導(dǎo)葉對(duì)徑向渦輪性能的影響

導(dǎo)葉對(duì)徑向渦輪性能的影響

在非設(shè)計(jì)條件下，分層采用適應(yīng)性導(dǎo)葉調(diào)整傳輸能力，提高非設(shè)計(jì)條件的性能，擴(kuò)大車輪的運(yùn)營(yíng)范圍。在負(fù)荷頻繁變動(dòng)的動(dòng)力機(jī)械中,如船用燃?xì)廨啓C(jī)、車用增壓器動(dòng)力渦輪等,變幾何技術(shù)是提高渦輪性能的重要舉措。美國(guó)在20世紀(jì)50年代就開展了變幾何渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)可行性的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)于軸流變幾何渦輪,一般基于直列葉柵的研究,目前已經(jīng)取得了大量的實(shí)驗(yàn)以及流場(chǎng)模擬結(jié)果。Moffitt通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明改變靜子流通面積會(huì)使渦輪效率降低。劉隆順,邱超等通過(guò)數(shù)值模擬研究了軸流變幾何渦輪流場(chǎng)特性以及損失模型。對(duì)于徑向變幾何渦輪的研究,公開發(fā)表的成果較少。Glassman基于邊界層分析,建立了設(shè)計(jì)工況下向心渦輪在導(dǎo)向葉柵、葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)損失模型。Meitner建立發(fā)展了變幾何渦輪非設(shè)計(jì)工況性能的計(jì)算方法。Spence,Artt對(duì)七種不同導(dǎo)葉安裝角的單級(jí)徑向渦輪進(jìn)行了性能測(cè)試,并比較了四種不同損失模型。結(jié)果表明渦輪可獲得的最大效率隨導(dǎo)葉喉部面積的減小而降低,Rohlik損失模型與實(shí)驗(yàn)值吻合最佳。國(guó)內(nèi)對(duì)徑流式變幾何渦輪的研究關(guān)注于變幾何渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配、結(jié)構(gòu)控制以及噴嘴葉型對(duì)增壓器的性能影響,對(duì)徑流渦輪的氣動(dòng)性能研究很少。大量的實(shí)驗(yàn)可以建立整體渦輪級(jí)的性能,但是不能反映導(dǎo)葉調(diào)節(jié)后,流動(dòng)損失的組成和機(jī)理,而CFD方法提供了一個(gè)很好的分析途徑。本文對(duì)單級(jí)徑向渦輪在導(dǎo)向葉柵的不同開度、不同工況下的全流場(chǎng)進(jìn)行了三維模擬分析,討論了帶有可調(diào)導(dǎo)葉渦輪級(jí)通流特性以及其中流動(dòng)損失對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律,為建立徑向渦輪在不同開度下的性能預(yù)測(cè)模型提供理論依據(jù)。1流場(chǎng)計(jì)算模型在一般曲線坐標(biāo)系下,守恒型三維可壓縮N-S方程組的形式為:??t?Q+??ξ(?F-?Fv)+??η(?G-?Gv)+??ζ(?Η-?Ηv)=0??tQ?+??ξ(F??F?v)+??η(G??G?v)+??ζ(H??H?v)=0其中,ξ,η,ζ是曲線坐標(biāo)分量,?QQ?為變量,?F??G??ΗF??G??H?是對(duì)流通量,?Fv??Gv??ΗvF?v?G?v?H?v是粘性通量。式中包含的動(dòng)力粘性系數(shù)μ采用Sutherland公式計(jì)算,湍流渦粘系數(shù)μt采用SA湍流模型計(jì)算。與代數(shù)模型相比,SA模型考慮了湍流粘性在流場(chǎng)中的傳遞,對(duì)局部小分離流動(dòng)具有模擬能力,尤其適合于渦輪內(nèi)具有大壓降、可能局部分離的流動(dòng)。導(dǎo)葉出口與葉輪進(jìn)口的交接面上采用混合平面法交換上下游流場(chǎng)信息。導(dǎo)葉進(jìn)口參數(shù)為:總壓p*0=400.0kPa,總溫T*0=1150K,進(jìn)口氣流角α0=35°;葉輪出口給定平均靜壓,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=65000r/min。