組合動力裝置用變幾何渦輪轉速與安裝角匹配研究

蔣海明，徐亮，張宜奎，鐘易成

(1. 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，江蘇 南京 211102；2. 南京航空航天大學 能源與動力學院, 江蘇 南京 210016)

0 引言

飛機第二動力系統是獨立于發動機，為飛機機載設備生成、變換和傳送操作動力，并能起動發動機的重要飛機功能系統[1-2]。飛機第二動力系統在20世紀60年代開始被引入飛機系統，單純地作為發動機起動系統，在地面和空中起動主發動機。第二動力系統發展到第2代，主要是由獨立的輔助動力裝置(APU)和應急動力裝置(EPU)為飛機提供輔助和應急功率。隨著多電技術發展和組合動力技術的日趨成熟，第3代第二動力系統采用組合動力裝置IPU將APU與EPU進行融合與集成，共用一套渦輪系統，結構得到簡化，質量明顯降低。但APU工作模式和EPU工作模式的進口氣動參數差別較大，為了滿足兩個工作狀態要求，需要將IPU渦輪設計成變幾何渦輪[3-5]。

國外對變幾何渦輪的研究起步較早，早在20世紀60年代，西方國家就開始了有關可調導葉渦輪的研究。1969年，MOFFITT T P等[6]在NASA的研究中心對一個單級軸流可調導葉渦輪進行研究，結果發現導葉無論是打開還是關閉均會導致渦輪效率下降。1971年，羅爾斯-羅伊斯公司對各種變幾何方法進行大量的試驗研究，結果證明改變導葉安裝角在變幾何渦輪方面具有優越性，此后可調導葉方案被廣泛應用于變幾何渦輪設計中。通過跟蹤國外變幾何渦輪技術的發展，國內對變幾何渦輪的研究也有了一定的進展。例如上海交通大學宋華芬、陳升、邱超等對平面葉柵變幾何和變幾何渦輪損失進行了理論和數值模擬研究[7-8]；中國科學院工程熱物理研究所的雒偉偉等對1+1/2 對轉渦輪高壓導葉可調進行了數值模擬[9]；哈爾濱工程大學馮永明等對艦船燃氣輪機變幾何動力渦輪進行了多方面的數值研究[10-12]；北京航空航天大學LIU Z G等對變循環渦輪的設計進行了探索[13-14]。此外，為了實現導葉可調增加了機械結構，導致燃氣輪機結構及調節更為復雜、安全性降低甚至因變幾何產生的快速節流引起氣流振蕩等問題。

變幾何渦輪雖然能夠通過調整導葉安裝角改變渦輪流量，進而匹配不同的工況，既能保證APU狀態下的性能，又能匹配EPU的工作狀態，保證EPU狀態能正常工作，但是共用渦輪導葉安裝角的改變會引起渦輪級氣動參數發生改變，引起渦輪性能降低。本文通過對轉速與安裝角匹配性研究，以減弱導葉安裝角變化對變幾何渦輪性能的影響。

1 計算模型和方法

計算模型為某IPU用小型單級軸流變幾何渦輪，如圖1所示。為了保證渦輪導葉在較大范圍內自由轉動，不與端壁產生碰撞、摩擦或卡死，且在導葉轉動過程中保證導葉端壁間隙保持均勻且最小，對導葉端壁進行同心球面處理。渦輪導葉兩端增加機匣圓盤和輪轂圓盤，導葉插入機匣圓盤和輪轂圓盤中，通過驅動軸實現導葉的轉動。由于導葉分別插入機匣圓盤與輪轂圓盤里，受限于導葉葉片數及節距，機匣圓盤與輪轂圓盤直徑不能太大，所以將超出機匣圓盤和輪轂圓盤的導葉前緣和尾緣部分切掉，切掉部分厚度為0.3mm，為2%葉高。

圖1 IPU小型變幾何渦輪模型

渦輪導葉采用Icem進行結構化網格劃分，渦輪數值仿真模型計算域包括渦輪進口、導葉、動葉和渦輪出口，應用CFD軟件ANSYS CFX并采用SST湍流模型進行數值模擬[15]。渦輪模型設置導葉間隙為0.3mm，動葉間隙設為0.5mm。葉片表面劃分O型網格，葉片進口及主流區網格拓撲為H型網格，出口采用H型網格。為改善網格質量，葉片壁面及葉片前緣與尾緣進行網格加密處理。渦輪轉子葉片網格使用Turbogrid進行劃分，壁面附近區域進行網格加密處理。圖2為渦輪葉片網格圖。

