導葉安裝角變化對變幾何渦輪性能影響的數值研究

張宜奎，鐘易成，徐 亮，徐偉祖

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016；2.航空工業南京機電液壓工程研究中心航空機電系統綜合航空科技重點實驗室，南京 211102；3.南京普國科技有限公司，南京 210016)

1 引言

變幾何渦輪是變幾何航空發動機的一個關鍵部件[1]。渦輪變幾何的目的是改變導葉喉道面積，控制渦輪流量。渦輪變幾何有多種方法，如機械式引入障礙物到流道中、環形面積可調、改變導葉安裝角或引入第二股氣流射入導葉喉部位置等。早在上世紀60年代，航空發達國家就已開始有關變幾何渦輪的研究。1971 年，英國羅·羅公司對渦輪變幾何方法進行了試驗研究，結果表明控制渦輪流量最有效的方法是改變導葉安裝角[2]。此后，變幾何渦輪設計均采用導葉安裝角調節方案。Moffitt 等[3]對靜葉安裝角可調單級渦輪進行的試驗研究發現，導葉喉道無論是打開還是關閉，渦輪效率均明顯降低，且導葉關閉時對渦輪效率的影響更大。GE公司的研究[4]表明，通過調節部分導葉來控制渦輪流通面積，能有效降低可調導葉的泄漏損失，提高渦輪效率，但會增加渦輪流場的不均勻性。

變幾何渦輪為實現導葉安裝角可調，需在導葉兩端留有間隙。由于渦輪葉片工作在高溫高壓的惡劣環境中，為保證導葉在一定安裝角范圍內實現轉動且不與機匣和輪轂面發生干涉，導葉兩端間隙不能太小。導葉存在間隙，必然會產生泄漏，在端壁附近形成泄漏渦，增大渦輪損失。導葉端壁損失控制主要分為主動間隙控制和被動間隙控制兩種。主動間隙控制技術包括葉頂射流[5]、等離子控制器[6]等，其研究主要集中在可控熱變形機匣。即在發動機不同飛行狀態下，采用不同溫度的氣體射流沖擊機匣，改變機匣溫度，以實現對機匣熱變形的調節，從而控制葉尖間隙[7]。主動間隙控制能較好地減少端壁泄漏損失，提高發動機整機效率，但也導致了機匣結構復雜以及發動機質量增加，且主要應用在民機和燃氣輪機領域[8-11]。被動控制技術包括機匣處理[11]、葉頂凹槽[12]、葉頂加裝翼梢小翼[13]、肋條[14]等。目前國外常采用在葉尖表面吸力面或壓力面加裝肋條的方法，減小葉尖間隙泄漏流動或葉尖傳熱，達到減小泄漏損失的目的[15-16]。國內現有被動控制技術主要集中在導葉端壁造型設計上，并已達到改善渦輪端壁流場的效果，如劉鵬飛等[17]通過對固定幾何渦輪、僅有導葉旋轉軸變幾何渦輪和導葉兩端帶圓盤葉冠變幾何渦輪三種模型三維流場進行數值模擬研究，得出帶圓盤型葉冠導葉調節機構可以有效減小導葉泄漏面積，抑制間隙泄漏渦發生。

總結上述研究發現，目前針對變幾何渦輪的研究主要集中在導葉可調機構和渦輪導葉端壁間隙損失控制兩方面，對變幾何渦輪導葉安裝角調整時，其變化對渦輪級流場的影響以及作用機理的研究則涉及較少。為此，本文以小流量變幾何渦輪為研究對象，在傳統固定幾何單級軸流渦輪基礎上，忽略導葉兩端調節機構和導葉間隙，對不同導葉安裝角的渦輪流場進行數值模擬，分析導葉安裝角變化對渦輪性能的影響以及作用機理。

2 數值計算模型

采用計算流體力學商用軟件ANSYS-CFX 求解三維定?？蓧嚎s雷諾平均方程組(N-S方程)，數值離散采用有限體積法，空間離散采用二階迎風格式，湍流模型選用SST 模型。計算模型為某單級軸流渦輪，其導葉為22片，動葉為45片，可調導葉旋轉軸心位于導葉50%軸向弦長處。忽略導葉兩端的間隙及旋轉機構，動葉間隙設為0.5 mm，導葉安裝角繞旋轉軸心可實現調節，如圖1 所示。渦輪葉片網格采用Turbogrid 軟件劃分，其中葉片表面為O 型網格，葉片進口及主流區網格拓撲為H 型網格，出口為J型網格。對葉片壁面及葉片前緣與尾緣網格進行加密處理。

