新型高負(fù)荷氦氣壓氣機的三維級性能研究

龍艷麗，徐立民，于景磊

(1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001;2.中船重工第703研究所，黑龍江 哈爾濱150036)

能源的日益枯竭和新型能源的發(fā)展，使燃氣輪機發(fā)電行業(yè)進入了一個嶄新的階段.高溫氣冷堆與閉式循環(huán)燃氣輪機的結(jié)合[1]，使得氦氣輪機發(fā)電技術(shù)日益成為人們關(guān)注的焦點.理論研究表明，高溫氣冷堆采用布雷登循環(huán)，用高溫氦氣直接驅(qū)動透平的發(fā)電效率超出汽輪機發(fā)電效率近10%.此外，高溫氣冷堆氦氣輪機用于船舶動力也有很大優(yōu)勢，包括潛艇和運輸商船.可見，高性能的氦氣輪機在燃機行業(yè)中有更好的前景[2].然而我國在氦氣輪機的研究方面進行的比較少，而出于商業(yè)目的，國際上對該研究的相關(guān)數(shù)據(jù)高度保密.

相對于空氣，氦氣是一種很難壓縮的氣體.如果按常規(guī)的空氣壓氣機葉型設(shè)計方法來選擇各項參數(shù)，又要滿足高效率的要求，單級壓比將會很低，據(jù)此設(shè)計的滿足整機壓比的氦氣壓氣機，級數(shù)和軸向尺寸將會大幅增加.如果保持流量系數(shù)不變，提高單級壓比，減少氦氣壓氣機級數(shù)，就需要提高反動度，增大稠度，但這將會使效率降低.為了提高壓氣機的級壓比，可以選擇的方法是采用大轉(zhuǎn)折角葉柵.在空氣壓氣機設(shè)計中采用大折轉(zhuǎn)角葉柵的研究國外已經(jīng)開展多年[3-8]，但是應(yīng)用在氦氣壓氣機的設(shè)計方面還很少.本文應(yīng)用適用于氦氣壓氣機的大轉(zhuǎn)折角平面葉柵和基元級性能的研究結(jié)果，進行高負(fù)荷三維級和常規(guī)設(shè)計三維級造型，并對三維級流場進行數(shù)值模擬，探索新型設(shè)計方法用于高負(fù)荷三維級的可能性.

1 新型基元級速度三角形

能夠顯著增加氦氣壓氣機級加功量(即歐拉功h=U×ΔCu)的辦法是采用如圖1所示的大轉(zhuǎn)折角速度三角形(空氣軸流壓氣機級的典型速度三角形如圖2所示)，這種速度三角形的思路更早地見著于文獻[9]，它利用氦氣音速高的特點，成倍增加了氣流速度，達到了中等亞音速，結(jié)果使扭速ΔCu成倍增加，達到了在輪周速度U不變的前提下成倍增加歐拉功的目的.盡管新型速度三角形的動葉和靜葉氣流轉(zhuǎn)折角很大，從常規(guī)經(jīng)驗看起來可能面臨擴壓負(fù)荷難以承受的困難，但是按照傳統(tǒng)方法計算的葉型擴壓因子數(shù)值并不大，這就為實現(xiàn)這種新型速度三角形和葉型提供了可能.

圖1 適用于氦氣的大轉(zhuǎn)折角速度三角形Fig.1 New velocity triangle for the helium compressor

圖2 空氣軸流壓氣機級的典型速度三角形Fig.2 Typical velocity triangle for the axial air compressor

2 三維級氣動設(shè)計

2.1 高負(fù)荷三維級氣動設(shè)計

為了提高氦氣壓氣機的級壓比以減少級數(shù)，文獻[10]對一種可顯著增加氦氣壓氣機級加功量的大轉(zhuǎn)折角新型葉柵的流場進行了數(shù)值模擬研究.本文利用平面葉柵數(shù)值試驗整理出的葉型損失系數(shù)和落后角關(guān)聯(lián)曲線，針對高負(fù)荷基元級性能研究結(jié)果的較佳方案，兼顧葉片頂、中、根徑向三截面的均衡匹配，利用等環(huán)量和等功沿徑設(shè)計規(guī)律，進行了高負(fù)荷三維級的氣動設(shè)計，參數(shù)見表1.其中，Ma1為動葉相對進氣馬赫數(shù)，Ma2為靜葉進氣馬赫數(shù)，β1p為動葉進口幾何角，β2p為動葉出口幾何角，α2p為靜葉進口幾何角，α3p為靜葉出口幾何角.

表1 高負(fù)荷三維級參數(shù)表Table 1 Parameters of the high-loaded three-dimensional stage

2.2 常規(guī)設(shè)計三維級氣動設(shè)計

平面葉柵數(shù)值試驗范圍涵蓋了常規(guī)設(shè)計的取值范圍(如馬赫數(shù)、進氣角、出氣角等參數(shù))，因此常規(guī)設(shè)計的三維級氣動設(shè)計也使用平面葉柵數(shù)值試驗整理出的葉型損失系數(shù)和落后角關(guān)聯(lián)曲線，采用等環(huán)量和等功沿徑設(shè)計規(guī)律，其參數(shù)見表2.

