李俊，夏晨，黃國(guó)平

(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

微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種高性能動(dòng)力裝置廣泛運(yùn)用于航空航天、發(fā)電等新興領(lǐng)域。在微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中，作為輸出功部件的渦輪部件是其重要核心部件之一。與常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研制不同，微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)受制于尺寸、材料、結(jié)構(gòu)等影響，往往采取單轉(zhuǎn)子單級(jí)渦輪結(jié)構(gòu)，渦輪葉片與輪轂、機(jī)匣往往采取一體化制造工藝。渦輪葉片較薄，難以采取主動(dòng)控制手段和精細(xì)化葉型造型技術(shù)，這給微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難與挑戰(zhàn)[1-5]。

如表1所示，軸流渦輪在當(dāng)今中小型發(fā)動(dòng)機(jī)中使用廣泛，隨著微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的減小，其壓氣機(jī)部件受制于尺寸和級(jí)數(shù)的限制，所能提供給渦輪的總壓降低，并且由于加工工藝和材料的限制，渦輪所承受的進(jìn)口溫度在1000 K～1200K左右，難以進(jìn)一步提高。兩種現(xiàn)象造成在中小型渦輪中，單位級(jí)負(fù)荷普遍較低。

表1 中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

隨著高性能微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，渦輪單位級(jí)負(fù)荷需求達(dá)到了220kW/kg～260kW/kg，以往微型渦輪難以滿足此高負(fù)荷性能需求。提高渦輪輸出功的方式主要有兩種：提高渦輪進(jìn)口溫度和提高渦輪單位級(jí)負(fù)荷。由于微型發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、工藝和材料的限制，進(jìn)口溫度難以進(jìn)一步提高，所以提高渦輪單位級(jí)負(fù)荷就顯得至關(guān)重要。因此，本文開(kāi)展高負(fù)荷微型軸流渦輪葉型設(shè)計(jì)研究，著重研究其流動(dòng)特性以及彎度比參數(shù)對(duì)其性能的影響。

1 高負(fù)荷微型軸流渦輪葉型設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真

1.1 高負(fù)荷微型軸流渦輪葉型設(shè)計(jì)

本文以美國(guó)NASA Lewis研究中心[6-10]某外徑為128mm、設(shè)計(jì)落壓比為2.77的微型跨音軸流渦輪作為基礎(chǔ)葉型。根據(jù)某型微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能需求：流量1.187kg/s，轉(zhuǎn)速78000r/min，進(jìn)口總壓404000Pa，進(jìn)口總溫1150K，效率0.8，落壓比2.9，單位級(jí)負(fù)荷241.8kW/kg，開(kāi)展高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪葉型設(shè)計(jì)，修正后的葉型及其計(jì)算網(wǎng)格如圖1和圖2所示。

圖1 三維造型

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

1.2 數(shù)值仿真結(jié)果

本文渦輪級(jí)計(jì)算網(wǎng)格通過(guò)NUMECA軟件中的Autogrid 5模塊生成，取單個(gè)葉輪通道作為計(jì)算域，轉(zhuǎn)子葉尖間隙取1%葉高，計(jì)算采用H-O-H網(wǎng)格，葉尖間隙采取蝶形網(wǎng)格。數(shù)值仿真計(jì)算采用Fine/turbo模塊，采用Euranus求解器求解定常Navier-Stokes方程。湍流模型采取S-A(Spalart-Allmarars)模型；采用壁面絕熱無(wú)滑移邊界條件；空間離散采用Jameson有限體積中心差分格式；時(shí)間離散采用顯示4階Runge-Kutta法；同時(shí)使用多重網(wǎng)格技術(shù)和隱式殘差光順來(lái)加速收斂。該葉型性能參數(shù)由本課題組張遠(yuǎn)森[11]根據(jù)試驗(yàn)邊界條件進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，并與NASA Lewis試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本吻合，證明該軟件數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確地模擬渦輪性能。根據(jù)圖3的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性校驗(yàn)結(jié)果顯示，本文高負(fù)荷微型軸流渦輪的計(jì)算網(wǎng)格量在150萬(wàn)左右。根據(jù)表2所示，其模擬結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，單位級(jí)負(fù)荷略高于設(shè)計(jì)值，出口相對(duì)馬赫數(shù)達(dá)到1.02，具有跨音特征。