計(jì)算采用CFD軟件FINE/Turobo8.5平臺(tái)上完成,數(shù)值方法采用基于時(shí)間推進(jìn)的數(shù)值離散格式,空間差分采用中心格式,添加人工粘性系數(shù)以保證收斂,同時(shí)采用全多重網(wǎng)格方法,結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)以及殘差光順?lè)椒▉?lái)加速收斂。2葉片區(qū)域調(diào)節(jié)計(jì)算域以渦輪單流道為計(jì)算模型,采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行剖分:導(dǎo)葉部分采用H-O-H型網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為274300;葉輪區(qū)采用H-I型網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為356421。在葉片近壁面、端壁、前緣及尾緣等流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。渦輪導(dǎo)向葉柵調(diào)節(jié)方式的不同,對(duì)渦輪性能影響有一定的區(qū)別,其中控制渦輪流量最有效的方法是改變導(dǎo)葉安裝角。本文以葉片尾緣為中心軸,旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)葉片安裝角,如圖1所示。開大渦輪所對(duì)應(yīng)的喉部面積為設(shè)計(jì)渦輪喉部面積的通流面積的130%,記為130T;關(guān)小渦輪所對(duì)應(yīng)的喉部面積為設(shè)計(jì)渦輪喉部面積的通流面積的69%,記為069T;設(shè)計(jì)渦輪導(dǎo)葉喉部面積為100%,記為100T。從圖2所示的開度與喉部尺寸關(guān)系曲線上可以看出,導(dǎo)葉喉部面積與安裝角呈線性關(guān)系。3計(jì)算與分析3.1不同轉(zhuǎn)速比對(duì)功率系數(shù)的影響定義速比ˉu=U/C0?Uuˉ=U/C0?U為葉尖速度,C0為流體從渦輪進(jìn)口滯止等熵膨脹到出口靜壓的理想膨脹速度?？倻匦师莟=(1-Tt2/Tt1)/(1-(pt2/pt1)(γ-1)/γ),γ表示平均比熱容比,Tt1、Tt2表示動(dòng)葉進(jìn)出口總溫,pt1、pt2表示進(jìn)出口總壓。圖3給出了總溫效率分布曲線。從圖中可以看出,三種渦輪的最佳速比并不一致,在各自最佳速比下,渦輪效率最高。對(duì)于開大渦輪而言,最佳速比為0.53左右,最高效率為86.69%;關(guān)小渦輪最高效率為92.02%,對(duì)應(yīng)最佳速比為0.79左右;設(shè)計(jì)渦輪的最佳速比是0.69,對(duì)應(yīng)效率為92.97%。在ˉu<0.53uˉ<0.53時(shí),開大渦輪效率均高于設(shè)計(jì)渦輪和關(guān)小渦輪,當(dāng)ˉu>0.79uˉ>0.79時(shí)關(guān)小渦輪的效率最佳。可見(jiàn),在渦輪焓降不變的情況下,速比減小時(shí)應(yīng)該開大渦輪,速比增大時(shí)應(yīng)該關(guān)小渦輪,從而達(dá)到最佳運(yùn)行效率。圖4給出了速比與相對(duì)質(zhì)量流量的關(guān)系曲線。隨著喉部尺寸增大,質(zhì)量流量近似成比例增長(zhǎng)。當(dāng)速比小于最佳速比時(shí),質(zhì)量流量幾乎不隨速比的增加而變化;當(dāng)速比大于最佳速比時(shí),質(zhì)量流量快速下降。這是由于當(dāng)速比大于最佳速比時(shí),渦輪級(jí)做功減弱,效率急速下降造成的。定義功率系數(shù)αp=p/(ρN3D5),其中p為輸出功率,N為轉(zhuǎn)速,D為特征長(zhǎng)度,取葉輪直徑。從圖5給定的速比與功率系數(shù)分布曲線可以看出,在小速比情況下,功率系數(shù)較高,隨速比的增加,功率系數(shù)快速下降。當(dāng)速比大于最佳速比時(shí),功率系數(shù)下降緩慢。