用于調(diào)調(diào)葉的渦輪機(jī)匣端部小翼設(shè)計(jì)

用于調(diào)調(diào)葉的渦輪機(jī)匣端部小翼設(shè)計(jì)

可變幾何車輪技術(shù)可以有效控制生命周期的變化，調(diào)節(jié)和優(yōu)化汽油機(jī)各部件之間的匹配關(guān)系，顯著提高整個(gè)汽油機(jī)的額外、減速特性和低事情性能。變幾何渦輪在航空、艦船、機(jī)車和坦克燃?xì)廨啓C(jī)上已得到廣泛應(yīng)用,對(duì)于渦輪變幾何對(duì)其效率的影響亦有很多研究。Moffitt等變幾何渦輪在許多應(yīng)用場(chǎng)合下都是以多級(jí)形式存在,這增加了變幾何渦輪試驗(yàn)的難度,并且成本也比較高。宋力強(qiáng)和王永泓需要注意的是,應(yīng)用變幾何渦輪,一定不能使得可能獲得的效益被變幾何時(shí)造成的渦輪效率下降所抵消。因此,除了要弄清楚渦輪變幾何對(duì)其性能的影響之外,還要充分了解影響這一效率的各種因素,以便能把由此引起的性能惡化降到最低程度。Razinsky和Kuziak劉順隆和馮永明等現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)氣動(dòng)渦輪一般都是大子午擴(kuò)張?jiān)O(shè)計(jì),對(duì)于這種類型渦輪進(jìn)行變幾何設(shè)計(jì)時(shí),一般需要在端部給定較大的間隙以保證可調(diào)靜葉在整個(gè)轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)都不被卡死,這必然會(huì)帶來較高的端區(qū)損失。為此,Gao等國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)葉頂間隙泄漏流動(dòng)已進(jìn)行了廣泛的研究,并進(jìn)一步提出了許多控制間隙泄漏損失的方法,包括凹槽葉頂1旋轉(zhuǎn)軸端干擾端區(qū)流動(dòng)圖1為某型燃?xì)廨啓C(jī)的大子午擴(kuò)張變幾何動(dòng)力渦輪,其調(diào)節(jié)系統(tǒng)具體參見文獻(xiàn)圖2給出了-6°和8°轉(zhuǎn)角下可調(diào)靜葉片端部位置的情況,可以明顯看出,當(dāng)可調(diào)靜葉關(guān)閉(-6°)時(shí),在靜葉片吸力側(cè)頂部前側(cè),旋轉(zhuǎn)軸端凸出于機(jī)匣,而在頂部后側(cè),旋轉(zhuǎn)軸端則有所凹陷;而在靜葉片壓力側(cè)頂部的大部分區(qū)域,旋轉(zhuǎn)軸端則幾乎陷入機(jī)匣內(nèi)側(cè),形成較大的凹陷(圖中未給出),不管是凸起或者凹陷皆對(duì)端區(qū)流動(dòng)產(chǎn)生干擾,并且隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加而更加明顯,從而惡化端區(qū)流動(dòng)。同樣地,當(dāng)可調(diào)靜葉打開(8°)時(shí),則在可調(diào)靜葉片壓力側(cè)頂部形成凸起,而在吸力側(cè)頂部形成凹陷,同樣對(duì)端區(qū)流動(dòng)產(chǎn)生了明顯干擾?；谝陨戏治隹梢钥闯?對(duì)于大子午擴(kuò)張變幾何渦輪,不管可調(diào)靜葉是打開還是關(guān)閉,旋轉(zhuǎn)軸端皆對(duì)端區(qū)流動(dòng)產(chǎn)生了明顯干擾,帶來較強(qiáng)的二次流動(dòng)。并且,對(duì)于大子午擴(kuò)張變幾何渦輪,一般需要在可調(diào)靜葉片端部給定較大的間隙,而這必然帶來較強(qiáng)的泄漏流動(dòng),從而使得端區(qū)流動(dòng)變得尤為復(fù)雜。2可調(diào)靜葉柵葉端化針對(duì)大子午擴(kuò)張變幾何渦輪在可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)軸端嚴(yán)重惡化端區(qū)流場(chǎng)的問題,本文提出在可調(diào)靜葉的機(jī)匣端部應(yīng)用小翼結(jié)構(gòu),使得旋轉(zhuǎn)軸端成為流道的一個(gè)組成部分,從而克服這一結(jié)構(gòu)性問題,并尋求減少葉端間隙泄漏流動(dòng)。為此,針對(duì)某低速試驗(yàn)用可調(diào)平面葉柵展開數(shù)值與試驗(yàn)驗(yàn)證研究。初步設(shè)計(jì)的葉端帶有小翼結(jié)構(gòu)的可調(diào)靜葉柵如圖3(b)所示,圖3(a)為原型可調(diào)靜葉柵,以用于對(duì)比研究。