表2 高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪數(shù)值仿真模擬結(jié)果

圖3 網(wǎng)格密度對(duì)數(shù)值仿真的影響

2 高負(fù)荷微型軸流渦輪流動(dòng)特征分析

為了更好地分析高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪和常規(guī)微型軸流渦輪在流場(chǎng)特點(diǎn)、損失特性上的區(qū)別，同時(shí)為了盡量避免因?yàn)槿~型不同而帶來(lái)的差異性，本文選取張遠(yuǎn)森[11]同樣以NASA Lewis葉型作為基礎(chǔ)葉型改型得到的微型軸流渦輪作為比較對(duì)象(其數(shù)值仿真結(jié)果為設(shè)計(jì)點(diǎn)落壓比2.3，效率86.6%，相對(duì)葉尖間隙同樣為1%)。在兩種渦輪葉型相對(duì)葉尖間隙尺寸相同的情況下，高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪的落壓比高于常規(guī)微型軸流渦輪，而效率卻低于常規(guī)微型軸流渦輪。

圖4為馬赫數(shù)云圖。從圖中可以看出，常規(guī)微型軸流渦輪流動(dòng)狀況良好，氣流膨脹加速弱，無(wú)明顯超音區(qū)，轉(zhuǎn)子尾緣葉背有分離，轉(zhuǎn)子葉尖前緣氣流有較大正攻角，產(chǎn)生局部滯止區(qū)和葉背分離。而高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪導(dǎo)向器葉根處流道面積小，“縮擴(kuò)”特點(diǎn)鮮明，氣流加速膨脹能力加強(qiáng)，尾緣葉背產(chǎn)生較強(qiáng)斜激波以及較大葉背分離，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉根前緣氣流產(chǎn)生正攻角，造成較大葉背分離。轉(zhuǎn)子葉尖前緣氣流具有一定負(fù)攻角，有效阻止葉背分離，尾緣葉背處受葉尖泄漏流影響，產(chǎn)生較大氣流分離區(qū)。

圖4 馬赫數(shù)云圖

從前面的分析可以看出，高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪氣流在流場(chǎng)中具有較高的流速以及較強(qiáng)的流動(dòng)分離，這必然對(duì)其流動(dòng)損失造成影響。為了更好地對(duì)其流動(dòng)損失進(jìn)行研究，需要將流動(dòng)損失剝離出來(lái)。渦輪級(jí)流動(dòng)損失主要分為葉型損失、二次流損失、葉尖泄漏損失。本文采取CFD損失分離方法，將高負(fù)荷微型軸流渦輪和常規(guī)微型軸流渦輪流動(dòng)損失分別剝離出來(lái)，其渦輪各項(xiàng)損失如表3所示。

表3 渦輪各項(xiàng)損失

由表3可以看出，高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪總損失值大于常規(guī)微型軸流渦輪，其中葉型損失高負(fù)荷微型軸流渦輪相比常規(guī)微型軸流渦輪差距最大，達(dá)到0.0435，高負(fù)荷微型軸流渦輪二次流損失略小于常規(guī)微型軸流渦輪，泄漏損失比常規(guī)微型軸流渦輪大0.02，其中葉型損失為最大損失項(xiàng)。

從圖5-圖6渦輪級(jí)沿程熵圖可以看出，高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪損失區(qū)域與強(qiáng)度均明顯大于常規(guī)微型軸流渦輪，其主要集中于導(dǎo)向器葉根出口、轉(zhuǎn)子葉根、轉(zhuǎn)子葉尖處。結(jié)合圖4及其流場(chǎng)分析可以看出，主要是導(dǎo)向器葉根分離、轉(zhuǎn)子葉根正攻角引起的分離、葉尖泄漏增強(qiáng)、較強(qiáng)的激波損失等原因所造成的。而常規(guī)微型軸流渦輪無(wú)明顯高熵區(qū)，其流動(dòng)損失區(qū)域主要集中在靜子葉背、轉(zhuǎn)子葉背和轉(zhuǎn)子葉尖處，整體流動(dòng)狀況良好。

圖5 高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪沿程熵圖

圖6 常規(guī)微型軸流渦輪沿程熵圖

綜上所述，高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪氣流膨脹加速較快，氣流分離加劇，激波干擾增強(qiáng)，流動(dòng)損失較大，需要進(jìn)一步研究葉型參數(shù)對(duì)其性能的規(guī)律性影響。

