導(dǎo)葉安裝角變化對(duì)變幾何渦輪性能影響的數(shù)值研究

張宜奎，鐘易成，徐 亮，徐偉祖

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016；2.航空工業(yè)南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211102；3.南京普國(guó)科技有限公司，南京 210016)

1 引言

變幾何渦輪是變幾何航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件[1]。渦輪變幾何的目的是改變導(dǎo)葉喉道面積，控制渦輪流量。渦輪變幾何有多種方法，如機(jī)械式引入障礙物到流道中、環(huán)形面積可調(diào)、改變導(dǎo)葉安裝角或引入第二股氣流射入導(dǎo)葉喉部位置等。早在上世紀(jì)60年代，航空發(fā)達(dá)國(guó)家就已開(kāi)始有關(guān)變幾何渦輪的研究。1971 年，英國(guó)羅·羅公司對(duì)渦輪變幾何方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明控制渦輪流量最有效的方法是改變導(dǎo)葉安裝角[2]。此后，變幾何渦輪設(shè)計(jì)均采用導(dǎo)葉安裝角調(diào)節(jié)方案。Moffitt 等[3]對(duì)靜葉安裝角可調(diào)單級(jí)渦輪進(jìn)行的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉喉道無(wú)論是打開(kāi)還是關(guān)閉，渦輪效率均明顯降低，且導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)對(duì)渦輪效率的影響更大。GE公司的研究[4]表明，通過(guò)調(diào)節(jié)部分導(dǎo)葉來(lái)控制渦輪流通面積，能有效降低可調(diào)導(dǎo)葉的泄漏損失，提高渦輪效率，但會(huì)增加渦輪流場(chǎng)的不均勻性。

變幾何渦輪為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉安裝角可調(diào)，需在導(dǎo)葉兩端留有間隙。由于渦輪葉片工作在高溫高壓的惡劣環(huán)境中，為保證導(dǎo)葉在一定安裝角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)且不與機(jī)匣和輪轂面發(fā)生干涉，導(dǎo)葉兩端間隙不能太小。導(dǎo)葉存在間隙，必然會(huì)產(chǎn)生泄漏，在端壁附近形成泄漏渦，增大渦輪損失。導(dǎo)葉端壁損失控制主要分為主動(dòng)間隙控制和被動(dòng)間隙控制兩種。主動(dòng)間隙控制技術(shù)包括葉頂射流[5]、等離子控制器[6]等，其研究主要集中在可控?zé)嶙冃螜C(jī)匣。即在發(fā)動(dòng)機(jī)不同飛行狀態(tài)下，采用不同溫度的氣體射流沖擊機(jī)匣，改變機(jī)匣溫度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)匣熱變形的調(diào)節(jié)，從而控制葉尖間隙[7]。主動(dòng)間隙控制能較好地減少端壁泄漏損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)效率，但也導(dǎo)致了機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加，且主要應(yīng)用在民機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域[8-11]。被動(dòng)控制技術(shù)包括機(jī)匣處理[11]、葉頂凹槽[12]、葉頂加裝翼梢小翼[13]、肋條[14]等。目前國(guó)外常采用在葉尖表面吸力面或壓力面加裝肋條的方法，減小葉尖間隙泄漏流動(dòng)或葉尖傳熱，達(dá)到減小泄漏損失的目的[15-16]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有被動(dòng)控制技術(shù)主要集中在導(dǎo)葉端壁造型設(shè)計(jì)上，并已達(dá)到改善渦輪端壁流場(chǎng)的效果，如劉鵬飛等[17]通過(guò)對(duì)固定幾何渦輪、僅有導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸變幾何渦輪和導(dǎo)葉兩端帶圓盤(pán)葉冠變幾何渦輪三種模型三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出帶圓盤(pán)型葉冠導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以有效減小導(dǎo)葉泄漏面積，抑制間隙泄漏渦發(fā)生。

總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)變幾何渦輪的研究主要集中在導(dǎo)葉可調(diào)機(jī)構(gòu)和渦輪導(dǎo)葉端壁間隙損失控制兩方面，對(duì)變幾何渦輪導(dǎo)葉安裝角調(diào)整時(shí)，其變化對(duì)渦輪級(jí)流場(chǎng)的影響以及作用機(jī)理的研究則涉及較少。為此，本文以小流量變幾何渦輪為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)固定幾何單級(jí)軸流渦輪基礎(chǔ)上，忽略導(dǎo)葉兩端調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)葉間隙，對(duì)不同導(dǎo)葉安裝角的渦輪流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析導(dǎo)葉安裝角變化對(duì)渦輪性能的影響以及作用機(jī)理。

