李 瑜，朱東華，許開富，付 瑜

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(ATR)是將航空發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)融合的一種組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，其綜合性能好、推重比大，具有寬廣的速度和高度工作范圍，并且擁有較高的比沖[1]。空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理如圖1所示[2]。渦輪在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中處于重要的位置，其特性決定了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。

圖1 ATR結(jié)構(gòu)示意圖

空氣渦輪由于流量低，一般采用局部進(jìn)氣沖擊式渦輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。嚴(yán)俊峰[3]采用數(shù)值方法研究了某單級(jí)沖擊式渦輪內(nèi)部流動(dòng)，認(rèn)為沖擊式渦輪內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，渦輪轉(zhuǎn)子的激波損失較大，造成氣流在靠近尾緣部分分離嚴(yán)重。李旭升[4]對(duì)某全周進(jìn)氣超音速?zèng)_擊式氧渦輪進(jìn)行了氣動(dòng)優(yōu)化研究，在原始葉型的基礎(chǔ)上，通過葉型優(yōu)化，使得渦輪的效率提高，渦輪的做功能力增強(qiáng)。本文以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵原理為基礎(chǔ)，建立了兩級(jí)局部進(jìn)氣沖擊式壓力級(jí)渦輪的設(shè)計(jì)方法和流程，完成了某空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的原始設(shè)計(jì)，并對(duì)原始設(shè)計(jì)的渦輪葉型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了渦輪的性能。

1 渦輪方案選擇

某空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪設(shè)計(jì)時(shí)要求流量低、壓比高，并且對(duì)效率和結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格限制。在高壓比條件下，如果采用單級(jí)渦輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，則單級(jí)的焓降大、級(jí)出口的余速無法有效利用，因此單級(jí)渦輪的效率非常低，如果采用兩級(jí)渦輪共同分擔(dān)焓降，則兩級(jí)的流速均會(huì)減少，同時(shí)第一級(jí)的余速可在第二級(jí)中得到利用，因此渦輪的有效功增加，效率提高[5]。由于渦輪流量和結(jié)構(gòu)的限制，如果采用全周進(jìn)氣，則葉片高度太低，二次流損失的比例非常大，為了減少這部分損失，就必須限制葉片的最小高度，因此采用局部進(jìn)氣進(jìn)行渦輪的設(shè)計(jì)[6]。如果采用反力式渦輪設(shè)計(jì)，則動(dòng)葉進(jìn)、出口的壓降會(huì)給渦輪盤帶來較大的軸向力[7]，并且動(dòng)葉的進(jìn)氣弧段和非進(jìn)氣弧段之間的壓差會(huì)引起鼓風(fēng)損失和弧端損失進(jìn)一步增大[8]，使渦輪效率降低，而沖擊式渦輪動(dòng)葉的進(jìn)、出口壓力基本相等，渦輪盤基本上不存在軸向力。初步選擇了兩級(jí)沖擊式速度級(jí)和兩級(jí)沖擊式壓力級(jí)兩種方案，速度分級(jí)中所有壓降在第一級(jí)靜葉產(chǎn)生，因此第一級(jí)靜葉出口馬赫數(shù)非常高，局部會(huì)產(chǎn)生很大的激波損失，而壓力級(jí)通過兩級(jí)靜葉分別承擔(dān)部分壓降，靜葉出口馬赫數(shù)降低，激波損失減少，渦輪效率較高，因此選擇兩級(jí)沖擊式壓力級(jí)作為最終的方案。在兩級(jí)局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中，每一級(jí)都存在局部進(jìn)氣度，如果第二級(jí)的局部進(jìn)氣度小于第一級(jí)的，則第一級(jí)動(dòng)葉部分做功弧段出口的高速動(dòng)能不能充分利用，氣流產(chǎn)生堵塞，渦輪效率較低；反之如果第二級(jí)的局部進(jìn)氣度過于大于第一級(jí)的局部進(jìn)氣度，則第一級(jí)動(dòng)葉非做功弧段正對(duì)的第二級(jí)靜葉中，氣流無法有效加速，使得第二級(jí)的做功能力減少，渦輪效率降低，因此第二級(jí)的局部進(jìn)氣度最好略大于第一級(jí)的，第二級(jí)靜葉的進(jìn)氣部分可以完全包絡(luò)從第一級(jí)動(dòng)葉做功弧段出來的高速氣流，氣流的高速動(dòng)能得到有效利用，渦輪的總體性能較高。綜合上述分析，最終選擇兩級(jí)局部進(jìn)氣沖擊式壓力級(jí)渦輪的作為最終的設(shè)計(jì)方案。

