高負荷動力渦輪葉型優(yōu)化研究

陳 晨，李 維

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412002)

0 引言

就航空渦軸/渦槳發(fā)動機而言，動力渦輪是發(fā)動機的一個重要核心部件，由于受到傳動系統(tǒng)的限制，相比于燃氣渦輪，動力渦輪轉(zhuǎn)速低，尺寸大，級數(shù)多，且由于葉輪外徑大，單排葉片數(shù)量也要遠高于燃氣渦輪。因此在動力渦輪中采用高負荷葉型設(shè)計(Zweifel系數(shù)大于1[1])，能夠有效減少葉片數(shù)，降低制造成本和渦輪部件重量，提高航空渦軸/渦槳發(fā)動機的功重比。

然而葉型負荷的提高勢必增大吸力面逆壓梯度，使得附面層易于分離，且葉片負荷大小以及負荷分布規(guī)律直接影響動力渦輪葉片通道內(nèi)由壓力面指向吸力面的橫向壓力梯度[2]，而橫向壓力梯度是形成動力渦輪內(nèi)部復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力。因此理清葉片表面負荷分布對流動損失的影響機理，有助于為高性能高負荷動力渦輪的設(shè)計提供理論支撐。

隨著對高負荷動力渦輪內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)的理解認識不斷加深，高負荷動力渦輪葉片應(yīng)該設(shè)計成何種載荷分布方式能夠有效抑制附面層和端區(qū)的流動分離是目前研究的一個熱門課題。Zoric[3]等人分別針對Pack B(后加載，Zw=1.08)、Pack D-A(后加載，Zw=1.4)和 Pack D-F(前加載，Zw=1.4)三套葉柵進行實驗測量發(fā)現(xiàn)：后加載葉型Pack D-A 相比于前加載葉型Pack D-F 具有較高的葉型損失，但前加載葉型Pack D-F表現(xiàn)出較強的通道渦和二次湍動能，導(dǎo)致二次流損失增強。Weiss和Fottner[4]以前加載葉片和后加載葉片為研究對象，也得出相似的結(jié)論，主要原因是前加載葉片通道前端具有較強的橫向壓力梯度，導(dǎo)致較多的端區(qū)低能流體卷入通道渦，而后加載葉片由于最大壓力梯度位置在葉片喉部附近，引起較少的端區(qū)邊界層卷入通道渦。

綜上分析發(fā)現(xiàn)，大多研究學者的觀點都更傾向于前加載葉片設(shè)計增加了端區(qū)二次流損失，但一般具有較好的二維氣動性能；后加載葉片端區(qū)二次流損失相對較小，但吸力面附面層更容易分離，葉型損失有所增加。本文通過對某高負荷動力渦輪第一級導(dǎo)葉進行前加載、中間加載、后加載三種方案的葉型優(yōu)化，研究分析三種載荷分布方案對渦輪內(nèi)部流動損失影響規(guī)律，從而指導(dǎo)高負荷動力渦輪的葉型優(yōu)化設(shè)計

1 研究對象與數(shù)值計算方法

1.1 研究對象

以某型高負荷動力渦輪第一級導(dǎo)葉為研究對象，保證喉部寬度、出口有效角一定的情況下，通過調(diào)整前緣直徑、尾緣直徑、軸向?qū)挾?、安裝角、進口構(gòu)造角、出口構(gòu)造角、尾緣楔角等葉型幾何參數(shù)對葉片進行前加載、中間加載、后加載三種方案的葉型優(yōu)化，中截面(50%葉高處)主要葉型幾何參數(shù)見表1，中截面沿葉片表面馬赫數(shù)分布曲線見圖1，從圖1可以看出，優(yōu)化后的葉型吸力面逆壓梯度大幅度下降。

表1 主要葉型幾何參數(shù)

1.2 數(shù)值計算方法

1.2.1 計算方法及邊界條件

本文使用商業(yè)流體計算軟件CFX求解三維定常雷諾平均N-S方程。湍流模型選取標準k-ε兩方程湍流模型，湍流項的離散采用一階精度格式，對流項離散采用高階精度格式。