如圖3所示,葉端小翼寬度沿頂部葉型為等厚度分布,為了確保頂面可以完全包含旋轉(zhuǎn)軸端,初步給定其寬度為5mm。另外,以45°方向?qū)⑿∫砼c靜葉片進(jìn)行倒圓角連接?？梢钥闯?擴(kuò)展出的小翼結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)于葉柵節(jié)距而言是一個(gè)較小的值,并不影響實(shí)際安裝。需要說明的是,本文針對(duì)可調(diào)平面葉柵的小翼結(jié)構(gòu)并不是最佳的結(jié)果,只是對(duì)上述新想法進(jìn)行驗(yàn)證。大子午擴(kuò)張變幾何渦輪葉端小翼結(jié)構(gòu)的具體形式一方面應(yīng)避免旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的干擾端區(qū)流動(dòng)的問題,另一方面應(yīng)以對(duì)調(diào)節(jié)干擾較小為基本前提。3葉柵幾何、氣動(dòng)參數(shù)測(cè)量變幾何渦輪葉柵低速風(fēng)洞試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)低速平面葉柵風(fēng)洞上進(jìn)行,如圖4所示。來流由一臺(tái)額定功率為560kW電機(jī)帶動(dòng)的軸流風(fēng)機(jī)提供,其中電機(jī)與壓氣機(jī)的變速比為1∶24。風(fēng)洞試驗(yàn)段出口尺寸為90mm×240mm。試驗(yàn)葉柵由5片葉片(僅一端帶有間隙和旋轉(zhuǎn)軸,葉高為90mm)組成,其中旋轉(zhuǎn)軸位于葉片50%軸向弦長(zhǎng)位置,其直徑為19mm。柵前總壓、總溫分別由柵前總壓探針和熱電偶測(cè)得。葉柵出口截面氣動(dòng)參數(shù)測(cè)量采用五孔探針及非對(duì)向測(cè)量法,出口截面位于葉片尾緣下游40%軸向弦長(zhǎng)位置。試驗(yàn)中還對(duì)型面靜壓分布、機(jī)匣端壁靜壓分布進(jìn)行了測(cè)量。表1給出了可調(diào)試驗(yàn)葉柵的幾何和氣動(dòng)參數(shù)。對(duì)于本文試驗(yàn)風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng),五孔探針測(cè)量總壓的不確定度小于1%,熱電偶測(cè)量總溫的不確定度為0.5℃,氣流角誤差為1°。4計(jì)算值的方法4.1間隔軸間邊界條件可調(diào)靜葉計(jì)算模型采用ANSYSCFX11.0商用軟件求解定?？蓧嚎s雷諾平均NavierStokes方程組,借助有限體積法離散控制方程以及標(biāo)準(zhǔn)k-ω兩方程湍流模型封閉方程組。離散格式為二階迎風(fēng)格式,總體計(jì)算精度為二階。本文可調(diào)靜葉計(jì)算域與試驗(yàn)平面葉柵保持一致,即可調(diào)葉柵僅上端帶有間隙和旋轉(zhuǎn)軸,其下端面為對(duì)稱邊界?？烧{(diào)靜葉計(jì)算域如圖5所示。可調(diào)靜葉計(jì)算網(wǎng)格由NUMECA軟件包的Autogrid5與IGG模塊生成。為了考慮葉端部分間隙的影響,首先采用蝶形網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成完全間隙的網(wǎng)格,然后沿流向切割網(wǎng)格,并根據(jù)部分間隙的結(jié)構(gòu)形式調(diào)整優(yōu)化其余間隙網(wǎng)格。為改善網(wǎng)格質(zhì)量,葉片表面采用O型網(wǎng)格,進(jìn)出口及主流區(qū)采用H型網(wǎng)格。沿間隙高度方向上布置33個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)軸與主流區(qū)等網(wǎng)格不匹配區(qū)域采用交界面連接來傳遞數(shù)據(jù)。壁面第一層網(wǎng)格的平均y另外,計(jì)算域進(jìn)出口邊界條件均在絕對(duì)坐標(biāo)系下給定:進(jìn)口給定總溫、總壓和進(jìn)氣角(軸向進(jìn)氣),出口給定背壓,固壁給定絕熱無滑移邊界條件。由于未進(jìn)行試驗(yàn)湍流強(qiáng)度測(cè)定,進(jìn)口湍流強(qiáng)度暫定為5%。本文計(jì)算工質(zhì)為定比熱理想空氣。