圖1 可調導葉旋轉示意圖Fig.1 Adjustable guide vane rotation diagram

渦輪進口給定總溫總壓，進口湍流強度為5%；出口給定靜壓；固體壁面為絕熱、無滑移邊界條件；周期性邊界設為旋轉周期邊界。計算工質為理想氣體。數值計算收斂標準設置為殘差降到10-6以下。葉片壁面附近Y+在1～5 之間，滿足SST 模型計算精度需求，如圖2所示。

圖2 葉片壁面附近Y+值Fig.2 Y+near the wall of the blade

3 數值計算結果分析

3.1 導葉安裝角變化對導葉流場的影響

變幾何渦輪導葉安裝角相對設計狀態增大和減小時對導葉流場的影響如圖3 所示?？梢?，安裝角減小8h時，導葉進口攻角趨向正攻角，其喉道面積減小，尾緣堵塞度增加，氣流在流道內過度膨脹，由亞聲速向高亞聲速過渡，并在吸力面出現局部超聲速區，導葉出口流場紊亂加劇。安裝角增大8h時，導葉進口攻角趨向負攻角，其喉道面積增大，渦輪通流能力增大，導葉尾緣堵塞度減小，氣流在流道內膨脹程度減弱，速度降低。

圖3 不同導葉安裝角下導葉中截面的馬赫數分布Fig.3 Mach number distribution of guide vane at midspan under different stagger angels

圖4示出了不同安裝角狀態對應的導葉出口氣流角在不同葉高上的分布?？梢钥吹?，在10%～90%葉高區域，同一安裝角狀態導葉出口氣流角變化較小；但在輪轂端壁到葉高10%和90%葉高到機匣端壁，由于端壁效應氣流角突然開始減小，端壁面上的氣流角最小。在同一葉高，導葉出口氣流角隨安裝角增大而增大，且出口氣流角的大小對下游動葉進口氣流角影響較大。

圖4 導葉出口氣流角沿葉高的徑向分布Fig.4 Guide vane outlet flow angle distribution along the span

圖5給出了不同導葉安裝角下導葉中截面的載荷分布。設計安裝角狀態，導葉中截面葉型載荷最小值在軸向弦長約65%處，導葉為后加載葉型。安裝角減小，導葉喉道面積減小，氣流在通道后段膨脹程度加深，葉型后加載程度加深，導葉中截面載荷最小位置后移。安裝角增大，導葉喉道面積增大，氣流膨脹程度減弱，導葉逐漸由后加載葉型向前加載葉型轉變。此外，隨著導葉安裝角增大，葉型載荷所圍成區域的面積逐漸減小，說明導葉負荷在減小，渦輪反力度在增大。

圖5 不同導葉安裝角下導葉中截面的載荷分布Fig.5 Sectional loading distribution of guide vane under different stagger angels

3.2 導葉安裝角變化對轉子葉片流場的影響

圖6 不同導葉安裝角下動葉中截面的流線分布Fig.6 Streamline distribution at rotor midspan under different stagger angels

圖6為不同導葉安裝角下動葉中截面的流線分布?？煽闯觯惭b角減小，動葉進口氣流處在較大的正攻角下，氣流在慣性作用下來不及折轉以及受到壓力面氣流擠壓作用，在動葉吸力面形成大尺度旋渦分離區。安裝角增大，動葉進口氣流逐漸趨向較大負攻角，氣流在動葉壓力面形成大尺度旋渦分離區。由此可見，動葉進口氣流攻角不管是處于較大正攻角還是較大負攻角，均會導致氣流在動葉一側發生流動分離，造成渦輪效率損失。圖7 為不同導葉安裝角下動葉中截面馬赫數分布。可看出，隨著導葉安裝角增大，動葉進口氣流前駐點從壓力面逐漸移動到吸力面，動葉中截面相對馬赫數逐漸增大。

圖8示出了不同導葉安裝角下動葉出口的相對馬赫數和熵增。可看出，由于動葉葉尖存在間隙，導致在間隙附近發生了泄漏，形成了泄漏渦。此時，渦輪效率損失主要來自泄漏渦和通道渦以及兩者共同作用。安裝角減小，渦輪通流能力減弱，出口氣流膨脹加速，出現局部超聲速區，導葉出口尾跡對下游動葉流場產生影響，導致動葉流場紊亂、損失增加。由動葉出口熵增圖可以看出，安裝角減小時，渦輪損失主要由根部二次流卷起形成的通道渦和葉尖間隙引起的泄漏渦導致；隨著安裝角增大，通道渦及泄漏渦強度均有所減弱。

圖7 不同導葉安裝角下動葉中截面的馬赫數分布Fig.7 Mach number distribution of rotor at midspan under different stagger angels

圖8 不同導葉安裝角下動葉出口的相對馬赫數和熵增Fig.8 Relative Mach number and entropy increase of rotor outlet under different stagger angels

