景曉旭 張國(guó)慶

摘要：可轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪第一級(jí)葉片和載荷后移都可以提高葉片的攻角適應(yīng)性，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更好的工況適應(yīng)性，而可轉(zhuǎn)動(dòng)葉片需要在葉片的頂端和低端都留下一定的間隙，這些間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的流道損失有著重要的影響。載荷后移可以減少間隙喉部之前的流動(dòng)損失情況。

關(guān)鍵詞：載荷后移；影響；研究

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置，如何提高效率減少損失一直是燃機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)的損失主要包括機(jī)械損失，通流損失和燃燒損失。而燃?xì)廨啓C(jī)的通流損失占了燃?xì)廨啓C(jī)總損失的75%，因此對(duì)通流部分的研究更是燃?xì)廨啓C(jī)損失研究的一個(gè)主要方面。葉型損失就是渦輪二維葉柵，即渦輪基元級(jí)的損失，它是由于當(dāng)氣體流過(guò)平面葉柵的時(shí)候，因?yàn)闅怏w的粘性產(chǎn)生的附面層摩擦損失和附面層分離產(chǎn)生的損失。主要包括因?yàn)楦矫鎸佣a(chǎn)生的摩擦損失，尾跡損失，尾跡和主流摻混所造成的損失，附面層中還有氣流的分離造成的損失和激波造成的損失。根據(jù)GE公司的研究數(shù)據(jù)，漏氣損失占了汽輪機(jī)級(jí)效率的33%。其中葉頂?shù)穆鈸p失更是占了22%，變幾何渦輪由于其靜葉需要隨著工況的變化，調(diào)節(jié)流量旋轉(zhuǎn)，葉頂和葉根部都需要留下間隙，因此相對(duì)于一般的渦輪級(jí)只有一個(gè)間隙，變幾何渦輪更是有了兩個(gè)間隙，泄露損失變得更加嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)研究和理論研究都表明，相對(duì)間隙增大1%。渦輪的效率會(huì)隨之下降1.5%。間隙流動(dòng)的存在使得流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，使得對(duì)于流動(dòng)的研究更加困難。因此泄漏流動(dòng)的研究也是葉輪機(jī)械研究的一個(gè)非常重要的方面。

傳統(tǒng)葉型氣體在葉型前半部分急劇加速，在葉型中部速度不變，在吸力面后部擴(kuò)壓，這樣的葉型是前加載或者均勻加載葉型[1]。若最大載荷位置后移，在擴(kuò)壓比差不多的前提下，則氣體在前半部分曲率變化小沒(méi)有明顯的加速，喉部之后急劇擴(kuò)張，這樣的葉型就是后部加載葉型。如今，后部加載葉型由于其更好的攻角適應(yīng)性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)中。

變幾何燃?xì)廨啓C(jī)是指燃?xì)廨啓C(jī)的一個(gè)或者多個(gè)部件的幾何形狀位置等會(huì)隨著工作狀態(tài)而改變，使發(fā)動(dòng)機(jī)總是處于最佳的工作狀態(tài)。在實(shí)際的工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)不可能總是處在設(shè)計(jì)工況下，因此，如何在惡劣的工況下仍然使燃?xì)廨啓C(jī)保持較好的工作狀態(tài)是很有必要的。傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)要改變推力必須調(diào)整轉(zhuǎn)速，這使各個(gè)部件或是發(fā)動(dòng)機(jī)處于非設(shè)計(jì)狀態(tài)工作，各部件性能、效率隨轉(zhuǎn)速變化而降低。而渦輪導(dǎo)葉可調(diào)，則不調(diào)轉(zhuǎn)速既可改變流量，以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。1971年，R.R公司經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究[2]得出結(jié)論：最有效地控制渦輪流量的方法是改變導(dǎo)葉安裝角。

1 不同葉形間隙處總壓損失的變化

渦輪第一級(jí)靜子葉片如果可以轉(zhuǎn)動(dòng)，可以有更好的攻角適應(yīng)性，也就減少了流道內(nèi)部發(fā)生氣流分離的可能性，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的變工況性能。但是這樣做的就需要在其靜葉的頂部和底部都會(huì)留下一定量的間隙，間隙的存在對(duì)葉柵內(nèi)的流動(dòng)和渦輪級(jí)的效率都造成了很大的影響，而載荷后移也可以提高葉片的攻角適應(yīng)性，因此分析載荷后移對(duì)間隙流動(dòng)的影響可以為相關(guān)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

