新型高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)的三維級(jí)性能研究

龍艷麗，徐立民，于景磊

(1.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001;2.中船重工第703研究所，黑龍江 哈爾濱150036)

能源的日益枯竭和新型能源的發(fā)展，使燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段.高溫氣冷堆與閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)合[1]，使得氦氣輪機(jī)發(fā)電技術(shù)日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).理論研究表明，高溫氣冷堆采用布雷登循環(huán)，用高溫氦氣直接驅(qū)動(dòng)透平的發(fā)電效率超出汽輪機(jī)發(fā)電效率近10%.此外，高溫氣冷堆氦氣輪機(jī)用于船舶動(dòng)力也有很大優(yōu)勢，包括潛艇和運(yùn)輸商船.可見，高性能的氦氣輪機(jī)在燃機(jī)行業(yè)中有更好的前景[2].然而我國在氦氣輪機(jī)的研究方面進(jìn)行的比較少，而出于商業(yè)目的，國際上對該研究的相關(guān)數(shù)據(jù)高度保密.

相對于空氣，氦氣是一種很難壓縮的氣體.如果按常規(guī)的空氣壓氣機(jī)葉型設(shè)計(jì)方法來選擇各項(xiàng)參數(shù)，又要滿足高效率的要求，單級(jí)壓比將會(huì)很低，據(jù)此設(shè)計(jì)的滿足整機(jī)壓比的氦氣壓氣機(jī)，級(jí)數(shù)和軸向尺寸將會(huì)大幅增加.如果保持流量系數(shù)不變，提高單級(jí)壓比，減少氦氣壓氣機(jī)級(jí)數(shù)，就需要提高反動(dòng)度，增大稠度，但這將會(huì)使效率降低.為了提高壓氣機(jī)的級(jí)壓比，可以選擇的方法是采用大轉(zhuǎn)折角葉柵.在空氣壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中采用大折轉(zhuǎn)角葉柵的研究國外已經(jīng)開展多年[3-8]，但是應(yīng)用在氦氣壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)方面還很少.本文應(yīng)用適用于氦氣壓氣機(jī)的大轉(zhuǎn)折角平面葉柵和基元級(jí)性能的研究結(jié)果，進(jìn)行高負(fù)荷三維級(jí)和常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)造型，并對三維級(jí)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，探索新型設(shè)計(jì)方法用于高負(fù)荷三維級(jí)的可能性.

1 新型基元級(jí)速度三角形

能夠顯著增加氦氣壓氣機(jī)級(jí)加功量(即歐拉功h=U×ΔCu)的辦法是采用如圖1所示的大轉(zhuǎn)折角速度三角形(空氣軸流壓氣機(jī)級(jí)的典型速度三角形如圖2所示)，這種速度三角形的思路更早地見著于文獻(xiàn)[9]，它利用氦氣音速高的特點(diǎn)，成倍增加了氣流速度，達(dá)到了中等亞音速，結(jié)果使扭速ΔCu成倍增加，達(dá)到了在輪周速度U不變的前提下成倍增加歐拉功的目的.盡管新型速度三角形的動(dòng)葉和靜葉氣流轉(zhuǎn)折角很大，從常規(guī)經(jīng)驗(yàn)看起來可能面臨擴(kuò)壓負(fù)荷難以承受的困難，但是按照傳統(tǒng)方法計(jì)算的葉型擴(kuò)壓因子數(shù)值并不大，這就為實(shí)現(xiàn)這種新型速度三角形和葉型提供了可能.

