葉片不斷攪動附近的氣體，在倒車葉片表面產(chǎn)生大量無序混亂的氣體流動，從而造成功率損失，損失的功率即為倒車葉片反轉(zhuǎn)引起的鼓風(fēng)損失。鼓風(fēng)損失的存在，降低了正車渦輪對外輸出的功率，影響了燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)效率。因此需要針對倒車渦輪反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的機(jī)制及其影響因素開展研究，在此基礎(chǔ)上探求倒車渦輪反轉(zhuǎn)時的鼓風(fēng)損失控制策略。

1 倒車渦輪原理

某型可倒車渦輪結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，主要由雙層渦輪葉片、輪盤、軸、導(dǎo)葉、燃?xì)馇袚Q擋板、上/下層通道、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等部件組成[3?11]。可倒車渦輪前端與燃?xì)獍l(fā)生器相連接，工作時，可通過雙層燃?xì)馔ǖ狼岸说娜細(xì)馇袚Q機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬鲃勇肪€的調(diào)整。當(dāng)燃?xì)鈨H流過下層通道時，正車葉片工作，渦輪轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動，船舶正車運(yùn)行；當(dāng)燃?xì)鈨H流過上層通道時，倒車葉片工作，渦輪轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動，船舶倒車運(yùn)行。

圖1 倒車渦輪結(jié)構(gòu)簡圖

通過電缸驅(qū)動曲柄連桿，可帶動燃?xì)馇袚Q擋板繞A 點(diǎn)轉(zhuǎn)動，當(dāng)燃?xì)馇袚Q擋板處于最上端時，燃?xì)鈨H能通過下層燃?xì)馔ǖ?；?dāng)燃?xì)馇袚Q擋板處于最下端時，燃?xì)鈨H能通過上層燃?xì)馔ǖ馈?/p>

如何控制倒車渦輪葉片在反轉(zhuǎn)條件下的鼓風(fēng)損失，是可倒車燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計過程中的主要難點(diǎn)之一。據(jù)國外資料表明，倒車渦輪葉片的反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)耗功通常為正車額定輸出功率5%以上。而國內(nèi)尚未開展過倒車葉片反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失的系統(tǒng)性研究，對鼓風(fēng)損失的影響因素及產(chǎn)生機(jī)制尚不清楚，缺乏切實(shí)可行的控制鼓風(fēng)損失的方案，這限制了可倒車燃?xì)廨啓C(jī)渦輪正車額定功率的輸出水平。

2 倒車渦輪計算模型

以某可倒車燃?xì)廨啓C(jī)渦輪為研究對象，建立了正/倒車渦輪三維幾何模型，如圖2 所示。倒車渦輪為1 級渦輪結(jié)構(gòu)，正車渦輪為4 級渦輪結(jié)構(gòu)，為真實(shí)模擬實(shí)際運(yùn)行情況，考慮燃?xì)馇袚Q擋板密封不嚴(yán)，存在燃?xì)庑孤┑那闆r，在倒車通道與正車通道交接位置設(shè)置有1 mm 間隙，在正車運(yùn)行時，會有少量燃?xì)饬魅氲管囃ǖ馈?/p>

圖2 正/倒車渦輪三維幾何模型

在保證計算準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，為簡化計算工作量，將整圈模型按照葉片數(shù)n進(jìn)行分割，取1/n份模型進(jìn)行有限元仿真計算，并在分割面上設(shè)置循環(huán)對稱邊界，以保證其邊界的連續(xù)性[12?13]，計算模型如圖3 所示。

圖3 正/倒車渦輪聯(lián)合計算模型

3 邊界條件

高質(zhì)量的網(wǎng)格可提高計算速度和精度，同時節(jié)約計算資源。對于倒車渦輪，選用NUMECA軟件中的Autogrid5 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，動葉葉頂間隙設(shè)置為0.5 mm。倒車渦輪網(wǎng)格模型如圖4 所示，正車渦輪網(wǎng)格模型如圖5 所示。

圖4 倒車渦輪網(wǎng)格模型

圖5 正車渦輪網(wǎng)格模型

對于可倒車動力渦輪的進(jìn)氣段，采用CAE 前處理軟件ICEMCFD（ integrated computer engineering and manufacturing code for computational fluid dynamics）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在正倒車流道分叉處設(shè)置了1 mm 間隙，如圖6 所示。

圖6 進(jìn)氣段位置網(wǎng)格模型

對倒車渦輪的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢查，確保計算獲得鼓風(fēng)損失功率的準(zhǔn)確性。檢查結(jié)果如圖7所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到2 698 432 個后，倒車渦輪反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失功率差異較小，后續(xù)計算應(yīng)保證倒車渦輪結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量不低于2 698 432 個。

