局部進氣沖擊式壓力級渦輪設(shè)計優(yōu)化研究

李 瑜，朱東華，許開富，付 瑜

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

空氣渦輪火箭發(fā)動機(ATR)是將航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機有機融合的一種組合動力發(fā)動機，其綜合性能好、推重比大，具有寬廣的速度和高度工作范圍，并且擁有較高的比沖[1]。空氣渦輪火箭發(fā)動機原理如圖1所示[2]。渦輪在整個發(fā)動機中處于重要的位置，其特性決定了整個發(fā)動機的綜合性能。

圖1 ATR結(jié)構(gòu)示意圖

空氣渦輪由于流量低，一般采用局部進氣沖擊式渦輪進行設(shè)計。嚴俊峰[3]采用數(shù)值方法研究了某單級沖擊式渦輪內(nèi)部流動，認為沖擊式渦輪內(nèi)部流場復雜，渦輪轉(zhuǎn)子的激波損失較大，造成氣流在靠近尾緣部分分離嚴重。李旭升[4]對某全周進氣超音速沖擊式氧渦輪進行了氣動優(yōu)化研究，在原始葉型的基礎(chǔ)上，通過葉型優(yōu)化，使得渦輪的效率提高，渦輪的做功能力增強。本文以液體火箭發(fā)動機渦輪泵原理為基礎(chǔ)，建立了兩級局部進氣沖擊式壓力級渦輪的設(shè)計方法和流程，完成了某空氣渦輪火箭發(fā)動機渦輪的原始設(shè)計，并對原始設(shè)計的渦輪葉型進行了優(yōu)化設(shè)計，提高了渦輪的性能。

1 渦輪方案選擇

某空氣渦輪火箭發(fā)動機渦輪設(shè)計時要求流量低、壓比高，并且對效率和結(jié)構(gòu)有嚴格限制。在高壓比條件下，如果采用單級渦輪進行設(shè)計，則單級的焓降大、級出口的余速無法有效利用，因此單級渦輪的效率非常低，如果采用兩級渦輪共同分擔焓降，則兩級的流速均會減少，同時第一級的余速可在第二級中得到利用，因此渦輪的有效功增加，效率提高[5]。由于渦輪流量和結(jié)構(gòu)的限制，如果采用全周進氣，則葉片高度太低，二次流損失的比例非常大，為了減少這部分損失，就必須限制葉片的最小高度，因此采用局部進氣進行渦輪的設(shè)計[6]。如果采用反力式渦輪設(shè)計，則動葉進、出口的壓降會給渦輪盤帶來較大的軸向力[7]，并且動葉的進氣弧段和非進氣弧段之間的壓差會引起鼓風損失和弧端損失進一步增大[8]，使渦輪效率降低，而沖擊式渦輪動葉的進、出口壓力基本相等，渦輪盤基本上不存在軸向力。初步選擇了兩級沖擊式速度級和兩級沖擊式壓力級兩種方案，速度分級中所有壓降在第一級靜葉產(chǎn)生，因此第一級靜葉出口馬赫數(shù)非常高，局部會產(chǎn)生很大的激波損失，而壓力級通過兩級靜葉分別承擔部分壓降，靜葉出口馬赫數(shù)降低，激波損失減少，渦輪效率較高，因此選擇兩級沖擊式壓力級作為最終的方案。在兩級局部進氣結(jié)構(gòu)中，每一級都存在局部進氣度，如果第二級的局部進氣度小于第一級的，則第一級動葉部分做功弧段出口的高速動能不能充分利用，氣流產(chǎn)生堵塞，渦輪效率較低；反之如果第二級的局部進氣度過于大于第一級的局部進氣度，則第一級動葉非做功弧段正對的第二級靜葉中，氣流無法有效加速，使得第二級的做功能力減少，渦輪效率降低，因此第二級的局部進氣度最好略大于第一級的，第二級靜葉的進氣部分可以完全包絡(luò)從第一級動葉做功弧段出來的高速氣流，氣流的高速動能得到有效利用，渦輪的總體性能較高。綜合上述分析，最終選擇兩級局部進氣沖擊式壓力級渦輪的作為最終的設(shè)計方案。

