車用軸流渦輪葉輪間隙流動的數值研究

王楠

摘 要：應用數值方法對設計的車用燃氣輪機的軸流渦輪結構及性能影響作了分析，研究位置分別為葉尖、葉中、葉根。計算結果表明：軸流渦輪是在亞音速流場內工作，沒有激波產生，也沒有不合理的流動現象和很大的流動損失，它能較好地運轉在工況點上。

關鍵詞：燃氣輪機;軸流渦輪;數值模擬

Abstract： With the numerical methods， the axial flow turbines structure and properties is analyzed， the study locations are the tip， the middle， and the root. The result shows that： the axial turbine is working in subsonic flow field and produces no shock， no very unreasonable flow phenomena and large flow losses， it is better to run on the operating point.

前言

研究車用軸流渦輪內部的流場和運轉情況時，必須建立流動的數學物理模型。目前這些模型都是根據質量、動量和能量三大守恒定律推導出的連續方程、Navier-Stokes方程以及能量守恒方程來計算的，它們是現在描述流體流動最常用的控制方程組。在數值模擬渦輪內部流場時，多采用的是將雷諾平均的Navier-Stokes方程組與各種湍流模型相結合來求解的方法，所以正確選擇湍流模型十分重要。本文計算所采用的湍流模型是S-A模型，由于流體是連續的，計算機的計算模擬必須是離散數據，所以需要將控制方程組的空間和時間離散，采用時間項的四階Runge-Kuta迭代法，使用專業流體計算軟件NUMECA的IGG/AutoGrid模塊中專門針對葉輪機械的三種網格剖分形式的功能，和能夠加速計算的完全多重網格方法（FMG），以及FINE/Turbo模塊中的初始條件、邊界條件的給定形式等有關內容，為車用軸流渦輪進行CFD計算和分析做出理論指導和依據。[1]

1 數值計算方法

針對設計的車用軸流渦輪建立湍流模型對于研究粘性流場在近壁面附近的流動細節有很大的影響，采用S-A模型，這樣可以獲得較好的模擬計算效果。[2]

計算網格使用NUMECA的FINE/Turbo軟件包中的IGG模塊劃分。IGG是一種交互式的網格生成器，對于軸、徑流葉輪機械能夠生成高質量的網格。分析計算的渦輪的網格結構采用H-I型網格，具體網格分布及質量數目為：

靜葉葉片：葉片到葉片方向為33，輪緣到輪轂方向為41，流線方向為總網格數為129（進口33，中間65，出口33），網格總數為174537。其最小正交性為10.15，最大長寬比為1245.21，最大沿展比為3.51。

動葉葉片：葉片到葉片方向為33，輪緣到輪轂方向為41，流線方向為總網格數為129（進口33，中間65，出口33），網格總數為174537。其最小正交性為13.78，最大長寬比為1259.5，最大沿展比為3.58。

在計算過程中給定渦輪進口和出口以及固壁的邊界條件。進口邊界條件為給定葉輪進口靜溫、質量流量、絕對氣流角和渦流粘度，絕對氣流角采用速比的形式;出口邊界條件為給定的計算數據;固壁邊界條件為固壁面取不滲透、無滑移、絕熱的邊界條件，轉速為38000 min/s。[7]

2 軸流渦輪CFD分析

3 結論

（1）分析軸流渦輪葉型沿葉片相對弦長的方向上靜壓的分布情況，無論是動葉還是靜葉，在壓力面上的靜壓都是沿相對弦長逐漸降低的，而在吸力面的相對弦長后部都出現了擴壓區。

（2）分析軸流渦輪葉型沿葉片相對高度方向上靜溫的分布情況，靜葉的靜溫隨著葉片相對高度的增加基本上是緩慢下降的，而動葉在葉高的中間大部分區域靜溫都是平穩的，而在兩端則變化劇烈。

（3）分析軸流渦輪極限流線分布情況，在靜葉的吸力面的中間葉高以上存在一條分離線而壓力面上的極限流線分布較為均勻，動葉則在吸力面的根部上存在分離線且動葉壓力面上在臨近葉尖區域流線偏向輪緣，這主要是由于葉尖泄漏流動造成的，在動葉輪轂面上，由于存在從壓力面指向吸力面的壓力梯度，導致了流線由壓力面偏向吸力面。

（4）分析軸流渦輪速度矢量分布情況，對于極限流線，無論是葉尖處速度矢量還是中間葉高處速度矢量其速度沿流道分布都比較合理。

（5）分析渦輪中間葉高尾緣的速度情況，動葉靜葉在尾緣處均出現兩個小回流區。

（6）分析軸流渦輪葉型沿葉片相對高度的方向上馬赫數的分布情況，靜葉出口絕對馬赫數沿葉高方向上規律是絕對馬赫數隨葉片標準高的增加而增加。動葉出口的相對馬赫數在葉根和中部的總體趨勢是隨葉高的增加馬赫數也在增加，但在葉尖處的馬赫數先減小后增加。

（7）分析軸流渦輪云圖分布情況，靜壓在動葉的壓力面的前部達到最大而在靜葉的吸力面的中部最小;相對馬赫數在靜葉的吸力面中部達到最大，在流場中沒有發生激波都是亞音速氣流。

（8）分析軸流渦輪二次流情況，無論是靜葉還是動葉都在葉尖和葉根處出現兩個通道渦，且通道渦都是在壓力梯度

的作用下由壓力面向吸力面移動，對于動葉在葉尖處還產生了泄漏渦且后來和葉尖處通道渦相匯，形成一個較大的通道渦。

綜上所述，軸流渦輪是在亞音速流場內工作，沒有激波產生，也沒有很不合理的流動現象和很大的流動損失，它能較好地運轉在工況點上。

參考文獻

[1] 彭澤琰，劉剛.航空燃氣輪機原理[M].國防工業出版社.2000.9.

[2] 萬欣.燃氣葉輪機械[M].北京：機械工業出版社.1987.8.

[3] Moustapha H. Zelesky M F.Baines N C. Axial and Radial Turbines [M].USA，Concepts NREC，2003.

[4] Hany Moustapha Mark F.Zelesky Nicholas C. Gaines David Japikse. Axial and Radial Turbines [M]. USA Concepts NREC Coprporate Headquarters 217 Billings Farm Road White River Junction， Vermont 05001-9486.

[5] 鄒滋祥.軸流透平級的幾何參數的最佳選擇—帶有各種約束條件的最佳設計[J].機械工程學報.1982.21（3）：18-28.

[6] 沈維道，鄭佩芝，蔣淡安合編.工程熱力學.第二版.北京：高等教育出版社，7983.

[7] H.Cohen，Gas Turbine Theory， London，1972.