高壓渦輪導葉彎曲對氣動性能及動葉激振力的影響

潘賢德，陳鐵鋒

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海200241）

0 引言

葉輪機械內部存在各種各樣的流動損失，其中端區二次流損失是渦輪葉柵內重要的損失來源[1]。對于小展弦比渦輪，端區損失占總損失的比例可達30%～50%[2]，在大展弦比渦輪中隨著葉片負荷的逐漸增大，二次流問題也變得越來越突出，減少端區二次流損失是高效率渦輪設計的必要途徑。葉片彎曲設計正是控制葉柵內二次流動損失的一種有效手段[3-4]。

彎曲葉片成型方法自上世紀60年代初首次提出以來，受到世界各國研究人員的廣泛關注，并對其進行了大量的理論探討和試驗研究[5]。盡管彎曲葉片技術在葉輪機械上的應用前景得到了一定的驗證，但是由于葉柵的幾何和子午流道結構等的差異，對不同葉片應用彎葉片設計后取得的氣動性能的收益也各不相同，此外，彎曲形式和彎曲參數的選擇也會帶來截然不同的效果[6]。

國內對彎葉片的研究大多集中在對葉柵內氣動性能的影響上，然而由于葉輪機械內動葉旋轉固有的非定常屬性，葉片彎曲設計還可以通過改變葉片排的尾緣和相鄰葉片前緣的空間相位關系帶來一定的謁制動葉振動的效果[7]。羅羅公司2004年發表的論文展示了采用彎曲葉片抑制動葉振動的應用情況[8]，稱為wake-shaping技術，文中指出采用彎葉片設計，相對于直葉片，轉子葉片感受到的上游葉片尾跡沿徑向與其前緣的相對位置存在一定的相位差，轉子感受力的時間較長，故轉子振動較小，文中最終通過應用該技術使動葉激振力得到了明顯的削弱。目前，國內在彎曲葉片設計方面能夠同時關注氣動性能和對下游動葉振動影響的研究開展得很少。

本文對某雙級高壓渦輪一級導葉進行了正彎葉片設計，一方面采用商業軟件CFX 14.5進行了定常和非定常氣動全三維粘性計算，從流場細節分析了氣動性能提升的原因；同時還采用ANSYS 13.0對下游動葉開展了瞬態應力分析，分析了上游彎曲葉片對下游動葉激振力的影響。

1 物理模型及研究方法

1.1 研究對象

本文工作基于某雙級高壓渦輪性能試驗件開展，該性能試驗件采用無冷卻設計，各排葉片出口平均馬赫數約為0.87，展弦比（基于軸向弦長）分別為1.4、1.9、1.5 和 2.2.

對此高壓渦輪第一級導葉進行了正彎設計，設計目的一方面是獲取氣動性能的提升，另一方面是為了獲得渦輪一導出口尾跡的C型分布形式，以期能改善下游動葉激振力。為此，在DOE的基礎上，對一導彎葉片方案進行人工尋優，最終選擇一導形狀上端區正彎10°，下端區正彎25°方案。圖1給出了一導正彎設計葉型效果圖。圖2給出了彎曲葉片的定義。其中正彎葉片是指葉片壓力面在上下端區與端壁的夾角均為銳角的葉片，正傾斜葉片是指葉片壓力面在下端區與端壁成銳角而在上端區與端壁成鈍角的葉片。

圖1 一級導葉

圖2 彎曲葉片的定義

1.2 計算模型及網格劃分

本文針對基準直葉片方案和彎曲葉片方案采用CFX 14.5開展了氣動全三維粘性定常和非定常計算，其中非定常計算主要為了給強度分析提供邊界條件所用。定常計算時考慮了轉靜間的封嚴容腔，非定常計算將四排葉片的葉片數進行了約化和縮放，比例取4∶7∶4∶7，圖3給出了定常和非定計算的計算模型。

圖3 計算模型

網格劃分采用AutoGrid5軟件完成，各排葉片為H-O-H型結構化網格，單排網格數約為50W，徑向網格數為65層，間隙內網格層數13層，第一層網格厚度為6e-6 m.

