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        渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)研究

        2015-11-19 08:41:30陳一鳴楊曉梅劉火星
        航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:基準(zhǔn)點(diǎn)高空渦輪

        陳一鳴,楊曉梅,梁 赟,劉火星

        (1.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100191;2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京100191)

        0 引言

        渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)具有經(jīng)濟(jì)性好、起飛拉力大、技術(shù)發(fā)展?jié)摿Υ蠛铜h(huán)境適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在中低速或?qū)Φ退傩阅苡袊?yán)格要求的巡邏、反潛或滅火等類型飛機(jī)上廣泛應(yīng)用[1-5]。

        自由渦輪式渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的主流,由動(dòng)力渦輪單獨(dú)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。該動(dòng)力渦輪具有多恒定轉(zhuǎn)速的特點(diǎn),即渦輪工作轉(zhuǎn)速為恒定的若干個(gè)值。與常規(guī)渦輪相比,多恒定轉(zhuǎn)速渦輪在多個(gè)狀態(tài)點(diǎn)工作時(shí)效率均較高,且在巡航狀態(tài)下轉(zhuǎn)速較低、負(fù)荷較大[6]。渦輪設(shè)計(jì)工作是1個(gè)從低維到高維的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程,低維的設(shè)計(jì)結(jié)果是高維設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。低維尤其是1維設(shè)計(jì)方法,如果使用得當(dāng),可以抓住葉輪機(jī)內(nèi)部最主要的物理本質(zhì),在很大程度上決定所設(shè)計(jì)葉輪機(jī)的性能水平,具有舉足輕重的作用,是設(shè)計(jì)流程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),也是各航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的核心技術(shù)之一[7-11]。常規(guī)的渦輪1維設(shè)計(jì)方法以地面為設(shè)計(jì)點(diǎn),對巡航狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)性能,所需設(shè)計(jì)周期較長。國內(nèi)外目前還沒有針對多恒定轉(zhuǎn)速渦輪的1維設(shè)計(jì)方法,NASA雖然提出了多轉(zhuǎn)速渦輪的研究計(jì)劃,但目前還沒有可以很好兼顧多狀態(tài)點(diǎn)性能的1維設(shè)計(jì)方法[12-15]。

        為了縮短設(shè)計(jì)周期,本文研究了動(dòng)力渦輪多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)方法,在設(shè)計(jì)初期就能有效地評估渦輪在各狀態(tài)下的性能。

        1 動(dòng)力渦輪多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)方法

        動(dòng)力渦輪多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪在不同工作狀態(tài)下的速度三角形換算。在渦輪設(shè)計(jì)中速度三角形分析占有十分重要的地位,對于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來說,掌握渦輪速度三角形參數(shù)就能大體判斷該渦輪的性能。了解渦輪在若干狀態(tài)下的速度三角形就可以判斷出渦輪出口絕對氣流角是否滿足要求;同時(shí)還可以折中選擇合適的進(jìn)口幾何構(gòu)造角進(jìn)行葉柵造型以使渦輪葉片在若干工作狀態(tài)下的來流攻角較小。

        1.1 設(shè)計(jì)方法理論推導(dǎo)

        動(dòng)力渦輪多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)方法將2個(gè)狀態(tài)點(diǎn)分別作為基準(zhǔn)點(diǎn)和匹配點(diǎn)。首先針對基準(zhǔn)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行1套完整速度三角形設(shè)計(jì)。其次根據(jù)以下2條規(guī)則推算出匹配點(diǎn)的速度三角形:(1)渦輪部件在2個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)流道幾何面積相等;(2)由于葉片出口幾何構(gòu)造角相等,認(rèn)為葉片出口落后角變化不大,從而速度三角形中的導(dǎo)葉出口絕對氣流角和動(dòng)葉出口相對氣流角在2個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)基本相等。最后,根據(jù)2個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的速度三角形特點(diǎn),選擇合適的進(jìn)、出口氣流角用于葉柵造型。在推算出匹配點(diǎn)的速度三角形后應(yīng)對其進(jìn)行分析是否合理。若不合理,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

        依次將1導(dǎo)進(jìn)口、1導(dǎo)1動(dòng)之間、1動(dòng)出口、2導(dǎo)2動(dòng)之間、2動(dòng)出口定義為0、1、2、3、4截面,將設(shè)計(jì)點(diǎn)、匹配點(diǎn)分別定義為Ⅰ、Ⅱ。

        基準(zhǔn)點(diǎn)速度三角形的設(shè)計(jì)是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)選取參數(shù)計(jì)算得到的,假定現(xiàn)在已經(jīng)完成了基準(zhǔn)點(diǎn)速度三角形的設(shè)計(jì),利用渦輪部件在2個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)流道幾何面積相等以及導(dǎo)葉出口絕對氣流角和動(dòng)葉出口相對氣流角相等的條件來推導(dǎo)匹配點(diǎn)的速度三角形。