圖2 渦輪葉片網格圖

2 安裝角變化對渦輪性能的影響

圖3為設計轉速時不同導葉安裝角對應的渦輪流量和效率隨膨脹比變化的趨勢圖。可以看到，調整安裝角可以明顯改變渦輪的通流能力，引起流量變化。安裝角減小，導葉喉道面積減小，氣流在導葉通道內過度膨脹；安裝角增大時，氣流在導葉通道內膨脹不足，如圖3所示，不同安裝角渦輪工作在不同的膨脹比工況范圍。安裝角增大或減小，渦輪效率均會下降，且安裝角減小時，效率下降更快。

圖3 不同導葉安裝角渦輪流量、效率圖

圖4為流量系數和渦輪極限膨脹比隨安裝角變化圖。可以看到，安裝角減小5°，流量降到設計狀態的82%；安裝角增大12°，流量增加到134%。安裝角改變，會導致葉柵幾何參數改變，渦輪極限膨脹能力隨之改變。如圖4中所示，安裝角增大，葉柵極限膨脹比減小。

圖4 流量系數和極限膨脹比隨安裝角變化圖

3 轉速變化對渦輪性能的影響

為了分析轉速變化對渦輪性能的影響，選取-5°安裝角模型進行研究。表1給出了-5°安裝角、膨脹比3.55時渦輪效率隨轉速變化的數據。

表1 膨脹比3.55時轉速與安裝角匹配表

圖5是反力度與效率隨轉速變化趨勢圖。安裝角增大，渦輪反力度逐漸增大。反力度用來衡量燃氣在工作輪中的膨脹降壓占整個渦輪級總膨脹功的比例，反力度越高，說明氣流在動葉通道膨脹比例更高，導葉通道氣流膨脹程度減弱，導葉出口氣流速度降低。-5°安裝角在設計轉速時渦輪效率只有0.867，而通過增加轉速渦輪效率可以提高到0.892，渦輪效率提高效果明顯。

圖5 渦輪反力度和效率隨轉速變化圖

圖6給出了-5°安裝角動葉葉中截面流線圖。可以看到轉速較低時，動葉氣流處于正攻角狀態，氣流前駐點在壓力面，氣流在慣性力作用下來不及折轉，在吸力面發生大尺度分離，可以觀察到明顯的分離渦。隨著轉速升高，動葉攻角逐漸減小，氣流前駐點向動葉前緣移動，吸力面分離現象消失。

圖6 動葉葉中截面流線圖

4 轉速與安裝角匹配分析

圖7為不同安裝角與轉速的匹配圖。可以看到：膨脹比一定時，渦輪效率隨轉速升高先增大后減小；轉速一定時，效率隨膨脹比增加先增大后減小。導葉安裝角減小時，轉速變化對渦輪效率影響更大，轉速升高對效率的提高明顯。隨著安裝角增大，導葉喉道逐漸打開，轉速變化對效率的影響程度減小。導葉安裝角較小，即導葉喉道面積較小時，轉速變化對效率影響更大；安裝角增大，即導葉打開時，膨脹比變化對效率的影響占主要方面。

表2為不同導葉安裝角與轉速的最佳匹配情況表。

圖7 不同安裝角與轉速匹配圖

從表中可以看出，安裝角變化時，與之進行最佳匹配的最高效率轉速也發生變化。設計安裝角狀態，最大效率對應的轉速為62 000r·min-1，安裝角減小到-5°，最大匹配轉速增大到66 000r·min-1；當導葉打開時，即安裝角增大時，可以看到最大效率對應的轉速逐漸減小，當安裝角增大到12°時，匹配轉速下降到50 000r·min-1。通過在相應工況改變導葉安裝角，調節通過渦輪系統的空氣流量，獲得滿足需求的功率，同時適應性地調節渦輪轉速，使渦輪系統工作在最佳狀態。