本文分析方法為制作載荷分布不同葉片模型，用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析不同葉片總壓損失的變化。

首先給出總壓損失的定義：

（1.1）

P*0進(jìn)口總壓；P*當(dāng)?shù)乜倝海籔S當(dāng)?shù)仂o壓。

觀察間隙的總壓損失等值線分布，可以看到葉片間隙處前半部分的總壓損失等值線幾乎是垂直于吸力面和壓力面的而喉部之后葉片總壓損失等值線逐漸平行于這兩個(gè)面，說(shuō)明在葉片間隙喉部之前，流體的流向主要是順著流道方向，而喉部之后流體的流向不再是順著流道的方向，而是垂直于流道，這是因?yàn)樵陂g隙的后半段，主導(dǎo)流體運(yùn)動(dòng)的不再是慣性力，而是葉片兩側(cè)的壓力差，葉片間隙內(nèi)的流體從壓力面流向吸力面。這種流向的變化會(huì)引起總壓損失的劇烈變化，在圖中可以看到總壓損失最劇烈的區(qū)域出現(xiàn)在喉部位置。

載荷后移使得喉部位置向后移動(dòng)，葉片最大壓力點(diǎn)前距離變長(zhǎng)，葉片前半部分壓力變化更小，所以間隙處前半部分的總壓損失等值線更加稀疏，這就說(shuō)明載荷后移使葉片間隙處前半部分總壓損失的的發(fā)展變慢，即載荷后移可以減小前半部分的總壓損失。

比較原葉型和后部加載葉型的間隙處總壓損失，發(fā)現(xiàn)葉型喉部位置附近原葉型的等總壓損失線斜率比后部加載葉型大，這是因?yàn)檩d荷后移使得葉柵前半部分橫向壓力梯度減小，橫向二次流減小，使得損失減小。但是在喉部之后，載荷后移的葉型的等總壓損失線更加密集，這說(shuō)明后加載葉型這部分橫向流動(dòng)更加嚴(yán)重，因此產(chǎn)生的損失更大，這是因?yàn)檩d荷后移使喉部之后的壓力梯度增大，從而引起了更加嚴(yán)重的流動(dòng)損失。

2 不同葉形流道內(nèi)部總壓損失的變化

在原葉片和載荷后移的葉片上在25%.50%和95%處截了三個(gè)截面。觀察葉片總壓損失隨著弦長(zhǎng)變化，發(fā)現(xiàn)隨著流動(dòng)的發(fā)展，葉頂和根部附近的總壓損失也在增大，并且損失區(qū)域向流道中心擴(kuò)散。

對(duì)比葉頂間隙處的總壓損失和底部間隙的總壓損失，底部間隙的總壓損失比頂部間隙的總壓損失更大，這是因?yàn)殡x心力的作用，底部流體的速度更慢，附面層更厚，因此總壓損失更大

比較原葉片和載荷后移葉片流道內(nèi)總壓損失分布，原葉片在葉片中間段和流道末尾處的總壓損失更大，并且對(duì)于流道中心的影響更大。

3 結(jié)論

通過(guò)分析兩個(gè)算例，研究載荷后移對(duì)渦輪靜葉間隙流動(dòng)的影響，主要研究了兩個(gè)方面的內(nèi)容：

1、載荷后移對(duì)間隙內(nèi)靜壓分布的影響：載荷后移使間隙內(nèi)靜壓梯度在前半部分減小，但是在喉部附近急劇增大，流動(dòng)損失在喉部之前較小，而喉部之后更大。

2、載荷后移對(duì)葉片流道內(nèi)總壓損失的影響：載荷的后移使葉片的總壓損失在前半部分減小，但是后半部分增大，到了出口處總壓損失略有減少。

參考文獻(xiàn)：

[1]周遜，具有后部加載葉型的渦輪葉柵氣動(dòng)性能的試驗(yàn)研究[D]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2004.

[2]R.YANAGLete.ConeeptualDesignofTurboAeeeleratorforHSTCombinedCyeleEngine[A].ASME，92一GT一253，1992.