3 彎度比對(duì)高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪性能影響

3.1 彎度比控制規(guī)律介紹

葉片的加載形式主要有前加載、均勻加載、后加載三種形式。研究表明前加載形式有利于減弱氣流分離，后加載可以降低激波干擾。在高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪中，加載形式的影響值得做進(jìn)一步的研究。修改葉片的加載形式一般通過(guò)修改其中弧線布置形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于在不同工況下、不同偏轉(zhuǎn)角的葉型，其影響難以做規(guī)律性研究，因此本文通過(guò)定義彎度比參數(shù)來(lái)進(jìn)行渦輪葉型的修改，并研究其對(duì)渦輪性能的影響。

圖7為葉型彎度比參數(shù)化示意圖，其中α為轉(zhuǎn)子葉型幾何偏轉(zhuǎn)角，β為轉(zhuǎn)子葉型安裝角，彎度比定義為：τ=β/α。將安轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角統(tǒng)一成無(wú)量綱參數(shù)彎度比，可有效避免不同工況對(duì)渦輪性能的影響，進(jìn)而做規(guī)律性研究。

圖7 葉型彎度比參數(shù)化示意圖

本文在保證轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度以及葉型其他參數(shù)不變的前提下，通過(guò)修改葉型安裝角來(lái)實(shí)現(xiàn)彎度比τ變化。所研究基礎(chǔ)葉型葉中的安裝角β為20.3°，所有葉型葉中的幾何偏轉(zhuǎn)角α均為58°，即基礎(chǔ)葉型的彎度比τ為0.35。故本文選取彎度比τ在0.0078～0.5517之間開(kāi)展研究。

3.2 彎度比對(duì)渦輪性能的影響

圖8為不同彎度比轉(zhuǎn)子葉中截面相對(duì)馬赫數(shù)圖。從圖8可以看出，當(dāng)彎度比τ較低時(shí)，如圖8(a)和圖8(b)，轉(zhuǎn)子前緣氣流有較大的正攻角，葉背產(chǎn)生分離，并一直影響至轉(zhuǎn)子出口；隨著彎度比τ增加，如圖8(c)和圖8(d)正攻角逐漸削弱，葉背分離減弱，喉道后移，氣流沿程加速比較均勻，流動(dòng)狀況較好；隨著彎度比進(jìn)一步增加，如圖8(e)和圖8(f)，轉(zhuǎn)子前緣產(chǎn)生負(fù)攻角，對(duì)葉背氣流分離產(chǎn)生一定抑制作用，葉型曲率變化較大，造成流通面積下降，“縮擴(kuò)”特點(diǎn)明顯，氣流后半段膨脹加速快，尾緣葉背附近產(chǎn)生斜激波，造成尾緣處氣流分離加劇。

圖8 不同彎度比轉(zhuǎn)子葉中截面相對(duì)馬赫數(shù)圖

圖9為不同彎度比下轉(zhuǎn)子葉中的載荷分布圖。由圖9可以看出，隨著彎度比的增加，葉型加載能力逐漸后移，在彎度比τ=0～0.2時(shí)，轉(zhuǎn)子前緣至20%軸向弦長(zhǎng)處產(chǎn)生較大的負(fù)載荷。這主要是由于當(dāng)轉(zhuǎn)子處于低彎度比下時(shí)，轉(zhuǎn)子前緣造型下移，使得氣流沖擊轉(zhuǎn)子滯止點(diǎn)在前緣點(diǎn)靠下方，造成氣流在吸力面和壓力面加速不均勻，從而造成葉背處?kù)o壓大于葉盆，產(chǎn)生負(fù)載荷。隨著彎度比的增加，轉(zhuǎn)子前緣滯止點(diǎn)上移，葉盆與葉背靜壓差降低，負(fù)載荷范圍減小并消失。當(dāng)轉(zhuǎn)子彎度比τ=0.45～0.54時(shí)，轉(zhuǎn)子尾緣附近產(chǎn)生較大的負(fù)載荷。這主要是由于尾緣氣流速度較高，產(chǎn)生較強(qiáng)的斜激波，氣流經(jīng)斜激波后減速且產(chǎn)生分離，造成葉背處速度低于葉盆，從而在尾緣處產(chǎn)生負(fù)載荷。