1.3 計算設置

定常計算渦輪進口給定平均總溫、總壓和進氣方向，出口給定平均靜壓；壁面采用絕熱無滑移設置；轉靜交界面采用stage方式；周向兩側給定旋轉周期性邊界，邊界上對應點參數相等；計算時考慮了轉靜間封嚴腔及葉片外環吹氣，冷氣邊界給定進口流量、總溫及進氣方向，封嚴腔周向兩側給定旋轉周期邊界，軸向靠近靜子側為固定壁面，靠近轉子側為旋轉壁面。

湍流模型采用SST湍流模型，考慮定壓比熱容、動力粘性系數隨溫度變化情況。收斂標準設定為均方根殘差小于1E-5.

非定常計算轉靜交界面采用transient rotor stator；一個周期兩側給定旋轉周期性邊界。動靜葉間封嚴氣及外環吹氣冷氣邊界直接給定進氣流量、總溫和進氣方向。其余設置與定常計算相同。非定常計算迭代至監測參數出現明顯周期性認為計算收斂。

2 結果及分析

本文中非定常計算主要為了提取葉片表面壓力作為一級動葉振動強度分析的輸入，在分析氣動性能時除說明是非定常結果以外均為定常計算的結果。

2.1 對氣動性能的影響

計算所得性能參數如表1所示。由表可見，對于直葉片方案和彎曲葉片方案，在保持渦輪的匹配參數處于同一水平的前提下，彎葉片方案比直葉片方案效率提升了約0.1個百分點。其中一導損失降低1.5%，一動損失降低2.4%.

表1 性能參數

圖4非定常計算監測的一級效率也顯示彎葉片帶來0.1個百分點的收益。

圖4 非定常效率

下面對一級導葉采用彎曲設計對流場的影響進行詳細地分析。

2.1.1 一導本身性能的影響

圖5給出了一導出口總壓損失的徑向分布對比情況。

圖5 一導葉柵出口總壓損失分布

根據附面層遷移理論[3]，可以看出一導采用正彎設計后，由于產生了由指向葉片中部的順壓梯度，將原來堆積在角區的低能流體驅趕至主流中，彎葉片導葉下端區10%葉高以下總壓損失明顯低于直葉片，上端區90%葉高以上的總壓損失也有所減小，但是由于上端區彎角比下端區彎角來得小，所以損失降低得也就比較少。而在主流區，由于端區的低能流體向主流匯聚，導致10%～90%葉高范圍內的總壓損失有所增大，最終綜合起來一導彎葉片設計帶來一導本身的損失降低約為1.5%.

圖6給出了無量綱化的直葉片和正彎設計導葉出口的總壓云圖，對比兩圖可以看出采用彎葉片設計后一導下端區通道渦強度以及徑向和周向距離均明顯減小。彎葉片的附面層遷移理論既包括附著渦層的遷移即壁面附面層的重新分布，也包括自由渦層的遷移即漩渦運動的發展[9]，采用彎葉片將附著附面層驅趕到主流中，而在直葉片中由于端區低能流體堆積，加速了通道渦的發展，可以看到直葉片下端區通道渦已離開壁面往主流區發展，而在正彎葉柵中通道渦發展有所減緩。

圖6 一導出口總壓分布

對一導流場進行進一步分析，圖7給出了一導下端區5%葉高S1流面局部流線，由圖可見原直葉片中由于低能流體在下端區的堆積，一導下端區靠近尾緣處有較明顯的分離，正彎設計后分離基本消除。

圖7 一導5%截面處S1流面流線

除了改善徑向壓力梯度，導葉正彎對于橫向壓力也有影響，圖8給出了直葉片和彎葉片根中尖截面壓力分布對比情況，由圖可見彎葉片兩端區橫向壓差有所減小，而橫向壓差是二次流發展的主要動力，端區橫向壓差的減小將延緩通道渦的發展。

圖8 一導壓力分布對比

2.1.2 對下游一動性能的影響

一導正彎設計不僅使得自身損失降低，同時還能改善下游葉片進口的流動條件，圖9給出了一動出口總壓損失徑向分布，可以看到，由于上游導葉下端區的損失減小明顯，動葉下端區低能流體減少，使動葉流動有所改善，一動出口10%～30%葉高處的總壓損失對比明顯看出一導正彎后的一級動葉出口損失減小。