        首先和基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)部分一樣需計(jì)算出相應(yīng)總參數(shù),其中,效率和功分配系數(shù)的預(yù)估應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)點(diǎn),對比設(shè)計(jì)點(diǎn)和匹配點(diǎn)的參數(shù)特點(diǎn),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)(例如負(fù)荷較大工況的效率會(huì)較低,膨脹比較大的工況后面級功分配系數(shù)會(huì)較大)初步確定預(yù)估值。然后利用總參數(shù)和預(yù)估值進(jìn)行各截面的流量匹配。本文著重介紹第1級渦輪的流量匹配過程,第2級渦輪的與其類似。

        1.2 1截面流量匹配

        根據(jù)0截面參數(shù)無量綱化的1截面流量為

        假設(shè)導(dǎo)葉恢復(fù)系數(shù)在2種狀態(tài)下相同,定義相對折合流量為匹配點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)折合流量之比為

        得到關(guān)于基準(zhǔn)點(diǎn)和匹配點(diǎn)流量系數(shù)的等式為

        由于基準(zhǔn)點(diǎn)和匹配點(diǎn)的導(dǎo)葉出口絕對氣流角相等,根據(jù)氣動(dòng)函數(shù)可得1截面的流量匹配公式為

        1.3 2截面流量匹配

        以0截面參數(shù)無量綱化的2截面流量為

        定義π1r為第1級渦輪相對膨脹比匹配點(diǎn)與同基準(zhǔn)點(diǎn)的比值為

        τ1r為第1級渦輪相對溫比,表示匹配點(diǎn)與同基準(zhǔn)點(diǎn)的比值為

        比較匹配點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)2截面的無量綱表達(dá)式可得

        再根據(jù)氣動(dòng)函數(shù)的定義及速度三角形關(guān)系得到2截面的流量匹配式為

        1.4 速度三角形的計(jì)算

        根據(jù)式(4)可以計(jì)算出匹配點(diǎn)1截面即第1級導(dǎo)葉出口的絕對速度系數(shù)λ1Π,由于已經(jīng)假定匹配點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的導(dǎo)葉出口絕對氣流角相等,還可以分別計(jì)算出第1級導(dǎo)葉出口軸向和周向速度系數(shù)分別為

        由于在初始已計(jì)算出相應(yīng)的總參數(shù),根據(jù)

        利用式(12)即可求出2截面匹配點(diǎn)的周向速度系數(shù)λ2uΠ,由于匹配點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)動(dòng)葉出口的相對氣流角相等,由速度三角形的關(guān)系,可以得到周向速度系數(shù)λ2aΠ為

        進(jìn)一步可以算出

        將λ2αΠ、λ2Π代入式(9)中,等式是否成立。若不成立,修改匹配點(diǎn)的功分配系數(shù)及效率的預(yù)估值,重復(fù)上述匹配過程,直至式(9)成立。第2級渦輪的匹配過程與方法同第1級渦輪的類似。2級渦輪匹配工作完成之后,匹配點(diǎn)各級的速度三角形就還原出來,進(jìn)而根據(jù)速度三角形可以計(jì)算出匹配點(diǎn)各級載荷系數(shù)、流量系數(shù)、反力度、軸向速比等于設(shè)計(jì)相關(guān)的參數(shù)以及各葉片進(jìn)、出口的氣流角,檢驗(yàn)這些參數(shù)是否合理,是否處于經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。若不合理,適當(dāng)調(diào)整基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù),再進(jìn)行匹配,直到基準(zhǔn)點(diǎn)與匹配點(diǎn)的速度三角形都較為合理。

        2 動(dòng)力渦輪多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)過程

        2.1 設(shè)計(jì)要求

        利用多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)方法對渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該渦輪需要驗(yàn)證的3種狀態(tài)下的設(shè)計(jì)要求見表1。由于最大連續(xù)狀態(tài)負(fù)荷處于地面起飛和高空巡航狀態(tài)之間,于是選擇這2種狀態(tài)為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。流道采用某已知雙級動(dòng)力渦輪的流道。

        表1 設(shè)計(jì)要求

        2.2 1維參數(shù)計(jì)算

        根據(jù)功率要求,初步估計(jì)地面起飛、高空巡航狀態(tài)下的效率分別為93%、92%。由于高空巡航狀態(tài)負(fù)荷較大,為了保證末級出口氣流角與軸向的偏離較小,選擇其功分配為第1、2級渦輪分別占58%、42%。由于地面起飛狀態(tài)下的膨脹比小于巡航狀態(tài)下的,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在起飛狀態(tài)下的第1級渦輪功分配比例將會(huì)比巡航狀態(tài)下的大,初步預(yù)估起飛狀態(tài)下的功分配為第1、2級渦輪分別占61%、39%,該分配是否合適在匹配過程中將得到驗(yàn)證。1維計(jì)算參數(shù)見表2,由于渦輪流道幾何已知,流道面積和牽連速度都可直接計(jì)算。