2 渦輪設(shè)計(jì)流程

根據(jù)以上的渦輪設(shè)計(jì)方案，建立了兩級(jí)局部進(jìn)氣沖擊式壓力級(jí)渦輪的設(shè)計(jì)方法，如圖2所示。該設(shè)計(jì)方法的主要步驟和特點(diǎn)如下：

1)根據(jù)總體的設(shè)計(jì)參數(shù)和約束條件，選擇兩級(jí)局部進(jìn)氣沖擊式壓力級(jí)的渦輪方案；

2)初步給定兩級(jí)的壓降分配值，進(jìn)行一維設(shè)計(jì)，得到葉型的幾何參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)，查看兩級(jí)的局部進(jìn)氣度是否滿足渦輪方案設(shè)計(jì)要求，如不滿足則調(diào)整級(jí)間壓降分配值或重新進(jìn)行一維設(shè)計(jì)，直到兩級(jí)局部進(jìn)氣度滿足渦輪方案設(shè)計(jì)要求；

圖2 渦輪設(shè)計(jì)流程

3)根據(jù)一維設(shè)計(jì)得到渦輪葉型的幾何參數(shù)和流動(dòng)特性參數(shù)，進(jìn)行渦輪葉片三維造型；

4)采用全三維數(shù)值方法，按全周進(jìn)氣的假設(shè)進(jìn)行兩級(jí)渦輪單通道的數(shù)值計(jì)算，校核單通道條件渦輪設(shè)計(jì)的結(jié)果；

5)根據(jù)一維設(shè)計(jì)的兩級(jí)局部進(jìn)氣度，進(jìn)行兩級(jí)靜葉周向弧段相對(duì)位置匹配設(shè)計(jì)；

6)進(jìn)行兩級(jí)全三維局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，校核渦輪總體性能參數(shù)(質(zhì)量流量和效率)是否達(dá)到要求，如不滿足則修改渦輪葉片三維造型，重新計(jì)算，直到最終的渦輪性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止；

7)建立的一維熱力設(shè)計(jì)程序，可以根據(jù)渦輪級(jí)數(shù)的需要和局部進(jìn)氣的需要隨時(shí)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)重新進(jìn)行渦輪的設(shè)計(jì)，選擇沖擊式或反擊式，壓力級(jí)或速度級(jí)等不同類型渦輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在葉片的二維造型中，選擇的是貝塞爾曲線進(jìn)行造型，這種曲線的特點(diǎn)是只需要少量的控制點(diǎn)就可以得到相對(duì)平滑、曲率連續(xù)的二維型線，并且局部控制點(diǎn)的變化不會(huì)對(duì)整個(gè)型線造成太大的影響；在葉片的三維積疊成形中，選擇的是直葉片葉型設(shè)計(jì)，彎、扭葉型從理論上可以提高渦輪總體的性能參數(shù)，但是對(duì)于短葉片的設(shè)計(jì)，彎扭葉片帶來的效率提高非常有限，而且會(huì)帶來加工工藝的復(fù)雜性；靜葉出口幾何角決定了動(dòng)葉的做功能力，為了保證靜葉出口幾何角沿葉高相等，因此靜葉的空間積疊中心在葉型的尾緣上，而動(dòng)葉處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，承受較大的離心力和彎曲應(yīng)力，動(dòng)葉的空間積疊中心在葉型的重心上。