圖9 一動出口總壓損失分布

圖10 給出了非定常計算的同一時刻5%截面處S1流面上的熵云圖，可以看出直葉片方案由于一導下端區附面層內低能流體的堆積，導致流入一動通道的流體熵值和范圍均較大，低能流體將給一動內帶來較大的流動損失。

圖105 %葉高處的熵值云圖

2.2 對動葉振動的影響

非定常計算顯示，由于導葉彎曲設計改變了其出口尾跡的形狀，從而造成一動進口壓力沿葉高方向不同截面處相對于一動前緣在周向形成了一定的相位差，圖11給出了非定常計算同一時刻一動前緣的總壓分布云圖及其相對于一動前緣的相對位置。可以看出在直葉片中不同徑向截面上的周向壓力局部大值或局部小值沿徑向的連線幾乎都和一動前緣線平行，這將導致一動前緣在相對短的時間內通過這一區域，從而造成較大的激振力。而在彎葉片中上述局部壓力極值的徑向連線呈彎曲型分布，不再與動葉前緣平行，當動葉兩端通過周向局部極值時，葉中尚未到達極值區，從而延長了動葉通過極值區的時間，有利于一動激振力的減小。

圖11 一動進口相對總壓分布

由于一導出口尾跡呈現出C型分布，導致一動進口處流場等值線不再幾乎完全平行于葉高方向，圖12一動進口湍動能能較明顯看出彎葉片中沿周向流場變得更加無序，不再像直葉片中沿周向界限清晰，從一方面反映出流場沿周向相對均勻。圖13計算過程中監視的動葉前緣局部壓力也顯示彎曲葉片中壓力波動更小。有利于動葉激振力的減小。

圖12 一動進口湍動能

圖13 局部監測壓力

為了驗證導葉彎曲對下游動葉激振力的影響，采用ANSYS 13.0軟件對直葉片和彎葉片條件下的一動葉片開展瞬態應力分析，提取氣動非定常計算所得的通過一個導葉通道不同時刻的某動葉葉片表面壓力作為強度分析的輸入，計算一級動葉通過一個導葉通道時動葉葉身應力隨時間的變化情況。

有限元計算模型見圖14所示，計算時，約束榫頭擠壓面法向位移和后擋板接觸面軸向位移，動葉工作時的載荷只考慮氣動力載荷不考慮離心力載荷和溫度載荷。把一個導葉通道時間分成7等份，將氣動提供的的某動葉葉片表面壓力作為載荷加載在動葉葉身上進行計算。

圖14 強度分析模型

葉片網格模型見圖15，葉身采用四面體網格，榫頭采用六面體網格，中間用五面體網格過度，共計136 972個單元，220 038個節點。

圖15 強度分析網格

分別選取葉盆和葉背葉根中部位置的大應力區域作為分析對象，提取直導葉和彎導葉尾流激振作用下的葉根應力隨時間變化曲線，對比曲線見圖16，可以看到彎葉片激勵作用下的一動葉身應力在不同時刻均處于直葉片動葉應力之下。導葉采用彎葉片削弱了下游一動葉身的激振力。

圖16 葉根節點等效應力隨時間變化

強度分析結果表明，在新載荷作用下，葉盆、葉背最大等效應力均有顯著下降，下降幅度約為10%～15%.

3 結論

本文對某高壓渦輪一級導葉進行了彎葉片設計，并進行了氣動全三維數值計算，同時對下游動葉的振動情況進行了強度分析，得出結論如下：

（1）導葉采用正彎葉片設計，在獲得一定的性能收益的同時，削弱了下游動葉的激振力。

（2）一級導葉采用正彎設計，一方面形成由端區指向主流的徑向壓力梯度，使得堆積在端區附面層內的低能流體向主流區遷移，減少了端區損失增加了葉中損失；同時，彎葉片還使端壁處橫向壓差減小，減少了端壁上的橫向流動；另一方面導葉正彎設計還改善了下游動葉的進口流動條件，減少了動葉通道內的損失，最終使得高壓渦輪級效率提升0.1個百分點，彎葉片帶來的實際性能收益有待試驗驗證。

（3）上游導向葉片采用正彎設計使得下游動葉的激振力減少了約10%～15%，導葉采用彎葉片一方面改變了導葉的尾跡形狀，使得動葉前緣處不同徑向位置形成一定的周向相位差，另一方面也使得動葉進口流場變得更加均勻，有利于削弱下游動葉激振力。

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