        2.3 速度三角形推導(dǎo)

        選擇高空巡航、地面起飛狀態(tài)分別作為基準(zhǔn)點(diǎn)和匹配點(diǎn)。采用動(dòng)力渦輪多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算并調(diào)整后,可以得到葉中速度三角形。選擇一定的扭向規(guī)律可以得到葉根和葉尖的速度三角形,最終方案為第1、2級渦輪分別選擇中間和等角扭向規(guī)律,并認(rèn)為渦輪在基準(zhǔn)點(diǎn)和匹配點(diǎn)的扭向規(guī)律基本不變,見表3。

        表2 1維計(jì)算參數(shù)

        表3 基準(zhǔn)點(diǎn)及匹配點(diǎn)速度三角形相似參數(shù)

        2.4 葉型設(shè)計(jì)

        渦輪葉中截面在基準(zhǔn)點(diǎn)和匹配點(diǎn)的速度三角形如圖1所示,圖中黑色為基準(zhǔn)點(diǎn),紅色為匹配點(diǎn)。從圖中可見,導(dǎo)葉的絕對出口氣流角和動(dòng)葉的相對出口氣流角在基準(zhǔn)點(diǎn)和匹配點(diǎn)是相同的,符合理論推導(dǎo)的假設(shè)前提條件。而進(jìn)口氣流角在2種狀態(tài)下是不同的,對于第1、2級動(dòng)葉和第2級導(dǎo)葉,若以基準(zhǔn)點(diǎn)速度三角形進(jìn)行葉型設(shè)計(jì),在匹配點(diǎn)的葉片將處于負(fù)攻角狀態(tài);反之,若以匹配點(diǎn)的速度三角形進(jìn)行葉型設(shè)計(jì),在基準(zhǔn)點(diǎn)的葉片將處于正攻角狀態(tài)。由于渦輪葉片在適當(dāng)?shù)呢?fù)攻角下能獲得較好的性能,在設(shè)計(jì)過程中兼顧2種狀態(tài)下的進(jìn)口氣流角的前提下,進(jìn)口幾何構(gòu)造角的選取較偏向于基準(zhǔn)點(diǎn)的速度三角形,同理進(jìn)行其他截面的分析。對于葉片的3維造型,導(dǎo)、動(dòng)葉分別采用前緣和質(zhì)心積疊,葉片數(shù)目分別為47、73、59、73。

        3 3維數(shù)值模擬驗(yàn)證

        對渦輪在高空巡航、最大連續(xù)、地面起飛3種狀態(tài)下進(jìn)行了3維數(shù)值模擬,如圖2所示。采用商用軟件CFX13.0求解3維定常黏性雷諾平均N-S方程,數(shù)值方法采用時(shí)間追趕的有限體積法,空間、時(shí)間離散分別采用2階迎風(fēng)和2階后差歐拉格式。湍流模型選用SST模型。

        圖2 3維計(jì)算網(wǎng)格

        3.1 總體性能分析

        在不同狀態(tài)下渦輪進(jìn)口流量計(jì)算值與設(shè)計(jì)值之比mr見表4。從表中可見在各狀態(tài)下的流量都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

        在不同狀態(tài)下渦輪各級的功、膨脹比和效率等性能參數(shù)以及渦輪末級出口氣流角見表5。從總體性能方面看,渦輪達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可得到不同狀態(tài)下的渦輪負(fù)荷排序,從大到小依次為:高空巡航狀態(tài)、最大連續(xù)狀態(tài)、地面起飛狀態(tài),所以渦輪的效率排序從小到大依次為:高空巡航狀態(tài)、最大連續(xù)狀態(tài)、地面起飛狀態(tài)。在不同狀態(tài)下渦輪的效率變化都不大,與設(shè)計(jì)初衷一致,通過考慮多個(gè)狀態(tài)點(diǎn),使渦輪在不同狀態(tài)下均能取得較高效率。從氣流角的方面看,由于渦輪在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了不同狀態(tài)下出口氣流角的變化(氣流角偏離軸向均不太大),從而后機(jī)匣的損失均不至于過大,在最大連續(xù)狀態(tài)下基本軸向出氣,在地面起飛狀態(tài)下偏離7°有余,在高空巡航狀態(tài)下偏離6°有余,可見該方法預(yù)估的氣流角較為準(zhǔn)確。

        表4 在不同狀態(tài)下的渦輪進(jìn)口流量

        表5 不同狀態(tài)下渦輪總體性能參數(shù)