3.2變幾何結(jié)構(gòu)損失分析3.2.1不同速比下的傳動(dòng)損失采用導(dǎo)葉內(nèi)部實(shí)際流動(dòng)的動(dòng)能損失與其理想動(dòng)能之比定義渦輪導(dǎo)葉總動(dòng)能損失,ˉe=1-(p*1-p1)/(p*0-p1)*100%?p*0、p*1、p1分別表示導(dǎo)葉入口總壓,出口總壓以及出口靜壓。從圖6可以看出,三種渦輪的動(dòng)能損失均呈拋物線分布。隨速比的增加,動(dòng)能損失先增大,在大約ˉu=0.7時(shí)達(dá)到最大值,隨后損失減少。關(guān)小渦輪的導(dǎo)葉損失遠(yuǎn)大于開大渦輪和設(shè)計(jì)渦輪的導(dǎo)葉損失。這是由于關(guān)小渦輪的流道收斂度增加,增大了流道內(nèi)的摩擦損失造成的。從圖7導(dǎo)葉出口馬赫數(shù)分布圖上看,關(guān)小渦輪出口馬赫數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)渦輪和開大渦輪。這是由于安裝角減小,導(dǎo)致了透平流道收斂度急劇增加,流體在關(guān)小渦輪內(nèi)部過(guò)度膨脹,損失增大造成的。圖8給出了導(dǎo)葉出口靜壓系數(shù)分布曲線。定義靜壓系數(shù)cp=p/p*0,p為導(dǎo)葉出口靜壓,p*0為導(dǎo)葉入口總壓。隨著速比的增大,導(dǎo)葉出口靜壓升高,渦輪反動(dòng)度增大。在相同速比下,開大渦輪的反動(dòng)度要高于設(shè)計(jì)渦輪和關(guān)小渦輪的。3.2.2沖角損失評(píng)估變幾何渦輪不僅改變了導(dǎo)葉的安裝角,從而改變流道的收斂度,還直接影響了葉輪入口的沖角,從而影響了葉型表面的壓力分布以及附面層發(fā)展。圖9給出了葉輪沖角分布。關(guān)小渦輪的沖角均大于開大渦輪和設(shè)計(jì)渦輪的沖角,這是由于喉部面積減小,使導(dǎo)葉出氣角減小造成的。采用NACA的沖角損失計(jì)算公式進(jìn)行葉輪入口處的沖角損失評(píng)估,用沖角損失系數(shù)αL表示。αL=Lin/Hst,其中Lin為NASA模型定義的攻角損失,Hst為渦輪級(jí)的等熵焓降。Lin=W2/2(1-cosni),W是氣流進(jìn)入葉輪的相對(duì)速度;i為動(dòng)葉入口氣流角與最佳氣流角的差值;n為NASA推薦的經(jīng)驗(yàn)指數(shù),正沖角時(shí)n=2.5,負(fù)沖角時(shí)n=1.75。圖10是沖角損失系數(shù)隨速比的變化曲線。從圖中可以看出,沖角損失與速比的分布曲線為拋物線型。開大渦輪的最小沖角損失對(duì)應(yīng)速比約為0.5,設(shè)計(jì)渦輪最小沖角損失對(duì)應(yīng)速比約為0.6,關(guān)小渦輪最小沖角損失對(duì)應(yīng)速比約為0.7。結(jié)合圖9可得,沖角損失最小時(shí),開大渦輪、設(shè)計(jì)渦輪和關(guān)小渦輪對(duì)應(yīng)的沖角分別為-8.83°,-5.02°,-14.79°,均滿足文獻(xiàn)中的最佳沖角范圍。在小速比下,關(guān)小渦輪的沖角損失最大,開大渦輪的沖角損失最小。在大速比下,開大渦輪的沖角損失大于關(guān)小渦輪的沖角損失。因此,在小速比下宜采用開大渦輪,在大速比下宜采用關(guān)小渦輪。4可調(diào)導(dǎo)葉的影響本文采用數(shù)值模擬方法,在69%～130%的導(dǎo)葉葉柵設(shè)計(jì)通流面積范圍內(nèi),研究了非設(shè)計(jì)狀況下可調(diào)變幾何向心渦輪的通流特性。其結(jié)果如下:1)改變導(dǎo)向葉柵的安裝角,控制葉柵喉部尺寸的大小,不僅改變了流道的收斂度,同時(shí)也改變了葉柵入口的進(jìn)氣角度?？烧{(diào)導(dǎo)葉對(duì)渦輪性能的影響是葉柵收斂度、氣流沖角與出氣角的綜合影響。2)由于流道收斂度增加,流體在渦輪內(nèi)部過(guò)度膨脹,造成關(guān)小渦輪的導(dǎo)葉損失遠(yuǎn)大于開大渦輪和設(shè)計(jì)渦輪。相反,流道的收斂度不足,流體在流道內(nèi)部不能充分膨脹,造成開大渦輪的做功能力減弱。隨著速比的增大,渦輪反動(dòng)度增大,相同速比下,開大渦輪的反動(dòng)度要高于設(shè)計(jì)渦輪和關(guān)小渦