圖1 適用于氦氣的大轉(zhuǎn)折角速度三角形Fig.1 New velocity triangle for the helium compressor

圖2 空氣軸流壓氣機(jī)級(jí)的典型速度三角形Fig.2 Typical velocity triangle for the axial air compressor

2 三維級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 高負(fù)荷三維級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

為了提高氦氣壓氣機(jī)的級(jí)壓比以減少級(jí)數(shù)，文獻(xiàn)[10]對一種可顯著增加氦氣壓氣機(jī)級(jí)加功量的大轉(zhuǎn)折角新型葉柵的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.本文利用平面葉柵數(shù)值試驗(yàn)整理出的葉型損失系數(shù)和落后角關(guān)聯(lián)曲線，針對高負(fù)荷基元級(jí)性能研究結(jié)果的較佳方案，兼顧葉片頂、中、根徑向三截面的均衡匹配，利用等環(huán)量和等功沿徑設(shè)計(jì)規(guī)律，進(jìn)行了高負(fù)荷三維級(jí)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，參數(shù)見表1.其中，Ma1為動(dòng)葉相對進(jìn)氣馬赫數(shù)，Ma2為靜葉進(jìn)氣馬赫數(shù)，β1p為動(dòng)葉進(jìn)口幾何角，β2p為動(dòng)葉出口幾何角，α2p為靜葉進(jìn)口幾何角，α3p為靜葉出口幾何角.

表1 高負(fù)荷三維級(jí)參數(shù)表Table 1 Parameters of the high-loaded three-dimensional stage

2.2 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

平面葉柵數(shù)值試驗(yàn)范圍涵蓋了常規(guī)設(shè)計(jì)的取值范圍(如馬赫數(shù)、進(jìn)氣角、出氣角等參數(shù))，因此常規(guī)設(shè)計(jì)的三維級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)也使用平面葉柵數(shù)值試驗(yàn)整理出的葉型損失系數(shù)和落后角關(guān)聯(lián)曲線，采用等環(huán)量和等功沿徑設(shè)計(jì)規(guī)律，其參數(shù)見表2.

表2 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)參數(shù)表Table2 Parameters of three-dimensional stage under normal design

2.3 高負(fù)荷三維級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的比較結(jié)論

從表1和表2可以看出，同樣的U=300 m/s和Ω=0.5條件下，高負(fù)荷設(shè)計(jì)的三維級(jí)負(fù)荷超出常規(guī)設(shè)計(jì)的2倍還要多;常規(guī)設(shè)計(jì)的Ma較小，φ較小;幾何參數(shù)上的差別:高負(fù)荷設(shè)計(jì)的三維級(jí)動(dòng)葉葉根處葉型幾何轉(zhuǎn)折角達(dá)到了58.5°，而常規(guī)設(shè)計(jì)的幾何轉(zhuǎn)折角為 43.3°.

3 三維級(jí)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算方法

數(shù)值求解計(jì)算采用NUMECA FINETM/TURBO的EURANUS求解器，差分格式選為二階精度的中心差分格式.計(jì)算域包括動(dòng)葉、靜葉、進(jìn)口延伸段、出口延伸段.進(jìn)口距動(dòng)葉前緣約1倍葉片弦長，出口距靜葉后緣約2倍葉片弦長.2種方案均采用AutoGrid模塊自動(dòng)生成計(jì)算域的網(wǎng)格，動(dòng)葉和靜葉網(wǎng)格均采用Skinmesh型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，考慮動(dòng)葉的葉頂間隙，間隙高度1 mm，間隙內(nèi)采用蝶形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.在網(wǎng)格生成過程中，考慮粘性流場計(jì)算中低雷諾數(shù)湍流模型的應(yīng)用，捕捉近壁面湍流附面層流動(dòng)的詳細(xì)流動(dòng)特征，加密靠近壁面的網(wǎng)格，近壁面第一層網(wǎng)格距離固壁距離取0.01 mm，將y+值控制在一定的低雷諾數(shù)湍流模型要求的范圍之內(nèi).