2 渦輪設(shè)計流程

根據(jù)以上的渦輪設(shè)計方案，建立了兩級局部進氣沖擊式壓力級渦輪的設(shè)計方法，如圖2所示。該設(shè)計方法的主要步驟和特點如下：

1)根據(jù)總體的設(shè)計參數(shù)和約束條件，選擇兩級局部進氣沖擊式壓力級的渦輪方案；

2)初步給定兩級的壓降分配值，進行一維設(shè)計，得到葉型的幾何參數(shù)和流動參數(shù)，查看兩級的局部進氣度是否滿足渦輪方案設(shè)計要求，如不滿足則調(diào)整級間壓降分配值或重新進行一維設(shè)計，直到兩級局部進氣度滿足渦輪方案設(shè)計要求；

圖2 渦輪設(shè)計流程

3)根據(jù)一維設(shè)計得到渦輪葉型的幾何參數(shù)和流動特性參數(shù)，進行渦輪葉片三維造型；

4)采用全三維數(shù)值方法，按全周進氣的假設(shè)進行兩級渦輪單通道的數(shù)值計算，校核單通道條件渦輪設(shè)計的結(jié)果；

5)根據(jù)一維設(shè)計的兩級局部進氣度，進行兩級靜葉周向弧段相對位置匹配設(shè)計；

6)進行兩級全三維局部進氣結(jié)構(gòu)流場的數(shù)值計算，校核渦輪總體性能參數(shù)(質(zhì)量流量和效率)是否達到要求，如不滿足則修改渦輪葉片三維造型，重新計算，直到最終的渦輪性能參數(shù)達到設(shè)計要求為止；

7)建立的一維熱力設(shè)計程序，可以根據(jù)渦輪級數(shù)的需要和局部進氣的需要隨時調(diào)整各項參數(shù)重新進行渦輪的設(shè)計，選擇沖擊式或反擊式，壓力級或速度級等不同類型渦輪進行設(shè)計。

在葉片的二維造型中，選擇的是貝塞爾曲線進行造型，這種曲線的特點是只需要少量的控制點就可以得到相對平滑、曲率連續(xù)的二維型線，并且局部控制點的變化不會對整個型線造成太大的影響；在葉片的三維積疊成形中，選擇的是直葉片葉型設(shè)計，彎、扭葉型從理論上可以提高渦輪總體的性能參數(shù)，但是對于短葉片的設(shè)計，彎扭葉片帶來的效率提高非常有限，而且會帶來加工工藝的復雜性；靜葉出口幾何角決定了動葉的做功能力，為了保證靜葉出口幾何角沿葉高相等，因此靜葉的空間積疊中心在葉型的尾緣上，而動葉處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，承受較大的離心力和彎曲應(yīng)力，動葉的空間積疊中心在葉型的重心上。

在兩級局部進氣弧段進行設(shè)計時，由于兩級均是非全周進氣，在流動中會存在很大的局部進氣損失，這種損失和進氣弧段數(shù)目有關(guān)，進氣弧段數(shù)越多，局部進氣損失越大[9]，一個進氣弧段時，局部進氣損失最小，但是渦輪轉(zhuǎn)子將承受較大的徑向力，因此最終采用兩個進氣弧段進行設(shè)計，既減少了局部進氣損失又平衡了徑向力。

3 一維熱力設(shè)計

根據(jù)建立的渦輪設(shè)計方法進行一維熱力設(shè)計，得到各級葉片進、出口的幾何參數(shù)，主要包括葉片的根部直徑、頂部直徑、葉片數(shù)、葉片厚度和葉片進出口幾何角，以及葉片流動特性參數(shù)，主要包括葉片進出口的速度、馬赫數(shù)、壓力和溫度等流動參數(shù)，并且第二級的局部進氣度稍大于第一級的局部進氣度。

4 葉片幾何葉型

渦輪進出口的壓比太高，即使采用兩級渦輪進行設(shè)計，第一級靜葉出口仍達到了超音速狀態(tài)，因此將第一級靜葉通道設(shè)計成減縮—擴張葉型。根據(jù)一維設(shè)計得到的渦輪幾何和性能參數(shù)，采用Numeca軟件AutoBlade模塊建立渦輪葉片二維模型。圖3中黑色的虛線為設(shè)計的原始葉型。

