馮 進(jìn)，張慢來(lái)，張先勇

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

平面葉柵軸流渦輪設(shè)計(jì)沖角的確定

馮 進(jìn)，張慢來(lái)，張先勇

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

通過(guò)分析最高效率點(diǎn)的實(shí)際液流平均進(jìn)口方向，提出了流道中線決定實(shí)際設(shè)計(jì)的液流平均流動(dòng)方向的觀點(diǎn)，分析了實(shí)際機(jī)械性能與設(shè)計(jì)存在偏差的原因，較好解決了渦輪葉片在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中沖角選擇的問(wèn)題，從而提高了渦輪設(shè)計(jì)的正確性，其結(jié)論對(duì)其他同類渦輪機(jī)械的葉片造型設(shè)計(jì)也具有很好的參考價(jià)值。

平面葉柵；軸流渦輪；設(shè)計(jì)；沖角

渦輪機(jī)械應(yīng)用非常廣泛，它通過(guò)葉柵葉片與流體的相互作用，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換[1]。渦輪的機(jī)械性能與渦輪葉柵葉型的水力性能密切相關(guān)，改進(jìn)渦輪葉柵葉型的水力性能一直是渦輪機(jī)械的研究核心，其中沖角對(duì)水動(dòng)力的影響是廣泛關(guān)注和研究的主要內(nèi)容之一[2]。在平面葉柵軸流渦輪設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)沖角通過(guò)影響葉片進(jìn)口結(jié)構(gòu)角，改變?nèi)~片壓力面和吸力面型線變化規(guī)律以及兩葉片間的通道[2]。在相同的設(shè)計(jì)液流進(jìn)口角下，若設(shè)計(jì)沖角選擇不合理，往往造成理論設(shè)計(jì)的機(jī)械性能與實(shí)際機(jī)械性能存在程度不同的差異。因此，合理確定設(shè)計(jì)沖角大小，對(duì)提高渦輪設(shè)計(jì)質(zhì)量和深入研究沖角對(duì)渦輪水動(dòng)力的影響，具有重要意義。

在石油工業(yè)中，井下水動(dòng)力渦輪是典型的平面葉柵軸流渦輪機(jī)械之一，筆者以此為例進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題的分析和討論。

1 沖 角

1.1葉片骨線和流道中線的進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)角

葉片骨線是公切同一葉片壓力面與吸力面的內(nèi)切圓圓心軌跡，流道中線是公切過(guò)流通道壓力面與吸力面的內(nèi)切圓圓心軌跡，如圖1所示。傳統(tǒng)葉柵葉型水力設(shè)計(jì)以葉片骨線為參照系，研究平均流動(dòng)偏離葉片骨線的程度，建立葉片與流體的相互作用關(guān)系和能量轉(zhuǎn)換，其基礎(chǔ)是葉片無(wú)限多無(wú)限薄的假設(shè)。但是，渦輪葉片數(shù)有限且具有一定厚度，兩葉片間的通道實(shí)際控制流體流動(dòng)，研究平均流動(dòng)偏離流道中線的程度，建立葉柵葉片與流體的相互作用關(guān)系和能量轉(zhuǎn)換，對(duì)于提高渦輪設(shè)計(jì)精度是非常重要的。流道中線一般不與葉片骨線重合(圖2)，流道中線僅與過(guò)流通道的幾何形狀和尺寸相關(guān)，當(dāng)葉柵葉型的幾何形狀和尺寸一定時(shí)，流道中線是唯一的，具有結(jié)構(gòu)性[3,4]。葉片骨線進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)角分別用β1k和β2k表示，同樣定義流道中線進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)角β1mk和β2mk。

圖1 葉片骨線和流道中線 圖2 葉片骨線和流道中線結(jié)構(gòu)角

1.2葉片沖角和葉柵沖角

沖角表示葉柵進(jìn)口額線處液流角對(duì)結(jié)構(gòu)角的偏離程度，傳統(tǒng)的沖角是指葉柵進(jìn)口額線處液流角對(duì)葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角的偏離程度，筆者把它稱為葉片沖角iy，而葉柵進(jìn)口額線處液流角對(duì)流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角的偏離程度稱為葉柵沖角im。對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子，葉片沖角和葉柵沖角分別為:

iyβ=β1-β1kimβ=β1-β1mk

對(duì)渦輪定子，葉片沖角和葉柵沖角分別為:

iyα=α2-α2kimα=α2-α2mk

只有葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角與流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角相等時(shí)，葉片沖角才等于葉柵沖角，這是容易被忽視的，應(yīng)特別注意。根據(jù)傳統(tǒng)的葉柵理論，葉片沖角為零時(shí)流體的沖擊能量損失最小。若葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角與流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角不相等，葉片沖角為零時(shí)葉柵沖角不為零，而葉柵沖角為零時(shí)葉片沖角不為零。因此，必須分析哪一種情況下流體的沖擊能量損失最小。

2 實(shí)際設(shè)計(jì)液流方向的確定

流體通過(guò)兩葉片間流道時(shí)，其能量損失主要包括摩擦能量損失和沖擊能量損失。試驗(yàn)表明，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)摩擦能量損失變化不大，而沖擊能量損失變化非常大。對(duì)于某一渦輪，必然存在沖擊能量損失最小的轉(zhuǎn)速，偏離這一轉(zhuǎn)速越大，沖擊能量損失也越大，通常沖擊能量損失最小對(duì)應(yīng)于渦輪的最高效率點(diǎn)。下面通過(guò)實(shí)例說(shuō)明最高效率點(diǎn)的液流進(jìn)口方向與葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向和流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向的關(guān)系。