在兩級(jí)局部進(jìn)氣弧段進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于兩級(jí)均是非全周進(jìn)氣，在流動(dòng)中會(huì)存在很大的局部進(jìn)氣損失，這種損失和進(jìn)氣弧段數(shù)目有關(guān)，進(jìn)氣弧段數(shù)越多，局部進(jìn)氣損失越大[9]，一個(gè)進(jìn)氣弧段時(shí)，局部進(jìn)氣損失最小，但是渦輪轉(zhuǎn)子將承受較大的徑向力，因此最終采用兩個(gè)進(jìn)氣弧段進(jìn)行設(shè)計(jì)，既減少了局部進(jìn)氣損失又平衡了徑向力。

3 一維熱力設(shè)計(jì)

根據(jù)建立的渦輪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行一維熱力設(shè)計(jì)，得到各級(jí)葉片進(jìn)、出口的幾何參數(shù)，主要包括葉片的根部直徑、頂部直徑、葉片數(shù)、葉片厚度和葉片進(jìn)出口幾何角，以及葉片流動(dòng)特性參數(shù)，主要包括葉片進(jìn)出口的速度、馬赫數(shù)、壓力和溫度等流動(dòng)參數(shù)，并且第二級(jí)的局部進(jìn)氣度稍大于第一級(jí)的局部進(jìn)氣度。

4 葉片幾何葉型

渦輪進(jìn)出口的壓比太高，即使采用兩級(jí)渦輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一級(jí)靜葉出口仍達(dá)到了超音速狀態(tài)，因此將第一級(jí)靜葉通道設(shè)計(jì)成減縮—擴(kuò)張葉型。根據(jù)一維設(shè)計(jì)得到的渦輪幾何和性能參數(shù)，采用Numeca軟件AutoBlade模塊建立渦輪葉片二維模型。圖3中黑色的虛線為設(shè)計(jì)的原始葉型。

圖3 渦輪二維幾何葉型

5 數(shù)值方法及邊界條件

采用商業(yè)軟件CFX進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值方法采用k-ω-sst湍流模型，近壁面采用Automatic方式進(jìn)行處理。在數(shù)值計(jì)算中，各位置狀態(tài)的流動(dòng)參數(shù)變化非常大，y+的變化范圍從幾到幾百，而k-ω-sst湍流模型的近壁面采用Automatic方法，該方法的特點(diǎn)是當(dāng)計(jì)算的y+小于壁面函數(shù)要求時(shí)，近壁面附近的流動(dòng)采用的是低雷諾數(shù)模型進(jìn)行處理，當(dāng)計(jì)算的y+在壁面函數(shù)范圍時(shí)，近壁面附近的流動(dòng)采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理，對(duì)近壁面處理的適應(yīng)性好，帶來的數(shù)值誤差也小。

混合平面法是動(dòng)靜之間交接面周向平均化的一種數(shù)據(jù)處理和傳遞方法，在單通道計(jì)算時(shí)動(dòng)靜之間采用混合平面法；而凍結(jié)轉(zhuǎn)子法可以根據(jù)動(dòng)靜之間的實(shí)際位置進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的傳遞，非常適合沿周向結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一的局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，在全周局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)動(dòng)靜之間采用的是凍結(jié)轉(zhuǎn)子法。

渦輪進(jìn)口給定總溫和總壓，渦輪出口給定平均靜壓，各葉片表面給定絕熱、無滑移邊界條件。

6 單通道結(jié)構(gòu)計(jì)算及優(yōu)化結(jié)果分析

按照流量和局部進(jìn)氣度關(guān)系換算到全周進(jìn)氣進(jìn)行單通道三維數(shù)值計(jì)算，在計(jì)算時(shí)不考慮局部進(jìn)氣、動(dòng)葉葉頂間隙和級(jí)間泄漏的影響。通過計(jì)算，對(duì)結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的原始葉型并不理想：葉片表面壓力和葉片表面極限流線均存在較大問題：葉片表面壓力存在較大的逆壓梯度，葉片表面極限流線有回流現(xiàn)象，流動(dòng)損失較大。