2 數(shù)值計(jì)算模型

采用計(jì)算流體力學(xué)商用軟件ANSYS-CFX 求解三維定常可壓縮雷諾平均方程組(N-S方程)，數(shù)值離散采用有限體積法，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，湍流模型選用SST 模型。計(jì)算模型為某單級(jí)軸流渦輪，其導(dǎo)葉為22片，動(dòng)葉為45片，可調(diào)導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸心位于導(dǎo)葉50%軸向弦長(zhǎng)處。忽略導(dǎo)葉兩端的間隙及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，動(dòng)葉間隙設(shè)為0.5 mm，導(dǎo)葉安裝角繞旋轉(zhuǎn)軸心可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，如圖1 所示。渦輪葉片網(wǎng)格采用Turbogrid 軟件劃分，其中葉片表面為O 型網(wǎng)格，葉片進(jìn)口及主流區(qū)網(wǎng)格拓?fù)錇镠 型網(wǎng)格，出口為J型網(wǎng)格。對(duì)葉片壁面及葉片前緣與尾緣網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖1 可調(diào)導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.1 Adjustable guide vane rotation diagram

渦輪進(jìn)口給定總溫總壓，進(jìn)口湍流強(qiáng)度為5%；出口給定靜壓；固體壁面為絕熱、無(wú)滑移邊界條件；周期性邊界設(shè)為旋轉(zhuǎn)周期邊界。計(jì)算工質(zhì)為理想氣體。數(shù)值計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為殘差降到10-6以下。葉片壁面附近Y+在1～5 之間，滿足SST 模型計(jì)算精度需求，如圖2所示。

圖2 葉片壁面附近Y+值Fig.2 Y+near the wall of the blade

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)葉安裝角變化對(duì)導(dǎo)葉流場(chǎng)的影響

變幾何渦輪導(dǎo)葉安裝角相對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)增大和減小時(shí)對(duì)導(dǎo)葉流場(chǎng)的影響如圖3 所示?？梢?jiàn)，安裝角減小8h時(shí)，導(dǎo)葉進(jìn)口攻角趨向正攻角，其喉道面積減小，尾緣堵塞度增加，氣流在流道內(nèi)過(guò)度膨脹，由亞聲速向高亞聲速過(guò)渡，并在吸力面出現(xiàn)局部超聲速區(qū)，導(dǎo)葉出口流場(chǎng)紊亂加劇。安裝角增大8h時(shí)，導(dǎo)葉進(jìn)口攻角趨向負(fù)攻角，其喉道面積增大，渦輪通流能力增大，導(dǎo)葉尾緣堵塞度減小，氣流在流道內(nèi)膨脹程度減弱，速度降低。

圖3 不同導(dǎo)葉安裝角下導(dǎo)葉中截面的馬赫數(shù)分布Fig.3 Mach number distribution of guide vane at midspan under different stagger angels

圖4示出了不同安裝角狀態(tài)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉出口氣流角在不同葉高上的分布?？梢钥吹?，在10%～90%葉高區(qū)域，同一安裝角狀態(tài)導(dǎo)葉出口氣流角變化較?。坏谳嗇灦吮诘饺~高10%和90%葉高到機(jī)匣端壁，由于端壁效應(yīng)氣流角突然開(kāi)始減小，端壁面上的氣流角最小。在同一葉高，導(dǎo)葉出口氣流角隨安裝角增大而增大，且出口氣流角的大小對(duì)下游動(dòng)葉進(jìn)口氣流角影響較大。

圖4 導(dǎo)葉出口氣流角沿葉高的徑向分布Fig.4 Guide vane outlet flow angle distribution along the span

圖5給出了不同導(dǎo)葉安裝角下導(dǎo)葉中截面的載荷分布。設(shè)計(jì)安裝角狀態(tài)，導(dǎo)葉中截面葉型載荷最小值在軸向弦長(zhǎng)約65%處，導(dǎo)葉為后加載葉型。安裝角減小，導(dǎo)葉喉道面積減小，氣流在通道后段膨脹程度加深，葉型后加載程度加深，導(dǎo)葉中截面載荷最小位置后移。安裝角增大，導(dǎo)葉喉道面積增大，氣流膨脹程度減弱，導(dǎo)葉逐漸由后加載葉型向前加載葉型轉(zhuǎn)變。此外，隨著導(dǎo)葉安裝角增大，葉型載荷所圍成區(qū)域的面積逐漸減小，說(shuō)明導(dǎo)葉負(fù)荷在減小，渦輪反力度在增大。