表2 常規(guī)設(shè)計三維級參數(shù)表Table2 Parameters of three-dimensional stage under normal design

2.3 高負(fù)荷三維級氣動設(shè)計的比較結(jié)論

從表1和表2可以看出，同樣的U=300 m/s和Ω=0.5條件下，高負(fù)荷設(shè)計的三維級負(fù)荷超出常規(guī)設(shè)計的2倍還要多;常規(guī)設(shè)計的Ma較小，φ較小;幾何參數(shù)上的差別:高負(fù)荷設(shè)計的三維級動葉葉根處葉型幾何轉(zhuǎn)折角達到了58.5°，而常規(guī)設(shè)計的幾何轉(zhuǎn)折角為 43.3°.

3 三維級氣動性能數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬計算方法

數(shù)值求解計算采用NUMECA FINETM/TURBO的EURANUS求解器，差分格式選為二階精度的中心差分格式.計算域包括動葉、靜葉、進口延伸段、出口延伸段.進口距動葉前緣約1倍葉片弦長，出口距靜葉后緣約2倍葉片弦長.2種方案均采用AutoGrid模塊自動生成計算域的網(wǎng)格，動葉和靜葉網(wǎng)格均采用Skinmesh型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，考慮動葉的葉頂間隙，間隙高度1 mm，間隙內(nèi)采用蝶形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.在網(wǎng)格生成過程中，考慮粘性流場計算中低雷諾數(shù)湍流模型的應(yīng)用，捕捉近壁面湍流附面層流動的詳細流動特征，加密靠近壁面的網(wǎng)格，近壁面第一層網(wǎng)格距離固壁距離取0.01 mm，將y+值控制在一定的低雷諾數(shù)湍流模型要求的范圍之內(nèi).

3.2 三維級氣動性能數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 高負(fù)荷三維級數(shù)值模擬結(jié)果

本文除計算高負(fù)荷三維級設(shè)計流量下的流場性能外，還對高負(fù)荷三維級在90%和110%設(shè)計流量下流場進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果見表3.

表3 高負(fù)荷三維級性能計算結(jié)果Table 3 Performance result of high-loaded three-dimensional stages

圖3和4分別給出了高負(fù)荷三維級動葉和靜葉葉片流道不同高度切面速度矢量圖，圖5～7給出了高負(fù)荷三維級在各個工況下葉片吸力面的極限流線.

圖3 高負(fù)荷三維級設(shè)計點動葉3種葉高速度矢量Fig.3 Velocity vector under design point in three kinds of rotor height of the high-loaded three-dimensional stage

圖4 高負(fù)荷三維級設(shè)計點靜葉3種葉高速度矢量Fig.4 Velocity vector under design point in three kinds of stator height of the high-loaded three-dimensional stage

從圖3～7中可以看出，高負(fù)荷三維級設(shè)計流量情況下，動葉的高速轉(zhuǎn)動以及輪轂的影響，動葉10%葉高尾緣葉背處出現(xiàn)較大的分離渦，在50%葉高及以上部分，流動狀態(tài)比較良好，動葉尾緣葉背處分離較小.在動葉根部和靜葉頂部的壁面附近有從壓力面到吸力面的橫向流動和尾渦，這主要是因為附面層內(nèi)速度小，層內(nèi)氣流所產(chǎn)生的離心慣性力不足于平衡壓力面到吸力面的橫向作用力，產(chǎn)生了二次流.而在兩列葉片中間沿軸向方向截面(即S2流面)頂端有分離流，這主要是因為動葉轉(zhuǎn)動是刮過附面層而產(chǎn)生的刮擦渦.上面這些渦流和分離流都會造成能量損失，使壓氣機的效率和壓頭下降.流量降低到設(shè)計流量的90%時，效率提高了0.2%，這是因為流量的減小使得攻角偏向了最佳攻角，葉型損失降低，因此效率有所提高.而在110%設(shè)計流量的情況下，雖然動葉葉背分離流動獲得較大改善，但由于堵塞效應(yīng)影響較大，效率并未見有明顯改善.

圖8～9分別給出了高負(fù)荷三維級設(shè)計工況時各個徑向截面軸向、徑向速度沿徑向分布.從圖中可以看出，靜葉出口氣流軸向速度分布不均，葉根部分氣流軸向分速偏小，但偏差不是很大，而此時的氣流具有一定徑向速度，這是由于附面層不斷增厚，使得氣流向中間流到擠壓，從而使徑向分速增加.

