基于非定常射流的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)調(diào)節(jié)性能研究

楊榮菲，祝濤冉

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

與常規(guī)渦輪相比，對(duì)轉(zhuǎn)渦輪具有效率高、質(zhì)量輕、陀螺力矩小的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)及性能分析方面開展了大量研究工作[1]。由于對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓轉(zhuǎn)子出口流動(dòng)全展向超音，如何實(shí)現(xiàn)高壓渦輪變工況流量調(diào)節(jié)，是其實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用需解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

除了從氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面尋求解決方案，流動(dòng)控制也是實(shí)現(xiàn)高壓渦輪變工況流量調(diào)節(jié)的有效方案。目前，對(duì)轉(zhuǎn)渦輪流量調(diào)節(jié)方法主要包括可調(diào)導(dǎo)葉的機(jī)械調(diào)節(jié)和冷氣射流的氣動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式。雒偉偉等[2]發(fā)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的高壓導(dǎo)葉角度增加15°或-8°，渦輪流量變化范圍約為25%。但高溫環(huán)境下可調(diào)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)密封及冷卻問題，且調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)增加了額外的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及質(zhì)量。在氣動(dòng)調(diào)節(jié)研究方面，最早始于1971年KLINE J等[3]對(duì)一個(gè)帶有射流襟翼的渦輪葉片進(jìn)行的二維平面葉柵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)射流使主流的流動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而改變渦輪的進(jìn)口流量。氣動(dòng)調(diào)節(jié)是通過在渦輪葉片或端壁加工類似氣膜孔的結(jié)構(gòu)來(lái)噴氣堵塞流道以實(shí)現(xiàn)渦輪流量調(diào)節(jié)的目的。理論上，該方法較機(jī)械式調(diào)節(jié)方案更有優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在射流方案簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量影響小。自2007年以后，國(guó)內(nèi)開始對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)調(diào)節(jié)方法開展研究。楊旸[4]采用理論分析及數(shù)值計(jì)算的方法驗(yàn)證了氣動(dòng)調(diào)節(jié)渦輪流量的有效性；付超[5]分析了定常射流參數(shù)影響渦輪性能的規(guī)律；史文斌[6]完成了氣動(dòng)調(diào)節(jié)的原理性驗(yàn)證；閆晨等[7]研究了導(dǎo)葉端區(qū)定常射流調(diào)節(jié)渦輪流量的效果。這些研究成果都證明了定常射流氣動(dòng)調(diào)節(jié)渦輪流量的有效性。

從流動(dòng)分離控制角度而言，普遍認(rèn)為非定常射流與定常射流都能有效抑制流動(dòng)分離，其中非定常射流更節(jié)省能量[8]。張少博等[9]的數(shù)值研究認(rèn)為脈沖式射流影響下的渦輪效率略微高于定常射流，低頻率脈沖射流效果優(yōu)于高頻，但其數(shù)值研究中轉(zhuǎn)靜交界面采用了定常計(jì)算，非定常射流僅采用了脈沖射流，故有必要對(duì)文獻(xiàn)[9]得到的結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證。基于此，本文以某1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓部件為研究對(duì)象，非定常數(shù)值計(jì)算研究了正弦波、方波射流頻率、幅值以及方波射流占空比對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響情況，并分析了非定常射流影響渦輪氣動(dòng)性能的流動(dòng)機(jī)理。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 研究方案

以某對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓部件為研究對(duì)象，此渦輪的設(shè)計(jì)參數(shù)見文獻(xiàn)[10]。根據(jù)定常數(shù)值計(jì)算獲得的最佳射流參數(shù)方案，本文在導(dǎo)葉60%軸向弦長(zhǎng)處均勻布置17個(gè)射流孔，射流孔直徑1 mm，射流角度為120°。以無(wú)射流的渦輪設(shè)計(jì)工況為基準(zhǔn)，射流孔產(chǎn)生的非定常射流流量相較于基準(zhǔn)工況渦輪進(jìn)口流量按照正弦、方波形式非定常變化見式(1)-式(2)。

mi,s=A|sin(πft)|

(1)

(2)

式中：A是射流幅值；t是射流時(shí)間；f是射流頻率；D是射流占空比。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

由于高壓渦輪靜-轉(zhuǎn)葉片數(shù)約化之后葉片數(shù)通道數(shù)之比為21∶40，為減少計(jì)算量，改變導(dǎo)葉葉片數(shù)，使其與轉(zhuǎn)子葉片數(shù)之比約化為1∶2，見圖1(a)。渦輪葉片流道采用Autogrid5自動(dòng)生成HOH型拓?fù)渚W(wǎng)格，忽略葉尖間隙，加密近壁區(qū)的網(wǎng)格以保證y+<1。射流孔采用蝶形網(wǎng)格，為提高射流孔與葉片通道交界面處的插值精度，加密葉片主流道中射流孔附近的流向網(wǎng)格，見圖1(b)。最終導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)子以及射流孔計(jì)算域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分別為206×104、311.9×104、314.5×104。