表2 不同導葉安裝角與轉速最佳匹配表

圖8為不同導葉安裝角最大效率匹配轉速。從圖中可以看出，隨著導葉安裝角增大，渦輪對應的最大效率轉速降低，與實際理論相符合。導葉安裝角增大，渦輪流量增大，渦輪級反力度增大，導葉出口馬赫數減小，導葉出口氣流增大，動葉進口氣流攻角減小，趨向負攻角；而轉速降低會降低渦輪反力度，從而增大導葉出口馬赫數，轉速降低還會增大動葉攻角。因此導葉安裝角增大和轉速降低的共同效果是流量增加，導葉出口氣流角增大，而渦輪反力度、導葉出口馬赫數和動葉攻角變化較小，從而使渦輪效率變化較小，當導葉安裝角減小轉速增加，渦輪級性能變化正好相反。

圖8 不同安裝角最佳匹配轉速

圖9為不同導葉安裝角與轉速最佳匹配時對應的渦輪膨脹比。可以看出，隨著導葉安裝角增大，最優匹配工況的膨脹比在逐漸降低，對應于APU與EPU共用變幾何渦輪非常合適。當工作在APU狀態時，渦輪壓比較低，可以調大導葉安裝角，使得流過較大流量，保證需求功率；當工作在EPU狀態，渦輪壓比較高，可以調小渦輪導葉安裝角，使得流過較小流量，通過可以維持需求的功率。

圖9 導葉安裝角與轉速最佳匹配膨脹比

圖10是最佳匹配工況時渦輪流過的流量圖。可以看出，變幾何渦輪在不同工況下通過改變渦輪導葉安裝角可以明顯改變渦輪流量，可以更方便地對渦輪工作狀態進行調節。在變工況狀態下，通過調整導葉安裝角和渦輪轉速，使渦輪系統滿足不同的功率需求，同時保持較高的工作效率，改善渦輪變工況性能。

圖10 最佳匹配流量

圖11為不同安裝角狀態設計轉速效率和匹配轉速效率對比圖。可以看到安裝角減小時，動葉攻角趨向正攻角，渦輪效率下降較大，通過轉速與安裝角適應性調整，可以改善氣流攻角，提高渦輪效率；安裝角增大也會導致渦輪效率下降，此時轉速調整雖然也可以使效率上升，但效果并不明顯。

圖11 最佳匹配效率

5 結語

為了研究小型軸流變幾何渦輪轉速與安裝角匹配對渦輪變工況性能的影響，對其進行數值仿真建模計算分析，通過改變變幾何渦輪導葉安裝角，數值模擬其在不同工況下的工作狀態。共設置了4組不同的導葉安裝角，分別是-5°、0°、6°和12°(以上安裝角均為相對設計狀態安裝角旋轉一定角度得到，0°為設計狀態，“-”為導葉喉道關閉，“+”為導葉喉道打開)，每組導葉安裝角下設置不同的轉速，計算不同導葉安裝角對應的最高效率轉速，得到的結論如下：

1)變幾何渦輪可調導葉調整時，會導致渦輪級氣動參數發生變化，從而使渦輪效率降低，通過轉速調整，可以減弱安裝角變化的影響。安裝角減小，渦輪流量降低，渦輪級反力度降低，導葉出口馬赫數增大，出口氣流角減小，動葉進口氣流攻角趨向正攻角；而增大轉速，渦輪反力度增大，從而降低導葉出口馬赫數，轉速增加還會使動葉攻角減小。所以安裝角減小與轉速增加的共同作用是渦輪流量降低，導葉出口氣流角降低，而渦輪級反力度、動葉攻角、導葉出口馬赫數等參數變化較小，從而保證渦輪效率變化較小。

2)隨著導葉安裝角增大，最優匹配工況的膨脹比在逐漸降低，對應于APU與EPU共用變幾何渦輪非常合適。當工作在APU狀態時，渦輪壓比較低，可以調大導葉安裝角，使得流過較大流量，保證需求的功率；當工作在EPU狀態，渦輪壓比較高，可以調小渦輪導葉安裝角，使得流過較小流量，通過可以維持需求的功率。

3)針對所研究的組合用變幾何渦輪，通過轉速與安裝角匹配調節，可以在-17.2%～+33.2%的流量變化過程中，渦輪效率下降不超過0.03。