圖3 渦輪二維幾何葉型

5 數(shù)值方法及邊界條件

采用商業(yè)軟件CFX進行計算，數(shù)值方法采用k-ω-sst湍流模型，近壁面采用Automatic方式進行處理。在數(shù)值計算中，各位置狀態(tài)的流動參數(shù)變化非常大，y+的變化范圍從幾到幾百，而k-ω-sst湍流模型的近壁面采用Automatic方法，該方法的特點是當計算的y+小于壁面函數(shù)要求時，近壁面附近的流動采用的是低雷諾數(shù)模型進行處理，當計算的y+在壁面函數(shù)范圍時，近壁面附近的流動采用壁面函數(shù)法進行處理，對近壁面處理的適應(yīng)性好，帶來的數(shù)值誤差也小。

混合平面法是動靜之間交接面周向平均化的一種數(shù)據(jù)處理和傳遞方法，在單通道計算時動靜之間采用混合平面法；而凍結(jié)轉(zhuǎn)子法可以根據(jù)動靜之間的實際位置進行相關(guān)參數(shù)的傳遞，非常適合沿周向結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一的局部進氣結(jié)構(gòu)，在全周局部進氣結(jié)構(gòu)計算時動靜之間采用的是凍結(jié)轉(zhuǎn)子法。

渦輪進口給定總溫和總壓，渦輪出口給定平均靜壓，各葉片表面給定絕熱、無滑移邊界條件。

6 單通道結(jié)構(gòu)計算及優(yōu)化結(jié)果分析

按照流量和局部進氣度關(guān)系換算到全周進氣進行單通道三維數(shù)值計算，在計算時不考慮局部進氣、動葉葉頂間隙和級間泄漏的影響。通過計算，對結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)設(shè)計的原始葉型并不理想：葉片表面壓力和葉片表面極限流線均存在較大問題：葉片表面壓力存在較大的逆壓梯度，葉片表面極限流線有回流現(xiàn)象，流動損失較大。

因此返回渦輪葉片三維造型設(shè)計流程步驟，采用手動反復修改、調(diào)整葉型曲線控制點的方法進行葉型的優(yōu)化設(shè)計，然后在兩級聯(lián)算條件下重新計算，考核渦輪的流量和效率等性能參數(shù)，直至獲得比較滿意的渦輪性能為止。

6.1 總體性能參數(shù)

表1給出了優(yōu)化前后兩級渦輪總體性能參數(shù)，主要包括流量和效率。從表1中可以看出，優(yōu)化后相對于原始葉型，渦輪的流量僅減少了約5%，同時渦輪效率提高了2%，達到了優(yōu)化的目的。

表1 優(yōu)化前后渦輪總體性能參數(shù)

6.2 葉片表面靜壓分布

圖4給出了優(yōu)化前后各級葉片表面中徑處無量綱壓力的分布，結(jié)合圖3的渦輪幾何葉型，可以看到優(yōu)化后第一級靜葉安裝角減少、喉部位置向進口移動，因此葉片表面壓力下降位置提前發(fā)生；并且尾緣楔角減少，使葉片壓力面和吸力面的壓差減少，對喉部下游超音速流動起到了很好的整流作用[10]。第一級動葉葉型做了局部調(diào)整，調(diào)整后50%軸向弦長吸力面的壓降減少，其余位置的壓力改變較小。第二級靜葉的原始攻角過大、在70%軸向位置吸力面存在較大的逆壓梯度，有激波產(chǎn)生、并且整個葉型通道為縮放形式，但出口馬赫數(shù)僅為0.85。優(yōu)化后，第二級靜葉進口幾何角減少，因此攻角減少，使得前緣附近吸力面的逆壓梯度消失；優(yōu)化后出口幾何角及尾緣楔角也同時減少，并且將葉型通道由縮放形式改為收縮形式，出口馬赫數(shù)提高到近音速1.04，在近音速流動狀態(tài)收縮通道可以明顯降低流動損失[11]。第二級動葉原始葉型進口是負攻角，氣流在前緣位置產(chǎn)生制動作用，對第二級動葉葉型進行了局部調(diào)整，由于第二級靜葉出口幾何角減少，引起第二級動葉從負攻角變成了正攻角，葉片表面壓力分布曲線更加飽滿，提高了動葉的做功能力。