因此返回渦輪葉片三維造型設(shè)計(jì)流程步驟，采用手動(dòng)反復(fù)修改、調(diào)整葉型曲線控制點(diǎn)的方法進(jìn)行葉型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后在兩級(jí)聯(lián)算條件下重新計(jì)算，考核渦輪的流量和效率等性能參數(shù)，直至獲得比較滿意的渦輪性能為止。

6.1 總體性能參數(shù)

表1給出了優(yōu)化前后兩級(jí)渦輪總體性能參數(shù)，主要包括流量和效率。從表1中可以看出，優(yōu)化后相對(duì)于原始葉型，渦輪的流量?jī)H減少了約5%，同時(shí)渦輪效率提高了2%，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

表1 優(yōu)化前后渦輪總體性能參數(shù)

6.2 葉片表面靜壓分布

圖4給出了優(yōu)化前后各級(jí)葉片表面中徑處無量綱壓力的分布，結(jié)合圖3的渦輪幾何葉型，可以看到優(yōu)化后第一級(jí)靜葉安裝角減少、喉部位置向進(jìn)口移動(dòng)，因此葉片表面壓力下降位置提前發(fā)生；并且尾緣楔角減少，使葉片壓力面和吸力面的壓差減少，對(duì)喉部下游超音速流動(dòng)起到了很好的整流作用[10]。第一級(jí)動(dòng)葉葉型做了局部調(diào)整，調(diào)整后50%軸向弦長(zhǎng)吸力面的壓降減少，其余位置的壓力改變較小。第二級(jí)靜葉的原始攻角過大、在70%軸向位置吸力面存在較大的逆壓梯度，有激波產(chǎn)生、并且整個(gè)葉型通道為縮放形式，但出口馬赫數(shù)僅為0.85。優(yōu)化后，第二級(jí)靜葉進(jìn)口幾何角減少，因此攻角減少，使得前緣附近吸力面的逆壓梯度消失；優(yōu)化后出口幾何角及尾緣楔角也同時(shí)減少，并且將葉型通道由縮放形式改為收縮形式，出口馬赫數(shù)提高到近音速1.04，在近音速流動(dòng)狀態(tài)收縮通道可以明顯降低流動(dòng)損失[11]。第二級(jí)動(dòng)葉原始葉型進(jìn)口是負(fù)攻角，氣流在前緣位置產(chǎn)生制動(dòng)作用，對(duì)第二級(jí)動(dòng)葉葉型進(jìn)行了局部調(diào)整，由于第二級(jí)靜葉出口幾何角減少，引起第二級(jí)動(dòng)葉從負(fù)攻角變成了正攻角，葉片表面壓力分布曲線更加飽滿，提高了動(dòng)葉的做功能力。

6.3 第二級(jí)靜葉極限流線分布

圖5給出了優(yōu)化前后第二級(jí)靜葉表面的極限流線分布。原始葉型70%軸向位置吸力面存在較大的逆壓梯度，有激波產(chǎn)生，沿整個(gè)葉高的極限流線速度比較低，型面損失較大。將葉型通道由縮放形式改為收縮形式，氣流在通道內(nèi)流持續(xù)加速，70%軸向位置逆壓區(qū)域消失，流動(dòng)情況改善。

圖4 葉片表面中徑位置無量綱壓力分布

7 全周結(jié)構(gòu)計(jì)算驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化前后葉型在單通道條件下進(jìn)行了計(jì)算分析，總體上渦輪內(nèi)部流動(dòng)情況改善，損失減少，渦輪效率明顯提高，本節(jié)首先對(duì)兩級(jí)的局部進(jìn)氣弧段進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后對(duì)優(yōu)化后的葉型進(jìn)行了全三維局部進(jìn)氣的數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證。