圖9 不同彎度比下轉(zhuǎn)子葉中載荷分布

從圖10中的彎度比-流量曲線可以看出，隨著彎度比的增加，流量先略微增加然后快速下降。這主要是由于在低彎度比下時(shí)，葉背分離嚴(yán)重，對(duì)主流道形成一定阻礙，隨著彎度比的增加，葉背分離現(xiàn)象減弱，流量略微增加。但是，當(dāng)彎度比進(jìn)一步增加后，葉型曲率變化過(guò)大造成流通面積快速下降，流量急劇下降。從彎度比-落壓比和效率曲線可以看出，落壓比隨彎度比的增加先增加后降低。這主要是由于在低彎度比下正攻角和在高彎度比下尾緣斜激波均造成氣流葉背分離，氣流偏轉(zhuǎn)不足，效率和做工能力均比較低。但由于在高彎度比時(shí)氣流分離位置接近出口，對(duì)轉(zhuǎn)子整體影響較小，效率降低較小。圖11為彎度對(duì)作功能力的影響。從圖11可以看出，隨著彎度比的增加，其做功能力先增加后減小，這是流量、落壓比、效率共同作用的結(jié)果。

圖10 彎度比對(duì)總體性能的影響

圖11 彎度比對(duì)做功能力的影響

當(dāng)彎度比τ=0.42時(shí)效率最高，選取其與基礎(chǔ)葉型進(jìn)行流動(dòng)損失對(duì)比，可以分析彎度比對(duì)高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪流動(dòng)損失上的提升。如表4所示，相較于基礎(chǔ)葉型，彎度比τ=0.42時(shí)總損失略有降低，其中葉型損失增加，主要是由于喉道縮小，使得尾緣附近流速加快，激波增強(qiáng)導(dǎo)致葉型損失增加；二次流損失和葉尖泄漏損失降低，主要是由于喉道后移，轉(zhuǎn)子大部分流道中氣流流速降低，環(huán)面附面層對(duì)主流阻礙降低從而降低二次流損失，葉尖泄漏量減少?gòu)亩档腿~尖泄漏損失。

表4 不同彎度比下各項(xiàng)損失

從綜合性能和做功能力來(lái)看，彎度比在0.30～0.35之間時(shí)，該高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪表現(xiàn)較好，能有效避免葉背分離、強(qiáng)激波、負(fù)載荷、流通面積變小等不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，根據(jù)高負(fù)荷微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求，設(shè)計(jì)出一款高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪部件，對(duì)其流場(chǎng)特點(diǎn)、損失特性進(jìn)行分析并研究彎度比對(duì)其性能影響，結(jié)論如下：

1)高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪相比于常規(guī)微型軸流渦輪，其氣流加速膨脹能力變強(qiáng)，導(dǎo)向器葉根葉背出口附近容易產(chǎn)生分離，轉(zhuǎn)子進(jìn)口葉根有較大正攻角及較強(qiáng)葉背分離，葉尖處間隙泄漏影響較強(qiáng)。

2)高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪的總損失高于常規(guī)微型軸流渦輪，其葉型損失遠(yuǎn)高于常規(guī)微型軸流渦輪，占總損失的70.9%；二次流損失略小，葉尖泄漏損失較大。無(wú)論在哪種渦輪葉型中，葉型損失占比均超過(guò)一半。在高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪中，損失主要集中于導(dǎo)向器葉根出口附近，轉(zhuǎn)子葉根和葉尖后半段。

3)高負(fù)荷微型軸流渦輪隨著彎度比的增加，前緣正攻角及葉背分離現(xiàn)象減弱、負(fù)載荷逐漸消失，在彎度比τ=0.35左右時(shí)具有良好的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和加載表現(xiàn)，當(dāng)彎度比進(jìn)一步增加，尾緣受出口強(qiáng)激波影響形成葉背分離，尾緣出現(xiàn)負(fù)載荷。

4)隨著彎度比的增加，流量、落壓比、效率、做功能力均呈現(xiàn)先增大再減小的特點(diǎn)。但在低彎度比下，流量變化微弱，合適的彎度比可以降低其流動(dòng)損失，提高效率。當(dāng)彎度比在0.30～0.35之間時(shí)，該高負(fù)荷微型跨音軸流渦輪具有較好的性能表現(xiàn)和做功能力。