6.3 第二級靜葉極限流線分布

圖5給出了優(yōu)化前后第二級靜葉表面的極限流線分布。原始葉型70%軸向位置吸力面存在較大的逆壓梯度，有激波產(chǎn)生，沿整個葉高的極限流線速度比較低，型面損失較大。將葉型通道由縮放形式改為收縮形式，氣流在通道內(nèi)流持續(xù)加速，70%軸向位置逆壓區(qū)域消失，流動情況改善。

圖4 葉片表面中徑位置無量綱壓力分布

7 全周結(jié)構(gòu)計算驗證

對優(yōu)化前后葉型在單通道條件下進行了計算分析，總體上渦輪內(nèi)部流動情況改善，損失減少，渦輪效率明顯提高，本節(jié)首先對兩級的局部進氣弧段進行了設(shè)計，然后對優(yōu)化后的葉型進行了全三維局部進氣的數(shù)值計算驗證。

和單通道結(jié)構(gòu)不同，全周結(jié)構(gòu)增加了兩級靜葉的局部進氣部分、動葉葉頂間隙和級間密封結(jié)構(gòu)。兩級靜葉沿周向180°劃分為兩個相等的進汽弧段進行局部進氣結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖6所示。

7.1 總體性能參數(shù)

全周結(jié)構(gòu)渦輪總體性能參數(shù)如表2所示。可以看到考慮局部進氣結(jié)構(gòu)、動葉葉頂間隙和級間密封結(jié)構(gòu)后，渦輪效率比單通道計算的低8.7%。可見局部進氣結(jié)構(gòu)、動葉葉頂間隙泄漏和級間密封結(jié)構(gòu)泄漏引起的損失在整個渦輪效率中占據(jù)較大的比例，在渦輪的設(shè)計中是不可忽略的因素。設(shè)計的流量比總體要求的流量大5.7%，考慮到實際產(chǎn)品的加工精度、尺寸公差等因素，設(shè)計的流量應(yīng)該保留一些裕度，比要求的流量大一些；總體要求的渦輪效率為52%，本文設(shè)計的渦輪效率為53.56%，滿足總體的設(shè)計要求。

圖5 第二級靜葉葉片表面極限流線

圖6 全三維局部進氣結(jié)構(gòu)模型

表2 全周結(jié)構(gòu)渦輪總體性能參數(shù)

7.2 中徑位置流動參數(shù)

圖7給出了其中一個進氣弧段中徑位置相對馬赫數(shù)云圖和流線分布。

從圖7的相對馬赫數(shù)云圖可以看出兩級靜葉弧段沿周向匹配較好，第二級的局部進氣度稍大，因此第二級靜葉進口弧段可以完全將第一級動葉出口的高速氣流充分包絡(luò)。第一級靜葉出口最大馬赫數(shù)為1.95，出口速度分布比較均勻，兩級動葉流道中馬赫數(shù)較低，兩級動葉吸力面均存在一定的低馬赫數(shù)區(qū)域。從流線分布圖上可以看到，兩級動葉進氣弧段通道內(nèi)流線分布均勻，未出現(xiàn)大的分離渦，其余動葉非進氣弧段通道中流速較低、不參與做功。

8 結(jié)論

初步探討了小流量、高壓比渦輪的設(shè)計思路，并建立了兩級局部進氣沖擊式壓力級渦輪的設(shè)計方法，通過本文的研究主要得到以下結(jié)論：

1)在設(shè)計條件下，采用兩級局部進氣沖擊式壓力級方式設(shè)計的渦輪性能可以滿足小流量、高壓比渦輪的設(shè)計要求。

2)在超音速靜葉通道設(shè)計中，喉部位置靠近靜葉入口，并選擇較小的尾緣契角，可以實現(xiàn)對超音速流動的有效控制。

3)動葉壓力面和吸力面的壓差決定了動葉的做功能力，因此動葉入口保持適當?shù)恼ソ怯兄谔岣邉尤~的做功能力。

圖7 中徑位置相對馬赫數(shù)云圖和流線分布

4)在多級局部進氣結(jié)構(gòu)中，進行進氣弧段的設(shè)計時需要綜合考慮局部進氣損失和徑向力平衡。

5)在渦輪設(shè)計過程中，局部進氣結(jié)構(gòu)、動葉葉頂間隙泄漏和級間密封結(jié)構(gòu)泄漏引起的損失在渦輪效率中占據(jù)較大的比例，不可忽略。