和單通道結(jié)構(gòu)不同，全周結(jié)構(gòu)增加了兩級(jí)靜葉的局部進(jìn)氣部分、動(dòng)葉葉頂間隙和級(jí)間密封結(jié)構(gòu)。兩級(jí)靜葉沿周向180°劃分為兩個(gè)相等的進(jìn)汽弧段進(jìn)行局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

7.1 總體性能參數(shù)

全周結(jié)構(gòu)渦輪總體性能參數(shù)如表2所示?？梢钥吹娇紤]局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、動(dòng)葉葉頂間隙和級(jí)間密封結(jié)構(gòu)后，渦輪效率比單通道計(jì)算的低8.7%?？梢娋植窟M(jìn)氣結(jié)構(gòu)、動(dòng)葉葉頂間隙泄漏和級(jí)間密封結(jié)構(gòu)泄漏引起的損失在整個(gè)渦輪效率中占據(jù)較大的比例，在渦輪的設(shè)計(jì)中是不可忽略的因素。設(shè)計(jì)的流量比總體要求的流量大5.7%，考慮到實(shí)際產(chǎn)品的加工精度、尺寸公差等因素，設(shè)計(jì)的流量應(yīng)該保留一些裕度，比要求的流量大一些；總體要求的渦輪效率為52%，本文設(shè)計(jì)的渦輪效率為53.56%，滿足總體的設(shè)計(jì)要求。

圖5 第二級(jí)靜葉葉片表面極限流線

圖6 全三維局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)模型

表2 全周結(jié)構(gòu)渦輪總體性能參數(shù)

7.2 中徑位置流動(dòng)參數(shù)

圖7給出了其中一個(gè)進(jìn)氣弧段中徑位置相對(duì)馬赫數(shù)云圖和流線分布。

從圖7的相對(duì)馬赫數(shù)云圖可以看出兩級(jí)靜葉弧段沿周向匹配較好，第二級(jí)的局部進(jìn)氣度稍大，因此第二級(jí)靜葉進(jìn)口弧段可以完全將第一級(jí)動(dòng)葉出口的高速氣流充分包絡(luò)。第一級(jí)靜葉出口最大馬赫數(shù)為1.95，出口速度分布比較均勻，兩級(jí)動(dòng)葉流道中馬赫數(shù)較低，兩級(jí)動(dòng)葉吸力面均存在一定的低馬赫數(shù)區(qū)域。從流線分布圖上可以看到，兩級(jí)動(dòng)葉進(jìn)氣弧段通道內(nèi)流線分布均勻，未出現(xiàn)大的分離渦，其余動(dòng)葉非進(jìn)氣弧段通道中流速較低、不參與做功。

8 結(jié)論

初步探討了小流量、高壓比渦輪的設(shè)計(jì)思路，并建立了兩級(jí)局部進(jìn)氣沖擊式壓力級(jí)渦輪的設(shè)計(jì)方法，通過本文的研究主要得到以下結(jié)論：

1)在設(shè)計(jì)條件下，采用兩級(jí)局部進(jìn)氣沖擊式壓力級(jí)方式設(shè)計(jì)的渦輪性能可以滿足小流量、高壓比渦輪的設(shè)計(jì)要求。

2)在超音速靜葉通道設(shè)計(jì)中，喉部位置靠近靜葉入口，并選擇較小的尾緣契角，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超音速流動(dòng)的有效控制。

3)動(dòng)葉壓力面和吸力面的壓差決定了動(dòng)葉的做功能力，因此動(dòng)葉入口保持適當(dāng)?shù)恼ソ怯兄谔岣邉?dòng)葉的做功能力。

圖7 中徑位置相對(duì)馬赫數(shù)云圖和流線分布

4)在多級(jí)局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行進(jìn)氣弧段的設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮局部進(jìn)氣損失和徑向力平衡。

5)在渦輪設(shè)計(jì)過程中，局部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、動(dòng)葉葉頂間隙泄漏和級(jí)間密封結(jié)構(gòu)泄漏引起的損失在渦輪效率中占據(jù)較大的比例，不可忽略。