4.2可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)影響葉片負(fù)荷分布及間隙泄漏率為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性,首先對(duì)原型可調(diào)靜葉進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。不同轉(zhuǎn)角下試驗(yàn)葉柵中間葉高壓力系數(shù)C此外,與來流攻角對(duì)葉片負(fù)荷影響不同的是,可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)不僅改變了葉片負(fù)荷分布,還改變了其大小。在0°轉(zhuǎn)角下,可調(diào)靜葉最低壓力點(diǎn)在軸向弦長(zhǎng)70%位置左右,其屬于“后部加載”葉型。隨著可調(diào)靜葉關(guān)閉,葉片負(fù)荷增加,并且最大負(fù)荷位置移向葉片尾緣,葉片負(fù)荷的后加載程度加深。此時(shí),旋轉(zhuǎn)軸對(duì)間隙泄漏的阻塞效果減弱。整體上,由于葉片負(fù)荷增加以及負(fù)荷后移等原因,葉端間隙泄漏會(huì)有明顯增加。而隨著可調(diào)靜葉打開,葉片負(fù)荷有明顯減小,并趨于“均勻加載”,而這則會(huì)減少葉端間隙泄漏流動(dòng)及泄漏損失。5數(shù)值計(jì)算和分析為方便研究,首先給出總壓損失系數(shù)C式中:p5.1旋轉(zhuǎn)軸繞流效應(yīng)與間隙泄漏流動(dòng)間的相互作用可調(diào)靜葉的端部結(jié)構(gòu)形式使得端部存在部分間隙以及由此引起的間隙泄漏流動(dòng)。圖7給出了0°轉(zhuǎn)角下葉端帶有小翼的可調(diào)靜葉及原型靜葉的端部流線及機(jī)匣壓力系數(shù)分布。旋轉(zhuǎn)軸的存在減小了周向泄漏面積,從而對(duì)間隙泄漏起到一定的阻塞作用。另外,旋轉(zhuǎn)軸將間隙泄漏流動(dòng)分為2股:旋轉(zhuǎn)軸前側(cè)的間隙泄漏流動(dòng)較弱,這主要是由于較小的橫向壓力梯度所致;而在旋轉(zhuǎn)軸后側(cè),由于橫向壓力梯度較大,使得間隙泄漏流動(dòng)比較強(qiáng)。由此可以看出,旋轉(zhuǎn)軸后側(cè)是葉端間隙泄漏的主要區(qū)域。從圖7葉端流線及靜壓分布上也可以看出,沿流線方向,在旋轉(zhuǎn)軸后側(cè)存在一個(gè)低速回流區(qū)。考慮到旋轉(zhuǎn)軸附近的流線方向與主要泄漏流動(dòng)方向呈斜交狀,由此可以推測(cè)出,旋轉(zhuǎn)軸繞流效應(yīng)與間隙泄漏流動(dòng)之間存在比較明顯的干擾。隨后,泄漏流流出葉端間隙,間隙泄漏渦核形成,而旋轉(zhuǎn)軸前側(cè)的泄漏流則圍繞著泄漏渦核形成泄漏渦。通過比較圖7(a)與圖7(b)可以看出,葉端帶有小翼使得旋轉(zhuǎn)軸后側(cè)的低壓區(qū)域向尾緣移動(dòng);并且,葉端帶有小翼也使得低壓區(qū)域變大,不過,間隙壓力側(cè)靜壓值有所減小,而吸力側(cè)壓力值則有明顯增加,整體上葉端橫向壓力梯度得到降低,這可以從圖8葉端小翼對(duì)近端部負(fù)荷分布的影響中得到證實(shí)。從圖8中也可以看出,旋轉(zhuǎn)軸繞流效應(yīng)對(duì)近端部的負(fù)荷分布形式產(chǎn)生了明顯影響。尤其是在近間隙吸力側(cè),在旋轉(zhuǎn)軸前側(cè)附近,由于氣流繞流旋轉(zhuǎn)軸的影響,近端部壓力急劇降低;在繞流旋轉(zhuǎn)軸的過程中,近端部壓力也有小幅波動(dòng);在旋轉(zhuǎn)軸后側(cè),由于低速回流區(qū)的存在又使得近端部壓力突然降低。葉端帶有小翼則使得近葉端間隙壓力側(cè)和吸力側(cè)的靜壓變化比較平滑,明顯減小了旋轉(zhuǎn)軸繞流效應(yīng)的影響,并且近葉端負(fù)荷也有明顯減小,這在一定程度上減小了間隙泄漏驅(qū)動(dòng)力以及間隙泄漏流動(dòng)。以上分析也可以從2種葉端結(jié)構(gòu)的70%軸向弦長(zhǎng)位置截面馬赫數(shù)對(duì)比分布中得到證實(shí),如圖9所示,其中右側(cè)為吸力側(cè)。由于葉端小翼結(jié)構(gòu)明顯減少了近葉端負(fù)荷,間隙內(nèi)的泄漏射流速度也隨之降低,并且間隙吸力側(cè)泄漏渦所在的低速區(qū)范圍也有明顯減小。從圖10可調(diào)靜葉柵內(nèi)熵增輪廓圖中可以明顯看到,在第4個(gè)截面也即旋轉(zhuǎn)軸前側(cè)之前區(qū)域,間隙泄漏引起的損失區(qū)范圍及峰值并無明顯變化,而在此之后,間隙泄漏損失有明顯降低,尤其是在最后2個(gè)截面區(qū)域。