微型渦輪發電機J型彎曲靜葉設計研究

張遠森

摘 ?要：本文采用數值計算研究了J型彎曲靜葉的彎高和彎角對微型渦輪機軸流渦輪級性能的影響，結果表明，當J型靜葉彎高和彎角分別為1和5°時，對渦輪性能的改善效果最佳，將此成果應用于微型渦輪機跨音軸流渦輪靜葉，渦輪流量、輪緣功以及級效率分別達到了1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，較初始方案分別提高了0.96%、0.54%和0.88%。

關鍵詞：J型彎曲靜葉;微型渦輪發電機

中圖分類號：TK14 ? ?文獻標識碼：A

近年來，分布式能源向小型化，多樣化和智能化發展[1]。微型燃氣輪機作為分布式能源的主要動力裝置，具有能源利用率高，環境污染小，經濟效益好等特點，得到了迅速發展。Capstone和Elliott等公司于1995年先后推出了功率35kw～200kw量級的第一代微型燃氣輪機，熱功效率為22.5%～33%，根據美國能源部于2003年提出的“先進微型燃氣輪機規劃”要求，新一代微型渦輪機發電效率至少達到40%，指標較之前有大幅提升。因此研究者不斷引入新概念、新技術，同時對部件性能提出了更高的要求。渦輪作為微型渦輪機核心部件之一，對其指標也提出了更高的要求。通常情況下厘米級軸流渦輪為降低成本，一般采用性能較差的直葉片，而在常規尺度葉輪上，由王仲奇教授提出的葉片彎扭聯合氣動成型[2]，作為一種能顯著改善葉輪效率的手段已被廣泛應用于汽輪機[3]，燃氣輪機和航空發動機上[4-5]。隨著技術水平的進步和葉輪整體精密鑄造技術的普及，使彎、扭、掠等氣動造型應用于微型渦輪成為了可能。

鑒于彎葉片在提高葉輪性能的重要作用以及微型軸流渦輪自身的特點：渦輪葉片徑向高度短，端壁損失較常規尺度葉輪大，開展微型渦輪彎葉片設計研究可提高渦輪效率。本文基于某200kW微型渦輪發電機渦輪部件，通過數值計算的方法研究了J型彎曲靜葉彎高和彎角對渦輪部件性能的影響規律，確定了J型彎曲靜葉積迭參數選取規律，并獲得了較優的J型彎曲靜葉設計方案。

1.渦輪初始方案介紹

本研究基于某200kW微型渦輪發電機開展，該微型渦輪機發電功率為200kw，整機熱效率達40.93%。渦輪部件采用軸流式渦輪，內徑和外徑分別為0.16m和0.18m。

數值計算采用numeca開展，網格節點數為300萬，選取S-A湍流模型，流動介質為真實空氣，軸向入流并給定總溫1200K和總壓511kpa，出口給定背壓，轉靜子通過摻混面法進行數據傳遞，計算得到的渦輪性能參數如表1所示。因初始方案靜子為直葉片，性能存在提升空間，故后續采用J型彎曲葉片設計手段對渦輪靜葉進行優化。

2 .J型彎曲靜葉方案簡介

本文J型彎曲靜葉采用bezier-line-bezie作為積迭線，如圖1（左）所示，主要控制參數為葉片根部的彎高C1（往葉背一側彎曲）和彎角A1，頂部不彎，三維模型如圖1（右）所示。

為準確反映彎高和彎角對渦輪性能的影響規律，本文分別計算了彎高分別為0.2至1（每間隔0.1取一組），彎角為5°、10°和15°，共計27種J型彎曲靜葉方案的渦輪性能。

3. J型彎曲靜葉對渦輪性能的影響分析

本文J型彎曲靜葉對渦輪性能的影響主要體現在改變了下游動葉的做功能力。圖2給出不同J型彎曲靜葉方案下游動葉輪緣功沿徑向分布圖。通過對比可知，當靜葉彎高較小時，對下游動葉輪緣功沿徑向分布的影響較小。隨著靜葉彎高的增加，對下游動葉的影響逐漸增強。當靜葉彎高為1彎角為5°時，可提高下游動葉徑向35%高度至葉尖區域輪緣功，進一步增大彎角，下游動葉做功能力下降。這是由于當靜葉彎角較小時，靜葉中部至頂部出口氣流角減小，氣流周向速度分量增大，可充分利用動葉高半徑位置的切線速度，從而提高動葉整體做功能力，當靜葉彎角較大時，靜葉出口氣流角沿徑向變化過于劇烈，惡化了下游動葉入流條件，導致動葉做功能力急劇下降。

圖3給出了J型彎曲靜葉的彎高和彎角對渦輪級效率的影響曲線，從圖中對比可以看出，采用5°小彎角設計的J型靜葉，渦輪級效率隨彎高增加而提高，而當靜葉彎角處于10°～15°范圍時，增加彎高，渦輪級效率顯著下降，這是由于當J型靜葉彎角較大時，會導致靜葉出口氣流角沿徑向急劇變化，從而惡化了下游動葉進口條件，因此渦輪效率下降。數值計算結果表明，當跨音微型軸流渦輪J型靜葉彎高為1，彎角為5°時，此J型彎曲靜葉對渦輪級性能的改善效果最佳，渦輪流量、輪緣功和級效率分別達到1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，較原始方案分別提高了0.96%、0.54%和0.88%。

4結論

本文基于某200kw級微型渦輪機的軸流渦輪部件，開展了微型軸流渦輪J型彎曲靜葉設計技術研究，采用數值計算手段研究了J型彎曲靜葉的彎高和彎角對渦輪性能的影響，并得到以下結論：

1.采用大彎高小彎角設計的J型靜葉，增加了靜葉出口中部到頂部區域的氣流切向速度分量，可提高下游動葉做功能力，從而提高渦輪級效率。而當J型彎曲靜葉彎角較大時，會導致靜葉出口氣流沿徑向方向急劇變化，惡化了下游動葉入流條件，導致渦輪做功能力和效率急劇下降。

2.針對此微型渦輪機跨音軸流渦輪靜葉，當J型彎曲靜葉彎高達到1，彎角為5°時對渦輪級效率的提升效果最顯著，渦輪流量、輪緣功以及級效率分別達到1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，較初始方案分別提高了0.96%、0.54%和0.88%。

參考文獻

[1] ?杜建一.分布式能源系統與微型燃氣輪機的發展與應用.工程熱物理學報，2004，25（5）：786-788.

[2] ?蘇杰先.葉片的彎扭聯合氣動成型理論、實驗、設計及其應用.動力工程，1992，12（6）：1-6

[3] ?張任偉.600MW汽輪機調節級優化設計.汽輪機技術，1990，32（6）：27-32.

[4] ?袁寧.提高航空發動機性能的彎扭導向器技術.推進技術，2001，22（6）：458-463.

[5] ?Mohsen Hassan Vand.Numerical study of the bowed blades on aerodynamic characteristics in a hign pressure tuebine. ASMEG paper GT2005-68214，2005.