圖5 不同導(dǎo)葉安裝角下導(dǎo)葉中截面的載荷分布Fig.5 Sectional loading distribution of guide vane under different stagger angels

3.2 導(dǎo)葉安裝角變化對(duì)轉(zhuǎn)子葉片流場(chǎng)的影響

圖6 不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉中截面的流線分布Fig.6 Streamline distribution at rotor midspan under different stagger angels

圖6為不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉中截面的流線分布。可看出，安裝角減小，動(dòng)葉進(jìn)口氣流處在較大的正攻角下，氣流在慣性作用下來(lái)不及折轉(zhuǎn)以及受到壓力面氣流擠壓作用，在動(dòng)葉吸力面形成大尺度旋渦分離區(qū)。安裝角增大，動(dòng)葉進(jìn)口氣流逐漸趨向較大負(fù)攻角，氣流在動(dòng)葉壓力面形成大尺度旋渦分離區(qū)。由此可見(jiàn)，動(dòng)葉進(jìn)口氣流攻角不管是處于較大正攻角還是較大負(fù)攻角，均會(huì)導(dǎo)致氣流在動(dòng)葉一側(cè)發(fā)生流動(dòng)分離，造成渦輪效率損失。圖7 為不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉中截面馬赫數(shù)分布?？煽闯?，隨著導(dǎo)葉安裝角增大，動(dòng)葉進(jìn)口氣流前駐點(diǎn)從壓力面逐漸移動(dòng)到吸力面，動(dòng)葉中截面相對(duì)馬赫數(shù)逐漸增大。

圖8示出了不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉出口的相對(duì)馬赫數(shù)和熵增。可看出，由于動(dòng)葉葉尖存在間隙，導(dǎo)致在間隙附近發(fā)生了泄漏，形成了泄漏渦。此時(shí)，渦輪效率損失主要來(lái)自泄漏渦和通道渦以及兩者共同作用。安裝角減小，渦輪通流能力減弱，出口氣流膨脹加速，出現(xiàn)局部超聲速區(qū)，導(dǎo)葉出口尾跡對(duì)下游動(dòng)葉流場(chǎng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致動(dòng)葉流場(chǎng)紊亂、損失增加。由動(dòng)葉出口熵增圖可以看出，安裝角減小時(shí)，渦輪損失主要由根部二次流卷起形成的通道渦和葉尖間隙引起的泄漏渦導(dǎo)致；隨著安裝角增大，通道渦及泄漏渦強(qiáng)度均有所減弱。

圖7 不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉中截面的馬赫數(shù)分布Fig.7 Mach number distribution of rotor at midspan under different stagger angels

圖8 不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉出口的相對(duì)馬赫數(shù)和熵增Fig.8 Relative Mach number and entropy increase of rotor outlet under different stagger angels

圖9為不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉中截面的葉型載荷分布?？梢?jiàn)，設(shè)計(jì)安裝角下，動(dòng)葉葉型載荷基本呈均勻加載。安裝角減小，動(dòng)葉進(jìn)口氣流趨向正攻角，氣流前駐點(diǎn)向壓力面移動(dòng)，葉型逐漸向前加載葉型過(guò)渡，氣流處于較大正攻角時(shí)在動(dòng)葉吸力面會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離。安裝角增大，動(dòng)葉進(jìn)口氣流趨于負(fù)攻角，氣流前駐點(diǎn)向吸力面移動(dòng)，動(dòng)葉工作在后加載狀態(tài)。動(dòng)葉氣流處于負(fù)攻角狀態(tài)，葉片壓力面載荷小于吸力面載荷，此時(shí)壓力面與吸力面的載荷線會(huì)出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。如圖所示，相對(duì)于設(shè)計(jì)狀態(tài)，安裝角增大4h時(shí)，壓力面載荷線與吸力面載荷線出現(xiàn)交叉；安裝角進(jìn)一步增大，交叉點(diǎn)后移，動(dòng)葉后加載程度加深，氣流在壓力面形成大尺度旋渦分離區(qū)。

圖9 不同導(dǎo)葉安裝角下動(dòng)葉中截面的載荷分布Fig.9 Sectional loading of rotor midspan under different stagger angels