5.2靜葉結(jié)構(gòu)對(duì)比可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)改變了靜葉喉部面積,這不僅改變了葉片負(fù)荷分布及其大小,還對(duì)葉柵通道損失以及與下游葉片列之間的匹配產(chǎn)生了重要影響。圖11給出了不同轉(zhuǎn)角下可調(diào)靜葉柵總壓損失系數(shù)對(duì)比?？烧{(diào)靜葉關(guān)閉明顯增加了通道損失,而可調(diào)靜葉打開卻減少了通道損失。此外,葉端帶有小翼使得在所有轉(zhuǎn)角下靜葉通道損失都有明顯降低。圖12給出了2種葉端結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)角下的節(jié)距平均出氣角α沿相對(duì)葉高x/h的分布。正如前人研究結(jié)果所指出的那樣,可調(diào)靜葉關(guān)閉減小了出氣角,而可調(diào)靜葉打開則增加了出氣角,這滿足了變幾何渦輪調(diào)節(jié)工況的需求。從圖12中還可以看出,在所有轉(zhuǎn)角下,葉端帶有小翼皆明顯降低了靜葉端部的氣流欠偏轉(zhuǎn)程度,尤其是在-6°轉(zhuǎn)角下降低效果更為明顯。5.3葉端期基本結(jié)構(gòu)正如上文所述,可調(diào)靜葉旋轉(zhuǎn)軸后側(cè)間隙是葉端間隙泄漏的主要區(qū)域。并且對(duì)于艦船燃機(jī)來說,其在壽命期90%以上的時(shí)間都處于部分負(fù)荷工況下運(yùn)行,這意味著可調(diào)靜葉將長(zhǎng)期處于關(guān)小或者關(guān)閉狀態(tài)下運(yùn)行,而這也進(jìn)一步使得旋轉(zhuǎn)軸后側(cè)間隙成為主要的間隙泄漏區(qū)域。為了進(jìn)一步減小可調(diào)靜葉端部間隙泄漏流動(dòng),本文嘗試在葉端小翼基礎(chǔ)上設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu),以在減小間隙泄漏驅(qū)動(dòng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加泄漏流動(dòng)阻力,從而明顯減小間隙泄漏損失。初步設(shè)計(jì)的可調(diào)靜葉葉端凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)如圖13所示。在可調(diào)靜葉旋轉(zhuǎn)軸前后側(cè)分別設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu),其中凹槽肩壁寬度、深度分別為1.4mm和1.8mm。圖14給出了不同葉端結(jié)構(gòu)下節(jié)距平均總壓損失系數(shù)沿葉高分布,其中葉端間隙為1mm。正如所假設(shè)那樣,葉端凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)在小翼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小了間隙泄漏損失。圖15給出了可調(diào)靜葉在不同葉端結(jié)構(gòu)下的總壓損失系數(shù)隨間隙τ的變化曲線。從圖中可以看出,在葉端間隙分別為1mm和2mm下,葉端小翼結(jié)構(gòu)和凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)皆減少了可調(diào)靜葉出口總壓損失系數(shù),凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)下的損失更小,可調(diào)靜葉總壓損失系數(shù)最大降低了8.9%。不過,2種結(jié)構(gòu)在不同間隙下對(duì)通道損失的控制效果卻是不一樣的。從圖15中可以看出,葉端小翼結(jié)構(gòu)增加了可調(diào)靜葉性能對(duì)間隙變化的敏感性,而葉端小翼結(jié)合凹槽結(jié)構(gòu)以后,則降低了對(duì)間隙變化的敏感性,并且使得可調(diào)靜葉性能對(duì)間隙變化的敏感性與原型相當(dāng)。6葉端小翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)1)在可調(diào)靜葉柵中應(yīng)用葉端小翼不但避免了可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)軸端惡化端區(qū)流場(chǎng)的問題,還降低了