計算時保證計算域的進、出口邊界條件相同，進口給定絕對總溫、總壓、進口氣流角徑向分布，出口給定平均靜壓，葉型表面采用無滑移壁面邊界，考慮葉片和上下端壁等固壁粗糙度的影響，設(shè)置固壁粗糙度的等沙粒直徑為0.02 mm，計算域柵距方向邊界采用周期性邊界條件。

1.2.2 計算網(wǎng)格

計算域為一個兩級的動力渦輪，計算網(wǎng)格由numeca軟件生成，網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，第一級導(dǎo)葉局部網(wǎng)格示意如圖2所示，對葉片和上下端壁附近的網(wǎng)格進行加密，保證近壁面處y+小于10，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，設(shè)置展向網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為73，計算域總網(wǎng)格數(shù)為333萬左右。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 高負荷葉型優(yōu)化前后對比

從圖1的葉片表面馬赫數(shù)分布曲線可以看出，未優(yōu)化的高負荷葉型馬赫數(shù)峰值很高，吸力面沿流向的逆壓梯度很大，導(dǎo)致附面層分離，層流分離區(qū)域，馬赫數(shù)分布曲線呈“平臺”狀，三種優(yōu)化方案的馬赫數(shù)峰值均大幅度下降，且加速后馬赫數(shù)曲線未出現(xiàn)“平臺”狀分布。圖3為未優(yōu)化葉型及三種優(yōu)化方案葉片表面極限流線圖，未優(yōu)化的高負荷導(dǎo)葉在沿葉高30%至90%區(qū)域葉片表面產(chǎn)生明顯的漩渦結(jié)構(gòu)，表明附面層在吸力面發(fā)生了嚴重的分離現(xiàn)象，經(jīng)過優(yōu)化后，三種載荷分布形式的葉型吸力面分離現(xiàn)象均消失，端壁附近偏離主流方向的區(qū)域面積減小，且隨載荷后移偏離主流方向區(qū)域面積越小。

四個狀態(tài)的氣動性能參數(shù)如表2所示，三種方案優(yōu)化后的渦輪效率均有大幅度提高，能量損失系數(shù)下降，且中間加載方案的總壓恢復(fù)系數(shù)和渦輪總效率最高，能量損失系數(shù)最低，具有更優(yōu)的氣動性能。

表2 氣動性能參數(shù)表

2.2 載荷分布對葉型損失的影響

如圖1馬赫數(shù)曲線表明，三種方案的馬赫數(shù)峰值相當，前加載葉型加速區(qū)域所處的流線范圍約為0～0.2，中間加載加速區(qū)域所處的流線范圍約為0～0.5，后加載葉型加速區(qū)域所處的流線范圍約為0～0.7，在加速區(qū)域內(nèi)后加載葉型馬赫數(shù)變化最平緩，前加載葉型馬赫數(shù)變化最快，加速區(qū)域后前加載葉型的馬赫數(shù)變化最平緩，后加載葉型馬赫數(shù)下降最快，說明前加載葉型在沿流線上游區(qū)域壓力梯度最大，在沿流線下游區(qū)域壓力梯度最小；后加載葉型在沿流線上游區(qū)域壓力梯度最小，在沿流線下游區(qū)域壓力梯度最大。因而前加載葉型在上游區(qū)域葉型損失大，下游區(qū)域葉型損失?。缓蠹虞d葉型在上游區(qū)域葉型損失小，在下游區(qū)域葉型損失大。圖4為三種方案沿流向的葉型損失變化曲線圖，本文葉型損失定義為(P1*-P2*)/P1*-P1，其中P1*為進口總壓，P2*為所在截面處的總壓，P1為進口靜壓，葉型損失沿流向變化曲線圖與上述分析一致，在沿流向0～0.5范圍內(nèi)前加載方案的葉型損失最大，流向位置0.5以后前加載方案葉型損失增加速率降低，最后總?cè)~型損失與中間加載方案相當；在沿流向0.7～1范圍內(nèi)，后加載方案葉型損失劇增，總?cè)~型損失最大。