圖9為不同導葉安裝角下動葉中截面的葉型載荷分布?？梢姡O計安裝角下，動葉葉型載荷基本呈均勻加載。安裝角減小，動葉進口氣流趨向正攻角，氣流前駐點向壓力面移動，葉型逐漸向前加載葉型過渡，氣流處于較大正攻角時在動葉吸力面會產生流動分離。安裝角增大，動葉進口氣流趨于負攻角，氣流前駐點向吸力面移動，動葉工作在后加載狀態。動葉氣流處于負攻角狀態，葉片壓力面載荷小于吸力面載荷，此時壓力面與吸力面的載荷線會出現交叉現象。如圖所示，相對于設計狀態，安裝角增大4h時，壓力面載荷線與吸力面載荷線出現交叉；安裝角進一步增大，交叉點后移，動葉后加載程度加深，氣流在壓力面形成大尺度旋渦分離區。

圖9 不同導葉安裝角下動葉中截面的載荷分布Fig.9 Sectional loading of rotor midspan under different stagger angels

3.3 導葉安裝角變化對渦輪性能的影響

該單級渦輪流量隨變幾何導葉安裝角變化趨勢如圖10 所示?？煽闯?，隨著出口背壓逐漸減小，渦輪膨脹比逐漸增大，流量也緩慢增加；當背壓繼續降低，膨脹比繼續增大，渦輪開始進入阻塞工況，渦輪流量不再增加而達到最大值。同時還可看到，不同角度對應的堵塞流量差別很大。相比于設計狀態，導葉安裝角減小到-8h時，流量下降到原來的50%；導葉安裝角增大到8h時，流量增大到140%?？烧{導葉轉動時，渦輪流量發生了明顯的變化，且導葉關小時引起的流量變化更為劇烈。這是由于導葉喉部面積調大后，控制渦輪流通面積的喉道位置可能會發生變化，同時還要受到轉子葉片喉道面積的制約，所以導葉打開時，流量受到多方面因素的制約，導致其流量變化較為平緩。

圖10 不同導葉安裝角下的渦輪流量Fig.10 Mass flow under different stagger angels

變幾何渦輪在不同導葉安裝角下的效率變化趨勢如圖11所示?？煽闯?，安裝角在-4h～8h時渦輪效率隨膨脹比變化非常明顯。同一安裝角下，渦輪效率隨膨脹比呈先上升后下降的趨勢，即存在一個膨脹比使得渦輪效率最大。相對設計安裝角狀態，安裝角減小時效率下降更加明顯，且安裝角越小渦輪效率下降越多；安裝角增大，在低膨脹比時渦輪效率較低，膨脹比增大，渦輪效率緩慢增大；4h安裝角對應的效率甚至在達到一定膨脹比后略微超過設計狀態的效率，導葉喉道繼續打開，渦輪效率又表現出快速下降的趨勢。如圖中所示，導葉安裝角無論是增大還是減小，都會使渦輪效率降低，性能下降，區別在于導葉打開時對渦輪效率的影響明顯小于導葉關閉時的影響；導葉向喉道面積減小的方向轉動時，會引起渦輪工作狀態嚴重惡化，效率顯著降低。導葉安裝角轉動8h，渦輪效率下降2%；導葉安裝角轉動-8h，效率降低13.4%；大部分工況下，安裝角在-4h～8h時，渦輪效率保持在85%以上。所以在進行變幾何渦輪設計時，可將動葉設計在負攻角狀態，以提高渦輪的攻角適應性。

圖11 不同導葉安裝角下的渦輪效率Fig.11 Efficiency under different stagger angels

4 結論

在忽略導葉兩端端壁間隙的基礎上，對導葉可調的變幾何渦輪進行數值仿真建模研究，得到以下結論：

(1)轉動導葉安裝角，可以控制渦輪的通流能力。相對設計狀態，導葉安裝角從-8h變化到8h，渦輪流量變化-50%～40%；渦輪流量與導葉安裝角變化基本呈線性正比關系，導葉安裝角增大1h，渦輪流量增加5%左右。

(2)渦輪效率對導葉安裝角變化非常敏感，安裝角增大，渦輪效率呈先小幅上升后降低的趨勢，這是動葉負攻角設計所導致。安裝角減小，渦輪效率下降明顯；安裝角增大8h，效率下降2%；安裝角減小8h，效率下降13.4%。導葉安裝角在-4h～8h之間變化時，渦輪效率可在較大工況范圍內保持在85%以上。變幾何渦輪設計時，可將動葉進口氣流攻角設計在小負攻角狀態，以提高渦輪攻角適應性，從而使變幾何渦輪在較大范圍工況內獲得高的收益。