使用商用有限元流體計算軟件ANSYS-CFX進(jìn)行后續(xù)邊界設(shè)置及仿真計算。采用空間中心差分離散、四階Runge-Kutta 法、時間推進(jìn)求解三維平均雷諾數(shù)N-S 方程，采用Spalart-Allmaras 湍流模型進(jìn)行湍流粘性計算，進(jìn)口湍流粘度為0.000 1 m2/s，其余進(jìn)出口條件以及葉片轉(zhuǎn)速根據(jù)后續(xù)計算的不同工況進(jìn)行調(diào)整，壁面設(shè)置為絕熱無滑移，交界面設(shè)置混合交界面（Mixing-plane）[14?15]。

4 計算結(jié)果

為探明倒車渦輪葉片在反轉(zhuǎn)狀態(tài)下鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的機(jī)制，在正車工況下，完成正/倒車葉片聯(lián)合計算，分析其內(nèi)部流動機(jī)理。

由計算結(jié)果可知，在正車工況下，倒車渦輪葉片產(chǎn)生的鼓風(fēng)損失為2 032.3 kW，即正車額定輸出功率降低了2 032.3 kW。渦輪內(nèi)部流線分布情況如圖8 所示。由圖8 可知，燃?xì)獯蟛糠至魅胝囃ǖ?，吹動正車葉片對外做功，少量燃?xì)馔ㄟ^間隙進(jìn)入倒車通道，在倒車葉片反向轉(zhuǎn)動的條件下，燃?xì)庠诘管嚾~片附近無規(guī)律流動，形成較多漩渦，造成了功率損失。

渦輪內(nèi)部總溫分布情況如圖9 所示。由圖9可知，倒車葉片附近溫度較高，這是由于倒車渦輪葉片在反向轉(zhuǎn)動條件下與空氣摩擦產(chǎn)生了較多熱量。與倒車通道其余位置相比，倒車葉片位置的溫度升高了約300 ℃。

圖9 總溫分布

為進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)速、氣體壓力、氣體溫度、葉片高度、前后擋板對反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失的影響，同時降低計算工作量，本文將倒車渦輪結(jié)構(gòu)單獨(dú)提取出來，開展鼓風(fēng)損失影響因素研究，降低仿真計算工作量。提煉關(guān)鍵參數(shù)與鼓風(fēng)損失的關(guān)系式，形成反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失預(yù)測模型，為低鼓風(fēng)損失渦輪葉片的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

為了可視化計算結(jié)果的擬合過程，選取3 個變量對擬合結(jié)果進(jìn)行精確的評估：誤差平方和(sum of squares error, SSE )ESS、擬合優(yōu)度R2和調(diào)整后的擬合優(yōu)度。其計算公式如下：

式中：yi為第i個工況下鼓風(fēng)損失的計算值，y為計算值的平均值，為第i個工況下鼓風(fēng)損失的預(yù)測值。

4.1 不同轉(zhuǎn)速對鼓風(fēng)損失的影響

為探究渦輪轉(zhuǎn)速對鼓風(fēng)損失的影響，在1 500～3 400 r/min 渦輪轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，使用拉丁超立方采樣方法(latin hypercube sampling，LHS)配置了24 個計算點(diǎn)，在不改變來流參數(shù)的條件下，僅改變轉(zhuǎn)速，計算倒車渦輪葉片反向轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的鼓風(fēng)損失。不同轉(zhuǎn)速下的鼓風(fēng)損失計算結(jié)果如圖10 所示。

圖10 鼓風(fēng)損失隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

為探究轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)損失之間的具體數(shù)值關(guān)系，對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，渦輪轉(zhuǎn)速n與鼓風(fēng)損失P之間的關(guān)系式如下：

轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)損失之間是二次函數(shù)關(guān)系，且在本項目的研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，鼓風(fēng)損失隨著轉(zhuǎn)速的增大而單調(diào)增大。轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)損失公式的擬合效果評估結(jié)果如表1 所示。擬合效果較好。

表1 轉(zhuǎn)速與鼓風(fēng)損失擬合效果

額定轉(zhuǎn)速下，倒車渦輪內(nèi)部總溫分布如圖11所示，總壓分布如圖12 所示。由圖11 可知，倒車渦輪葉片反向轉(zhuǎn)動時，與空氣摩擦造成摩擦鼓風(fēng)損失，使得該位置的總溫、總壓明顯升高。

圖11 額定轉(zhuǎn)速下倒車渦輪內(nèi)部總溫

圖12 額定轉(zhuǎn)速下倒車渦輪內(nèi)部總壓

4.2 不同氣體壓力對鼓風(fēng)損失的影響

為探究氣體壓力對葉片反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失的影響，在100～200 kPa 氣體壓力范圍內(nèi)，使用LHS 方法配置了20 個計算點(diǎn)。在計算過程中，氣體溫度被設(shè)置為800 K，葉片轉(zhuǎn)速被設(shè)置為2 500 r/min，將氣體壓力作為自變量開展仿真計算。鼓風(fēng)損失計算結(jié)果如圖13 所示。