        在不同狀態(tài)下渦輪的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表6。從載荷系數(shù)看,在高空巡航狀態(tài)下的負(fù)荷最大,為了保證渦輪出口氣流角將較大的負(fù)荷放在了第1級渦輪,使得載荷系數(shù)超過了2;同時(shí)由于第2級渦輪載荷較小,氣流加速性相對較差,均給設(shè)計(jì)帶來一定難度。從功分配看,在不同狀態(tài)下的變化趨勢相同,第1級渦輪功分配系數(shù)最大的情況均發(fā)生在膨脹比最小的地面起飛狀態(tài)。從流量系數(shù)看,3種狀態(tài)下流量系數(shù)變化趨勢一致,在高空巡航狀態(tài)下的流量系數(shù)較大。反力度在不同狀態(tài)下的變化不大。

        表6 不同狀態(tài)下渦輪設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

        3.2 流場分析

        本文只給出了在巡航狀態(tài)下的流場分析,在起飛狀態(tài)及最大連續(xù)狀態(tài)下的流場分析與之類似。

        在高空巡航狀態(tài)下渦輪各級反力度、流量系數(shù)和載荷系數(shù)沿徑向的分布如圖3所示。各級反力度的最小值和最大值均處于經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi),渦輪第1級渦輪扭向規(guī)律取中間規(guī)律,第2級渦輪由于反力度平均值取得較小,選擇了等扭向規(guī)律,反力度沿徑向的變化較小,容易保證根部反力度。

        在高空巡航狀態(tài)下渦輪各葉片排進(jìn)口的相對氣流角和葉片的幾何構(gòu)造角沿徑向的分布,以及渦輪出口絕對氣流角沿徑向的分布如圖4所示。由于設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)口氣流角的選擇接近于在高空巡航狀態(tài)下的速度三角形,因此在該狀態(tài)下各葉片排幾何構(gòu)造角和進(jìn)口氣流角基本對應(yīng)。

        在高空巡航狀態(tài)下渦輪各葉片根中尖的負(fù)荷分布如圖5所示,用等熵馬赫數(shù)表示。各葉片均采用后加載形式,相關(guān)研究表明,適當(dāng)?shù)姆绞郊由衔簿墧U(kuò)散度是比較適合于低壓渦輪的負(fù)荷分布形式。由于激波的存在,第1級導(dǎo)葉葉根靠近尾緣處的等熵馬赫數(shù)在很小軸向范圍內(nèi)大幅降低,并出現(xiàn)1個(gè)很小區(qū)域的壓力平臺。由于葉片根部反力度較小,各級動(dòng)葉葉根區(qū)域流體的加速性均不是很好。

        圖3 在高空巡航狀態(tài)下設(shè)計(jì)參數(shù)徑向分布

        圖4 在高空巡航狀態(tài)下的氣流角與構(gòu)造角

        圖5 高空巡航狀態(tài)負(fù)荷分布

        在高空巡航狀態(tài)下的葉根、中、尖處S1流面馬赫數(shù)云圖和極限流線如圖6所示。從圖中可見渦輪第1級導(dǎo)葉葉根處的激波。由于激波和邊界層的相互作用,渦輪第1級導(dǎo)葉葉根區(qū)域發(fā)生了分離并再附。

        在高空巡航狀態(tài)下各葉片表面靜壓云圖和極限流線如圖7所示。由于激波和邊界層相互作用,在渦輪第1級導(dǎo)葉葉根區(qū)域發(fā)生了分離并再附。

        圖6 在高空巡航狀態(tài)下葉片S1流面馬赫數(shù)及極限流線

        圖7 在高空巡航狀態(tài)下各葉片表面靜壓力及極限流線

        4 結(jié)論

        (1)多設(shè)計(jì)點(diǎn)耦合設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)初始時(shí)就能確定渦輪在各設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能;

        (2)該方法可以初步計(jì)算不同狀態(tài)點(diǎn)下的速度三角形,從而估計(jì)出其相似參數(shù)、出口絕對氣流角等參數(shù);同時(shí),在葉片造型時(shí)可以根據(jù)不同狀態(tài)下的速度三角形進(jìn)行優(yōu)化選取進(jìn)口幾何構(gòu)造角,使得渦輪在不同狀態(tài)下的來流條件較好;

        (3)從3維計(jì)算結(jié)果可知,利用該方法設(shè)計(jì)出的渦輪在保證各狀態(tài)下出口絕對氣流角偏離軸向不大的同時(shí)效率差別較小。得到的不同狀態(tài)下的速度三角形和設(shè)計(jì)時(shí)理論計(jì)算結(jié)果變化趨勢一致,并較為接近,理論計(jì)算能有效地預(yù)估不同狀態(tài)下的進(jìn)、出口氣流角。

        致謝

        感謝北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院鄒正平教授在本課題研究中給予指導(dǎo)和幫助。

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