3.2 三維級(jí)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 高負(fù)荷三維級(jí)數(shù)值模擬結(jié)果

本文除計(jì)算高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)流量下的流場性能外，還對高負(fù)荷三維級(jí)在90%和110%設(shè)計(jì)流量下流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 高負(fù)荷三維級(jí)性能計(jì)算結(jié)果Table 3 Performance result of high-loaded three-dimensional stages

圖3和4分別給出了高負(fù)荷三維級(jí)動(dòng)葉和靜葉葉片流道不同高度切面速度矢量圖，圖5～7給出了高負(fù)荷三維級(jí)在各個(gè)工況下葉片吸力面的極限流線.

圖3 高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)動(dòng)葉3種葉高速度矢量Fig.3 Velocity vector under design point in three kinds of rotor height of the high-loaded three-dimensional stage

圖4 高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)靜葉3種葉高速度矢量Fig.4 Velocity vector under design point in three kinds of stator height of the high-loaded three-dimensional stage

從圖3～7中可以看出，高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)流量情況下，動(dòng)葉的高速轉(zhuǎn)動(dòng)以及輪轂的影響，動(dòng)葉10%葉高尾緣葉背處出現(xiàn)較大的分離渦，在50%葉高及以上部分，流動(dòng)狀態(tài)比較良好，動(dòng)葉尾緣葉背處分離較小.在動(dòng)葉根部和靜葉頂部的壁面附近有從壓力面到吸力面的橫向流動(dòng)和尾渦，這主要是因?yàn)楦矫鎸觾?nèi)速度小，層內(nèi)氣流所產(chǎn)生的離心慣性力不足于平衡壓力面到吸力面的橫向作用力，產(chǎn)生了二次流.而在兩列葉片中間沿軸向方向截面(即S2流面)頂端有分離流，這主要是因?yàn)閯?dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)是刮過附面層而產(chǎn)生的刮擦渦.上面這些渦流和分離流都會(huì)造成能量損失，使壓氣機(jī)的效率和壓頭下降.流量降低到設(shè)計(jì)流量的90%時(shí)，效率提高了0.2%，這是因?yàn)榱髁康臏p小使得攻角偏向了最佳攻角，葉型損失降低，因此效率有所提高.而在110%設(shè)計(jì)流量的情況下，雖然動(dòng)葉葉背分離流動(dòng)獲得較大改善，但由于堵塞效應(yīng)影響較大，效率并未見有明顯改善.

圖8～9分別給出了高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)工況時(shí)各個(gè)徑向截面軸向、徑向速度沿徑向分布.從圖中可以看出，靜葉出口氣流軸向速度分布不均，葉根部分氣流軸向分速偏小，但偏差不是很大，而此時(shí)的氣流具有一定徑向速度，這是由于附面層不斷增厚，使得氣流向中間流到擠壓，從而使徑向分速增加.

圖5 高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)工況葉片吸力面極限流線Fig.5 Limited streamline of suction-face on blade under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖6 高負(fù)荷三維級(jí)90%流量工況葉片吸力面極限流線Fig.6 Limited streamline of suction-face on blade under 90%flux condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖7 高負(fù)荷三維級(jí)110%流量工況葉片吸力面極限流線Fig.7 Limited streamline of suction-face on blade under 110%flux condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖8 高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)軸向速度沿徑向分布Fig.8 Radial distribution of axial velocity under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖9 高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)徑向速度沿徑分布Fig.9 Radial distribution of axial velocity under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

圖10給出了高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)工況下各個(gè)徑向截面處總壓沿徑向分布，從圖中可以看出，總壓在各個(gè)截面處變化不大，在動(dòng)葉出口處總壓達(dá)到最大.

圖10 高負(fù)荷三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓沿徑向分布Fig.10 Radial distribution of total pressure under design condition of the high-loaded three-dimensional stage

3.2.2 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)數(shù)值模擬結(jié)果

計(jì)算了常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)設(shè)計(jì)流量下的流場性能，計(jì)算結(jié)果見表4.