圖13 鼓風(fēng)損失隨氣體壓力變化關(guān)系

為探究氣體壓力與鼓風(fēng)損失之間的具體數(shù)值關(guān)系，對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，氣體溫度p與鼓風(fēng)損失P之間的關(guān)系式如下：

在氣體溫度和轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，氣體壓力和鼓風(fēng)損失之間是一次函數(shù)關(guān)系，且在本項目研究的壓力范圍內(nèi)，鼓風(fēng)損失隨著氣體壓力的增大而單調(diào)增大。氣體壓力與鼓風(fēng)損失公式的擬合效果評估結(jié)果如表2 所示。

表2 氣體壓力與鼓風(fēng)損失擬合效果

4.3 不同氣體溫度對鼓風(fēng)損失的影響

為探究氣體溫度對反轉(zhuǎn)葉片鼓風(fēng)損失的影響，在600～1 000 K 氣體溫度范圍內(nèi)，使用LHS 方法配置了20 個計算點(diǎn)。在計算過程中，葉片轉(zhuǎn)速被設(shè)置為2 500 r/min，氣體壓力被設(shè)置為150 kPa，將氣體溫度作為自變量開展仿真計算。鼓風(fēng)損失計算結(jié)果如圖14 所示。

圖14 鼓風(fēng)損失隨氣體溫度變化關(guān)系

為探究氣體溫度與鼓風(fēng)損失之間的具體數(shù)值關(guān)系，對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，氣體溫度T與鼓風(fēng)損失P之間的關(guān)系式如下：

在氣體溫度和轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，氣體溫度和鼓風(fēng)損失之間是二次函數(shù)關(guān)系，且在本項目研究的溫度范圍內(nèi)鼓風(fēng)損失隨著氣體溫度的增大而單調(diào)減小。

氣體溫度與鼓風(fēng)損失公式的擬合效果評估結(jié)果如表3 所示。擬合效果較好。

表3 氣體溫度與鼓風(fēng)損失擬合效果

4.4 不同葉片高度對鼓風(fēng)損失的影響

選取葉片高度作為自變量，在0.6 倍葉片高度至1.1 倍葉片高度范圍內(nèi)，均勻選取11 個算例進(jìn)行計算，以探究不同葉片高度下的反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失。在計算過程中，氣體溫度被設(shè)置為800 K，氣體壓力被設(shè)置為150 kPa，葉片轉(zhuǎn)速被設(shè)置為2 500 r/min。鼓風(fēng)損失計算結(jié)果如圖15 所示。

圖15 鼓風(fēng)損失隨葉片高度變化關(guān)系

為探究葉片高度與鼓風(fēng)損失之間的具體數(shù)值關(guān)系，對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，葉片高度Ch與鼓風(fēng)損失P之間的關(guān)系式如下：

在氣體溫度、壓力和轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，葉片高度和鼓風(fēng)損失之間是一次函數(shù)關(guān)系，且在本項目研究的葉片高度范圍內(nèi)，鼓風(fēng)損失隨著葉片高度的增大而單調(diào)增大。葉片高度與鼓風(fēng)損失公式的擬合效果評估結(jié)果如表4 所示。擬合效果較好。

表4 葉片高度與鼓風(fēng)損失擬合效果

4.5 葉片擋板對鼓風(fēng)損失的影響

在倒車動葉后設(shè)置擋板，設(shè)置擋板的目的是為了減少倒車葉片反轉(zhuǎn)所影響的空間，降低反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失。擋板布置位置如圖16 所示。

圖16 擋板布置位置示意

為探究擋板結(jié)構(gòu)對鼓風(fēng)損失的影響，以擋板與倒車葉片之間的距離d1、擋板距離內(nèi)通流壁板的間隙d2作為自變量，分別選取5 個案例進(jìn)行計算，以探究增加擋板后葉片反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失的變化規(guī)律。擋板尺寸位置如圖17 所示。

圖17 擋板尺寸位置示意

4.5.1 擋板與倒車動葉之間距離d1的影響

選取擋板與倒車動葉的距離d1為自變量，在5～100 mm 的變化范圍內(nèi)選取5 個數(shù)值進(jìn)行研究，以得到距離d1與倒車葉片反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失之間的關(guān)系。氣體溫度被設(shè)置為792 K，氣體壓力被設(shè)置為109 kPa，擋板距離內(nèi)通流壁板的間隙d2設(shè)定為20 mm。計算結(jié)果如圖18 所示。

圖18 鼓風(fēng)損失隨距離d1 的變化關(guān)系

為探究擋板與動葉之間距離與鼓風(fēng)損失之間的具體數(shù)值關(guān)系，對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擋板與葉片之間的距離d1與鼓風(fēng)損失P之間的關(guān)系式如下：