圖1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)算模型示意圖

數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件CFX18.1，對(duì)流空間離散采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間離散采用二階后差歐拉格式、SST湍流模型。渦輪進(jìn)口給定總溫1 800 K、總壓3 351 520 Pa；出口給定背壓，固壁采用無(wú)滑移邊界，周向邊界采用周期性邊界條件，非定常計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)靜交界面采用滑移平面，非定常時(shí)間步長(zhǎng)為1.66 811×10-6s，相當(dāng)于轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片通道需30個(gè)時(shí)間步；射流孔進(jìn)口給定總溫、流量，其中總溫為渦輪進(jìn)口總溫的0.44倍，流量按照式(1)-式(2)的形式給定。

1.3 氣動(dòng)性能評(píng)價(jià)參數(shù)

為了評(píng)估冷氣射流對(duì)渦輪氣動(dòng)調(diào)節(jié)效果的影響，以無(wú)射流渦輪的性能參數(shù)為基準(zhǔn)，定義渦輪進(jìn)口相對(duì)流量Rc、相對(duì)效率變化量De、相對(duì)膨脹比RP如下：

(3)

式中：m0表示渦輪進(jìn)口流量；P和η表示渦輪的膨脹比和效率，下標(biāo)“R”、“j”分別為基準(zhǔn)工況和冷氣射流工況。

式(3)中考慮冷氣射流的渦輪效率定義式[11]如下：

(4)

式中：NT表示渦輪輸出軸功率；h1t表示級(jí)間總焓；h′2t表示達(dá)到渦輪總膨脹比的渦輪出口理想總焓。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 渦輪氣動(dòng)性能分析

1)正弦射流

為了獲得正弦射流參數(shù)調(diào)節(jié)渦輪氣動(dòng)性能的規(guī)律，首先研究射流頻率的影響。選取射流幅值A(chǔ)=3.15%，數(shù)值計(jì)算得到4種射流頻率下的渦輪氣動(dòng)性能變化情況見圖2。由圖2可以看出，渦輪進(jìn)口流量及膨脹比的變化量隨射流頻率的變化可忽略不計(jì)；隨射流頻率增加，渦輪效率衰減量小幅增加，其中射流頻率0.5 kHz較射流頻率20 kHz影響下的渦輪效率提升了0.06個(gè)百分點(diǎn)，效率變化量雖不大，但從下文的方波射流中也可得出低頻射流下渦輪性能收益最佳的相同結(jié)論。

圖2 正弦射流頻率引起渦輪性能改變量

然后研究射流幅值的影響。選取正弦射流頻率2 kHz，數(shù)值計(jì)算射流幅值分別為3.15%、7%和8.82%時(shí)渦輪氣動(dòng)性能變化情況見圖3中的線1，可見射流幅值對(duì)渦輪氣動(dòng)性能影響顯著，隨著射流幅值增加，渦輪的流量調(diào)節(jié)范圍、效率以及膨脹比線性改變。為了分析射流非定常性影響渦輪氣動(dòng)性能的程度，圖3中線2對(duì)比了幅值為2.01%、3.15%、4.42%定常射流折合為幅值3.15%、4.95%、6.89%。從正弦射流下的渦輪氣動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果中可以看出時(shí)均流量相同的正弦射流與定常射流的渦輪性能變化曲線重合，這意味著正弦射流對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響主要體現(xiàn)在與射流幅值相關(guān)的時(shí)均射流流量大小，非定常性的影響可以忽略不計(jì)。

圖3 正弦射流幅值引起渦輪性能改變量

2)方波射流

為了研究方波射流參數(shù)對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，分別選取射流幅值A(chǔ)=3.15%、8.82%，頻率f=0.5 kHz、2 kHz、20 kHz，占空比D=0.1、0.3、0.5。非定常計(jì)算獲得渦輪氣動(dòng)性能較基準(zhǔn)工況變化量隨方波參數(shù)的變化情況見圖4。由圖4可以看出，渦輪流量、膨脹比變化量與射流頻率無(wú)關(guān)，隨著射流幅值增加、占空比增加，渦輪流量、膨脹比變化量線性增加。由于方波射流時(shí)均流量?jī)H與射流幅值、占空比成正比，故認(rèn)為渦輪流量、膨脹比調(diào)節(jié)量?jī)H與非定常射流的時(shí)均流量相關(guān)，與正弦波射流的結(jié)論相一致，這從圖5中也可以看出。圖5為正弦/方波非定常射流、定常射流控制下渦輪性能隨時(shí)均射流流量變化情況。