表4 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)性能計(jì)算結(jié)果Table 4 Performance result of the normal design three-dimensional stages

圖11給出了常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)葉片葉背極限流線，從圖中可以看出，常規(guī)設(shè)計(jì)情況下，各個(gè)截面處流場狀況良好，各葉片葉背基本未出現(xiàn)分離流動(dòng).

圖11 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)葉片吸力面極限流線Fig.11 Limited streamline of suction-face on blade under design condition of the normal design three-dimensional stage

圖12～13分別給出了常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)設(shè)計(jì)工況下各個(gè)徑向截面處軸向和徑向速度沿徑分布，徑向竄流在一個(gè)很小的速度值范圍內(nèi)變動(dòng)，各半徑位置處的徑向速度在動(dòng)葉出口處達(dá)到最大值，但相對軸向速度要小很多，對壓氣機(jī)的效率影響較小.

圖12 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)軸向速度延徑分布Fig.12 Radial distribution of axial velocity under design condition of three-dimensional stage for normal design

圖14給出了常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)設(shè)計(jì)工況下各個(gè)徑向截面總壓沿徑分布.容易看出，總壓在動(dòng)葉出口位置達(dá)到最大，在葉片中徑截面處，氣流流過葉柵后，總壓損失最小.葉根和葉頂位置由于存在固壁以及間隙的影響，各位置處的總壓變化較大.

圖13 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)徑向速度分布Fig.13 Radial distribution of radial velocity under design condition of three-dimensional stage for normal design

圖14 常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓沿徑向分布Fig.14 Radial distribution of total pressure under design condition of three-dimensional stage for normal design

3.2.3 高負(fù)荷三維級(jí)數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

通過以上分析，可以得出:高負(fù)荷三維級(jí)的級(jí)壓比是常規(guī)設(shè)計(jì)的2倍多，負(fù)荷獲得較大提升，盡管高負(fù)荷三維級(jí)的流場在動(dòng)葉10%葉高葉型尾緣處有較大的分離，但是效率還能維持較高的水平(高達(dá)89.86%);常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)流場狀況良好，除了葉根和葉頂附近由于附面層使氣流發(fā)生徑向竄流外，各個(gè)葉片截面未出現(xiàn)分離;高負(fù)荷三維級(jí)軸向、徑向速度、總壓與常規(guī)設(shè)計(jì)變化規(guī)律基本一致.

4 結(jié)論

計(jì)算了高負(fù)荷和常規(guī)設(shè)計(jì)的三維級(jí)性能，并分析相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，現(xiàn)總結(jié)如下:

1)高負(fù)荷基元級(jí)沿徑積疊成三維級(jí)是可行的，可以適應(yīng)反動(dòng)度、馬赫數(shù)等流動(dòng)條件沿徑向的變化，各項(xiàng)參數(shù)是合理的.相同條件下，高負(fù)荷設(shè)計(jì)的三維級(jí)負(fù)荷是常規(guī)設(shè)計(jì)的2倍多;常規(guī)設(shè)計(jì)的馬赫數(shù)、流量系數(shù)、葉型幾何轉(zhuǎn)折角與高負(fù)荷設(shè)計(jì)相比較小.

2)高負(fù)荷設(shè)計(jì)三維級(jí)方案設(shè)計(jì)點(diǎn)的級(jí)壓比達(dá)到1.138 8，級(jí)壓比是常規(guī)設(shè)計(jì)的2倍多.此外，高負(fù)荷三維級(jí)在10%葉高處動(dòng)葉吸力面尾緣有較大的分離，而常規(guī)設(shè)計(jì)三維級(jí)流場狀況良好.

3)采用大轉(zhuǎn)折角彎曲葉型能有效減少氦氣壓氣機(jī)葉片數(shù)、尺寸和重量.采用高負(fù)荷彎曲葉柵將是研發(fā)高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)可采取的措施之一.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證大轉(zhuǎn)折角葉片設(shè)計(jì)適用于高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)，本課題將繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.

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