在氣體溫度、壓力和轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，擋板與葉片之間的距離和鼓風(fēng)損失之間符合三次函數(shù)關(guān)系，且在本項目的研究范圍距離內(nèi)，鼓風(fēng)損失隨著擋板與葉片之間的距離的增大而單調(diào)減小。

當(dāng)d1為20 mm 時的渦輪內(nèi)部總溫分布如圖19所示，內(nèi)部總壓分布如圖20 所示。

圖19 倒車渦輪內(nèi)部總溫分布（d1=20 mm）

圖20 倒車渦輪內(nèi)部總壓分布（d1=20 mm）

擋板與動葉之間距離與鼓風(fēng)損失公式的擬合效果評估結(jié)果如表5 所示。擬合效果較好。

表5 距離d1 與鼓風(fēng)損失擬合效果

4.5.2 擋板距離內(nèi)通流壁板的間隙d2的影響

選取擋板距離內(nèi)通流壁板的間隙d2的距離為自變量，在10～40 mm 變化范圍內(nèi)選取5 個數(shù)值進(jìn)行研究，得到了距離d2與葉片反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失之間的關(guān)系。氣體溫度被設(shè)置為792 K，氣體壓力被設(shè)置為109 kPa，除此之外，各算例中擋板與葉片之間的距離d1設(shè)定為20 mm。通過計算，得到了不同擋板與葉片距離下的鼓風(fēng)損失的具體數(shù)值。計算結(jié)果如圖21 所示。

圖21 鼓風(fēng)損失隨擋板與距離d2 變化關(guān)系

擋板距離下通流壁板距離d2與鼓風(fēng)損失之間的具體數(shù)值關(guān)系，對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擋板與葉片之間的距離d2與鼓風(fēng)損失P之間的關(guān)系式如下：

當(dāng)距離d2＜20 mm 時，鼓風(fēng)損失隨著d2的增大而減小，當(dāng)距離d2＞20 mm 時，鼓風(fēng)損失隨著d2的增大而增大。擋板距離內(nèi)通流壁板的間隙d2與鼓風(fēng)損失公式的擬合效果評估結(jié)果如表6 所示。擬合效果較好。

當(dāng)d2為20 mm 時，倒車渦輪內(nèi)部的總溫分布如圖22 所示，渦輪內(nèi)部的總壓分布如圖23 所示。

圖22 倒車渦輪內(nèi)部總溫分布（d2=20 mm）

圖23 倒車渦輪內(nèi)部總壓分布（d2=20 mm）

對比有無擋板條件下的鼓風(fēng)損失結(jié)果可知，增加擋板后，鼓風(fēng)損失由2 032.3 kW 降低為2.9 kW，鼓風(fēng)損失明顯降低，數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表7 所示。

表7 鼓風(fēng)損失對比結(jié)果

5 結(jié)論

本文以某型可倒車燃?xì)廨啓C(jī)雙層渦輪葉片為研究對象，建立了正/倒車渦輪聯(lián)合計算模型，使用有限元仿真軟件，完成了鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的機(jī)制分析，并且在不同轉(zhuǎn)速、不同氣體壓力、不同氣體溫度、不同葉片高度及葉片附近增加擋板條件下，開展了倒車渦輪葉片反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失計算，掌握了影響倒車渦輪反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失的主要因素，提煉了關(guān)鍵參數(shù)與鼓風(fēng)損失的關(guān)系式。得出如下結(jié)論：

1）倒車葉片處于反向轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，倒車葉片不斷攪動附近的氣體，在倒車葉片表面產(chǎn)生大量無序混亂的氣體流動，從而造成功率損失，損失的功率即為倒車葉片反轉(zhuǎn)引起的鼓風(fēng)損失。

2）倒車渦輪葉片反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鼓風(fēng)損失隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。

3）倒車渦輪葉片反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鼓風(fēng)損失隨氣體壓力的增加而增加。

4）倒車渦輪葉片反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鼓風(fēng)損失隨氣體溫度的增加而降低。

5）倒車渦輪葉片反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鼓風(fēng)損失隨葉片高度的增加而增加。

6）在葉片附近增加擋板后降低葉片反轉(zhuǎn)擾動的空間，使得倒車渦輪葉片反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鼓風(fēng)損失明顯降低，并且隨著葉片與擋板之間距離的縮小而降低，隨擋板與內(nèi)通流壁板之間間隙的增加，鼓風(fēng)損失先減小后增加。

7）在可倒車燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計時，可在倒車動葉附近設(shè)計擋板結(jié)構(gòu)，降低反轉(zhuǎn)鼓風(fēng)損失，提高正車輸出功率，提高可倒車燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)性能。