某型井下水力增壓渦輪，流量27L/s時(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2750r/min，流道平均過(guò)流直徑92.5mm,葉片徑向長(zhǎng)度12.5mm，葉片軸向長(zhǎng)度12mm；設(shè)計(jì)液流角α1d=29.20905°，α2d=90°，β1d=90°，β2d=29.20905°，葉片安裝角48°，設(shè)計(jì)葉片沖角為零，進(jìn)出口速度如圖3(a)所示。

通過(guò)全三維CFD模擬和臺(tái)架試驗(yàn)[5]，壓降隨轉(zhuǎn)速增加而下降，最高效率點(diǎn)的轉(zhuǎn)速與理論設(shè)計(jì)結(jié)果基本相同，而扭矩小于理論設(shè)計(jì)值，實(shí)際呈現(xiàn)圖3(b)的速度三角形，說(shuō)明液流進(jìn)口方向不是沿葉片骨線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向。

圖3 設(shè)計(jì)工況的進(jìn)、出口速度三角形

3 設(shè)計(jì)葉片沖角

3.1設(shè)計(jì)葉片沖角的確定

要實(shí)現(xiàn)流道中線在前、后緣額線處的切線與設(shè)計(jì)液流方向一致，需要調(diào)整葉柵造型設(shè)計(jì)的相關(guān)幾何參數(shù)，改變壓力面和吸力面型線的變化規(guī)律。一般情況下傳統(tǒng)葉柵造型設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)要求，可以滿足流道中線在后緣額線處的切線與設(shè)計(jì)液流出口方向基本一致。因此，這里重點(diǎn)討論流道中線在前緣額線處的切線與設(shè)計(jì)液流進(jìn)口方向一致的問(wèn)題。

由前面分析可知，最高效率的液流角恒等于流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角，所以要求葉柵葉片造型設(shè)計(jì)時(shí)滿足流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角β1mk和α2mk等于對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)液流進(jìn)口角β1d和α2d。當(dāng)葉柵沖角imβ和imα等于零時(shí)，對(duì)應(yīng)iyβ=β1d-β1k和iyα=α2d-α2k就是設(shè)計(jì)葉片沖角，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)葉片沖角的大小和正負(fù)不是任意選取的。

3.2設(shè)計(jì)葉片沖角的實(shí)現(xiàn)

在葉柵葉型造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角與理論設(shè)計(jì)液流進(jìn)口角在造型初期可能不相同，要經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整前后緣邊楔角、沖角、葉片型線、葉柵距等，才能實(shí)現(xiàn)流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角與理論設(shè)計(jì)液流進(jìn)口角相等。要獲得正確的設(shè)計(jì)沖角，必須應(yīng)用渦輪葉柵葉型設(shè)計(jì)的CAD方法，才能保證精度要求。實(shí)踐表明，改變?nèi)~片沖角，對(duì)流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角影響顯著，通過(guò)反復(fù)調(diào)整，可以得到設(shè)計(jì)要求。

一般做法如下：初取葉片沖角為零，調(diào)整葉柵葉片幾何參數(shù)和葉片型線，滿足葉柵葉片造型設(shè)計(jì)的常規(guī)要求；然后，再調(diào)整葉片沖角，使葉柵沖角等于零，且葉片沖角在推薦范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)例分析，明確流道中線進(jìn)口結(jié)構(gòu)角決定最高效率點(diǎn)的液流進(jìn)口方向，而不是葉片骨線進(jìn)口方向，設(shè)計(jì)葉片沖角對(duì)應(yīng)于葉柵沖角為零時(shí)的葉片沖角。渦輪葉柵葉片造型設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)葉片沖角和葉柵葉片造型幾何參數(shù)，使流道中線進(jìn)出口結(jié)構(gòu)角等于理論設(shè)計(jì)液流角。設(shè)計(jì)葉片沖角的大小和正負(fù)不是任意選取的，而是由滿足葉柵進(jìn)口結(jié)構(gòu)角等于理論設(shè)計(jì)液流進(jìn)口角條件所決定的，克服了設(shè)計(jì)葉片沖角選擇的盲目性。筆者研究結(jié)論對(duì)提高平面葉柵軸流渦輪設(shè)計(jì)質(zhì)量具有重要作用，對(duì)其他同類渦輪機(jī)械的葉片造型設(shè)計(jì)也具有很好的參考價(jià)值。

[1]舒士甄.葉輪機(jī)械原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1991.

[2]周遜，王振峰，王祥鋒，等.沖角變化對(duì)渦輪葉柵內(nèi)間隙流動(dòng)的影響[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2009，23(3)：65～69.

[3]唐洪飛，黃洪雁，萬(wàn)金. 大子午擴(kuò)張渦輪過(guò)渡段的子午型線[J]. 推進(jìn)技術(shù)，2009，30(4)：439～445.

[4]張華良，譚春青，董學(xué)智，等.超高負(fù)荷渦輪彎曲葉柵的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，24(10)：2314～2318.

[5]馮進(jìn)，張慢來(lái)，劉孝光，等.應(yīng)用CFD軟件模擬Φ115 mm渦輪鉆具機(jī)械特性[J]. 天然氣工業(yè)，2006，26(7)：71～73

[編輯] 易國(guó)華

2009-08-21

馮進(jìn)(1958-)男，1997年大學(xué)畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事流體機(jī)械與工程方面的教學(xué)與研究工作。

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