圖4 方波射流頻率、幅值及占空比引起對(duì)轉(zhuǎn)渦輪性能改變量

圖5 渦輪性能改變量隨定常、非定常射流時(shí)均流量的變化情況

相較而言，渦輪效率的變化量與方波射流頻率、幅值、占空比都相關(guān)，見圖4。隨著射流幅值、占空比增加，對(duì)應(yīng)時(shí)均射流流量增加，引起渦輪效率衰減加劇，這與定常射流、正弦射流獲得的結(jié)論相一致，見圖5。但是隨著射流頻率減小，相同時(shí)均射流流量下渦輪效率衰減量減小，在占空比0.5、幅值8.82%的射流工況中，射流頻率0.5 kHz較射流頻率20 kHz控制下的渦輪效率增加了0.3個(gè)百分點(diǎn)。因此，方波射流時(shí)采用低頻射流有利于利用較低的渦輪效率損失獲得相同的渦輪流量調(diào)節(jié)范圍，與正弦射流頻率的影響相一致。進(jìn)一步分析圖5可以看出，正弦射流引起的渦輪效率衰減量略低于方波射流結(jié)果，意味著非定常射流類型對(duì)渦輪效率的影響不大，同時(shí)兩種非定常射流引起的渦輪效率衰減量與定常射流結(jié)果相差不大，從射流控制的工程實(shí)用而言，定常射流較非定常射流更加簡(jiǎn)單。因此，在對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)調(diào)節(jié)中，建議采用定常射流方案。

2.2 流動(dòng)機(jī)理分析

由于方波射流與正弦射流獲得的渦輪特性線性變化特征相近，兩者影響渦輪氣動(dòng)性能的機(jī)理相同，故這里僅針對(duì)正弦射流控制渦輪氣動(dòng)性能的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)解釋。以幅值3.15%、頻率2 kHz的正弦射流為例，分析t=0T、0.5T時(shí)刻渦輪葉中截面Ma云圖，見圖6。圖6還給出了無(wú)射流、幅值3.15%定常射流時(shí)均結(jié)果，以進(jìn)行對(duì)比，并用加粗線標(biāo)出了導(dǎo)葉喉道位置。可以看出無(wú)射流與正弦射流t=0T時(shí)刻、定常射流與正弦射流t=0.5T時(shí)刻的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、喉道面積近似完全一致，這意味著非定常射流流量形成的堵塞與渦輪導(dǎo)葉喉道面積調(diào)節(jié)同步，非定常射流對(duì)渦輪流量的調(diào)節(jié)相當(dāng)于不同幅值定常射流的線性疊加，兩者之間不存在非線性作用。圖7的結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論，不同頻率、相同幅值3.15%的正弦射流時(shí)均射流流量都為2.01%。圖7(b)中正弦射流影響下渦輪葉中截面的時(shí)均Ma云圖及喉道面積與圖7(a)中幅值2.01%定常射流影響下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)一致。圖7還給出了射流頻率2 kHz下正弦射流幅值8.82%的Ma云圖。可以看出，在相同頻率下，隨著射流幅值增加、射流流量增加，氣動(dòng)堵塞引起渦輪導(dǎo)葉的喉道面積減小，這也是引起圖3中渦輪流量大幅減小的原因。

圖6 無(wú)射流、定常射流時(shí)均馬赫數(shù)及正弦射流瞬時(shí)馬赫數(shù)云圖

圖7 定常射流及正弦射流時(shí)均馬赫數(shù)云圖

圖7中葉柵流動(dòng)損失主要包括激波損失、尾跡損失以及射流低速區(qū)與主流的摻混損失。由于圖7(a)、圖7(b)中相同時(shí)均流量下射流引起的流動(dòng)堵塞面積相同，則理論上葉柵主流激波損失、尾跡損失相同，而射流頻率2 kHz較射流頻率0.5 kHz的射流低速區(qū)速度更低，對(duì)應(yīng)的射流低速區(qū)渦量更大，則射流低速區(qū)與主流的摻混損失更大，這也是低頻非定常射流的效率略高于高頻射流的原因。圖7(c)中激波強(qiáng)度增加、射流低速區(qū)增加是大幅值射流引起渦輪效率大幅降低的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

本文數(shù)值研究了正弦及方波形式非定常冷氣射流影響對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓級(jí)氣動(dòng)性能的規(guī)律及流動(dòng)機(jī)理，得到結(jié)論如下。

1)射流影響下渦輪進(jìn)口流量、膨脹比變化量?jī)H與時(shí)均射流流量相關(guān)，與射流非定常性無(wú)關(guān)，時(shí)均射流流量越大，渦輪流量及膨脹比改變量越大；低速射流堵塞流道引起渦輪喉道面積減小，是造成渦輪流量降低的原因。

2)渦輪效率衰減量與時(shí)均射流流量、射流頻率相關(guān)，時(shí)均射流流量越大，渦輪效率衰減越大，射流頻率越低，渦輪效率衰減量略微減少。

3)非定常射流較定常射流并不能顯著提升渦輪氣動(dòng)性能，而定常射流實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單，故建議對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)調(diào)節(jié)方案采用定常射流。