2.3 載荷分布對二次流損失的影響

圖3葉片表面極限流線圖表明，隨著載荷分布向后移動，端區(qū)附近偏離主流方向區(qū)域面積逐漸減小，表明載荷分布約靠后，端區(qū)二次流越小。

圖5為沿流向的徑向氣流角分布圖，從圖5中可以看出，后加載葉型在整個流動過程中氣流角沿徑向偏轉(zhuǎn)較小，前加載葉型在沿流向50%位置以前沿徑向的氣流角偏轉(zhuǎn)程度比中間加載葉型大，沿流向50%位置以后沿徑向的氣流角偏轉(zhuǎn)程度比中間加載葉型小。圖6為沿流向湍動能云圖，如圖6所示，在沿流向50%位置以前前加載葉型端壁處的湍動能比中間加載葉型的高，沿流向50%位置以后前加載葉型端壁處的湍動能比中間加載葉型的低，后加載在下游位置葉中區(qū)域的湍動能明顯增大。本文用二次流動能(Ske)來定義通道內(nèi)二次流的大小(Ske=1/2*ρoutlet(r，φ)*|vsec(r，φ)|2)，將出口質(zhì)量平均速度定義為該出口處的主流速度，vsec(r，φ)為導(dǎo)葉出口處每一點的實際速度與該主流速度作矢量減法，ρoutlet(r，φ)為導(dǎo)葉出口處的當?shù)孛芏?，?為三個優(yōu)化方案的出口質(zhì)量加權(quán)平均二次流動能，數(shù)據(jù)表明，前加載葉型通道內(nèi)總的二次流損失最大，其次是中間加載葉型，后加載葉型的二次流損失最小。

表3 出口質(zhì)量加權(quán)平均二次流動能

3 結(jié)論

本文對未優(yōu)化的高負荷葉型、前加載優(yōu)化葉型、中間加載優(yōu)化葉型、后加載優(yōu)化葉型進行了三維計算分析，分析了高負荷動力渦輪葉型的氣動性能以及流動損失產(chǎn)生的機理，研究了葉片表面負荷分布對流動損失的影響。綜合以上分析，可以得出以下結(jié)論：

1)隨著葉片負荷的升高，吸力面馬赫數(shù)峰值增大，吸力面逆壓力梯度增大，導(dǎo)致吸力面容易發(fā)生附面層分離現(xiàn)象，進而增加了葉型損失，同時端區(qū)橫向壓力梯度也會更大，使得端區(qū)二次流增大，從而導(dǎo)致高負荷動力渦輪通道內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

2)通過設(shè)置合適葉型幾何參數(shù)，可以優(yōu)化葉型表面的負荷分布，使吸力面馬赫數(shù)峰值降低，從而減小吸力面逆壓力梯度，消除附面層分離現(xiàn)象，大幅度降低葉型損失。

3)葉片表面載荷分布方式對流動損失有一定的影響，前加載葉型設(shè)計具有較好的二維氣動性能，產(chǎn)生較大影響，壓強降低又會使燃氣發(fā)生器做功效率下降。為了避免出現(xiàn)這種情況，對裝填式管狀藥柱異常燃燒機理進行研究。從藥柱結(jié)構(gòu)特性和燃氣發(fā)生器燃燒室結(jié)構(gòu)特性發(fā)現(xiàn)，前端燃氣流速較小，基但通道內(nèi)上游區(qū)域的端區(qū)二次流損失相對較大，后加載葉型設(shè)計通道內(nèi)端區(qū)二次流損失較小，但通道內(nèi)下游區(qū)域的葉型損失較大，中間加載葉型通道內(nèi)下游區(qū)域端區(qū)二次流損失比前加載大，但總二次流損失比前加載葉型小，且葉型損失與前加載葉型設(shè)計相當，因此中間加載優(yōu)化方案具有更優(yōu)的氣動性能。