3.3 導(dǎo)葉安裝角變化對(duì)渦輪性能的影響

該單級(jí)渦輪流量隨變幾何導(dǎo)葉安裝角變化趨勢(shì)如圖10 所示?？煽闯?，隨著出口背壓逐漸減小，渦輪膨脹比逐漸增大，流量也緩慢增加；當(dāng)背壓繼續(xù)降低，膨脹比繼續(xù)增大，渦輪開(kāi)始進(jìn)入阻塞工況，渦輪流量不再增加而達(dá)到最大值。同時(shí)還可看到，不同角度對(duì)應(yīng)的堵塞流量差別很大。相比于設(shè)計(jì)狀態(tài)，導(dǎo)葉安裝角減小到-8h時(shí)，流量下降到原來(lái)的50%；導(dǎo)葉安裝角增大到8h時(shí)，流量增大到140%?？烧{(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦輪流量發(fā)生了明顯的變化，且導(dǎo)葉關(guān)小時(shí)引起的流量變化更為劇烈。這是由于導(dǎo)葉喉部面積調(diào)大后，控制渦輪流通面積的喉道位置可能會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)還要受到轉(zhuǎn)子葉片喉道面積的制約，所以導(dǎo)葉打開(kāi)時(shí)，流量受到多方面因素的制約，導(dǎo)致其流量變化較為平緩。

圖10 不同導(dǎo)葉安裝角下的渦輪流量Fig.10 Mass flow under different stagger angels

變幾何渦輪在不同導(dǎo)葉安裝角下的效率變化趨勢(shì)如圖11所示?？煽闯觯惭b角在-4h～8h時(shí)渦輪效率隨膨脹比變化非常明顯。同一安裝角下，渦輪效率隨膨脹比呈先上升后下降的趨勢(shì)，即存在一個(gè)膨脹比使得渦輪效率最大。相對(duì)設(shè)計(jì)安裝角狀態(tài)，安裝角減小時(shí)效率下降更加明顯，且安裝角越小渦輪效率下降越多；安裝角增大，在低膨脹比時(shí)渦輪效率較低，膨脹比增大，渦輪效率緩慢增大；4h安裝角對(duì)應(yīng)的效率甚至在達(dá)到一定膨脹比后略微超過(guò)設(shè)計(jì)狀態(tài)的效率，導(dǎo)葉喉道繼續(xù)打開(kāi)，渦輪效率又表現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)。如圖中所示，導(dǎo)葉安裝角無(wú)論是增大還是減小，都會(huì)使渦輪效率降低，性能下降，區(qū)別在于導(dǎo)葉打開(kāi)時(shí)對(duì)渦輪效率的影響明顯小于導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)的影響；導(dǎo)葉向喉道面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起渦輪工作狀態(tài)嚴(yán)重惡化，效率顯著降低。導(dǎo)葉安裝角轉(zhuǎn)動(dòng)8h，渦輪效率下降2%；導(dǎo)葉安裝角轉(zhuǎn)動(dòng)-8h，效率降低13.4%；大部分工況下，安裝角在-4h～8h時(shí)，渦輪效率保持在85%以上。所以在進(jìn)行變幾何渦輪設(shè)計(jì)時(shí)，可將動(dòng)葉設(shè)計(jì)在負(fù)攻角狀態(tài)，以提高渦輪的攻角適應(yīng)性。

圖11 不同導(dǎo)葉安裝角下的渦輪效率Fig.11 Efficiency under different stagger angels

4 結(jié)論

在忽略導(dǎo)葉兩端端壁間隙的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)葉可調(diào)的變幾何渦輪進(jìn)行數(shù)值仿真建模研究，得到以下結(jié)論：

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉安裝角，可以控制渦輪的通流能力。相對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)，導(dǎo)葉安裝角從-8h變化到8h，渦輪流量變化-50%～40%；渦輪流量與導(dǎo)葉安裝角變化基本呈線性正比關(guān)系，導(dǎo)葉安裝角增大1h，渦輪流量增加5%左右。

(2)渦輪效率對(duì)導(dǎo)葉安裝角變化非常敏感，安裝角增大，渦輪效率呈先小幅上升后降低的趨勢(shì)，這是動(dòng)葉負(fù)攻角設(shè)計(jì)所導(dǎo)致。安裝角減小，渦輪效率下降明顯；安裝角增大8h，效率下降2%；安裝角減小8h，效率下降13.4%。導(dǎo)葉安裝角在-4h～8h之間變化時(shí)，渦輪效率可在較大工況范圍內(nèi)保持在85%以上。變幾何渦輪設(shè)計(jì)時(shí)，可將動(dòng)葉進(jìn)口氣流攻角設(shè)計(jì)在小負(fù)攻角狀態(tài)，以提高渦輪攻角適應(yīng)性，從而使變幾何渦輪在較大范圍工況內(nèi)獲得高的收益。