圖5 高負(fù)荷三維級設(shè)計工況葉片吸力面極限流線Fig.5 Limited streamline of suction-face on blade under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖6 高負(fù)荷三維級90%流量工況葉片吸力面極限流線Fig.6 Limited streamline of suction-face on blade under 90%flux condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖7 高負(fù)荷三維級110%流量工況葉片吸力面極限流線Fig.7 Limited streamline of suction-face on blade under 110%flux condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖8 高負(fù)荷三維級設(shè)計點軸向速度沿徑向分布Fig.8 Radial distribution of axial velocity under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖9 高負(fù)荷三維級設(shè)計點徑向速度沿徑分布Fig.9 Radial distribution of axial velocity under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖10給出了高負(fù)荷三維級設(shè)計工況下各個徑向截面處總壓沿徑向分布，從圖中可以看出，總壓在各個截面處變化不大，在動葉出口處總壓達到最大.

圖10 高負(fù)荷三維級設(shè)計點總壓沿徑向分布Fig.10 Radial distribution of total pressure under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

3.2.2 常規(guī)設(shè)計三維級數(shù)值模擬結(jié)果

計算了常規(guī)設(shè)計三維級設(shè)計流量下的流場性能，計算結(jié)果見表4.

表4 常規(guī)設(shè)計三維級性能計算結(jié)果Table 4 Performance result of the normal design three-dimensional stages

圖11給出了常規(guī)設(shè)計三維級葉片葉背極限流線，從圖中可以看出，常規(guī)設(shè)計情況下，各個截面處流場狀況良好，各葉片葉背基本未出現(xiàn)分離流動.

圖11 常規(guī)設(shè)計三維級葉片吸力面極限流線Fig.11 Limited streamline of suction-face on blade under design condition of the normal design three-dimensional stage

圖12～13分別給出了常規(guī)設(shè)計三維級設(shè)計工況下各個徑向截面處軸向和徑向速度沿徑分布，徑向竄流在一個很小的速度值范圍內(nèi)變動，各半徑位置處的徑向速度在動葉出口處達到最大值，但相對軸向速度要小很多，對壓氣機的效率影響較小.

圖12 常規(guī)設(shè)計三維級設(shè)計點軸向速度延徑分布Fig.12 Radial distribution of axial velocity under design condition of three-dimensional stage for normal design

圖14給出了常規(guī)設(shè)計三維級設(shè)計工況下各個徑向截面總壓沿徑分布.容易看出，總壓在動葉出口位置達到最大，在葉片中徑截面處，氣流流過葉柵后，總壓損失最小.葉根和葉頂位置由于存在固壁以及間隙的影響，各位置處的總壓變化較大.

圖13 常規(guī)設(shè)計三維級設(shè)計點徑向速度分布Fig.13 Radial distribution of radial velocity under design condition of three-dimensional stage for normal design

圖14 常規(guī)設(shè)計三維級設(shè)計點總壓沿徑向分布Fig.14 Radial distribution of total pressure under design condition of three-dimensional stage for normal design

3.2.3 高負(fù)荷三維級數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

通過以上分析，可以得出:高負(fù)荷三維級的級壓比是常規(guī)設(shè)計的2倍多，負(fù)荷獲得較大提升，盡管高負(fù)荷三維級的流場在動葉10%葉高葉型尾緣處有較大的分離，但是效率還能維持較高的水平(高達89.86%);常規(guī)設(shè)計三維級流場狀況良好，除了葉根和葉頂附近由于附面層使氣流發(fā)生徑向竄流外，各個葉片截面未出現(xiàn)分離;高負(fù)荷三維級軸向、徑向速度、總壓與常規(guī)設(shè)計變化規(guī)律基本一致.

4 結(jié)論

計算了高負(fù)荷和常規(guī)設(shè)計的三維級性能，并分析相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，現(xiàn)總結(jié)如下:

1)高負(fù)荷基元級沿徑積疊成三維級是可行的，可以適應(yīng)反動度、馬赫數(shù)等流動條件沿徑向的變化，各項參數(shù)是合理的.相同條件下，高負(fù)荷設(shè)計的三維級負(fù)荷是常規(guī)設(shè)計的2倍多;常規(guī)設(shè)計的馬赫數(shù)、流量系數(shù)、葉型幾何轉(zhuǎn)折角與高負(fù)荷設(shè)計相比較小.

2)高負(fù)荷設(shè)計三維級方案設(shè)計點的級壓比達到1.138 8，級壓比是常規(guī)設(shè)計的2倍多.此外，高負(fù)荷三維級在10%葉高處動葉吸力面尾緣有較大的分離，而常規(guī)設(shè)計三維級流場狀況良好.

3)采用大轉(zhuǎn)折角彎曲葉型能有效減少氦氣壓氣機葉片數(shù)、尺寸和重量.采用高負(fù)荷彎曲葉柵將是研發(fā)高負(fù)荷氦氣壓氣機可采取的措施之一.

為了進一步驗證大轉(zhuǎn)折角葉片設(shè)計適用于高負(fù)荷氦氣壓氣機，本課題將繼續(xù)進行實驗研究.

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