微型渦輪發(fā)電機(jī)J型彎曲靜葉設(shè)計(jì)研究

張遠(yuǎn)森

摘 ?要：本文采用數(shù)值計(jì)算研究了J型彎曲靜葉的彎高和彎角對(duì)微型渦輪機(jī)軸流渦輪級(jí)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)J型靜葉彎高和彎角分別為1和5°時(shí)，對(duì)渦輪性能的改善效果最佳，將此成果應(yīng)用于微型渦輪機(jī)跨音軸流渦輪靜葉，渦輪流量、輪緣功以及級(jí)效率分別達(dá)到了1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，較初始方案分別提高了0.96%、0.54%和0.88%。

關(guān)鍵詞：J型彎曲靜葉;微型渦輪發(fā)電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK14 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來(lái)，分布式能源向小型化，多樣化和智能化發(fā)展[1]。微型燃?xì)廨啓C(jī)作為分布式能源的主要?jiǎng)恿ρb置，具有能源利用率高，環(huán)境污染小，經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展。Capstone和Elliott等公司于1995年先后推出了功率35kw～200kw量級(jí)的第一代微型燃?xì)廨啓C(jī)，熱功效率為22.5%～33%，根據(jù)美國(guó)能源部于2003年提出的“先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)規(guī)劃”要求，新一代微型渦輪機(jī)發(fā)電效率至少達(dá)到40%，指標(biāo)較之前有大幅提升。因此研究者不斷引入新概念、新技術(shù)，同時(shí)對(duì)部件性能提出了更高的要求。渦輪作為微型渦輪機(jī)核心部件之一，對(duì)其指標(biāo)也提出了更高的要求。通常情況下厘米級(jí)軸流渦輪為降低成本，一般采用性能較差的直葉片，而在常規(guī)尺度葉輪上，由王仲奇教授提出的葉片彎扭聯(lián)合氣動(dòng)成型[2]，作為一種能顯著改善葉輪效率的手段已被廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)[3]，燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上[4-5]。隨著技術(shù)水平的進(jìn)步和葉輪整體精密鑄造技術(shù)的普及，使彎、扭、掠等氣動(dòng)造型應(yīng)用于微型渦輪成為了可能。

鑒于彎葉片在提高葉輪性能的重要作用以及微型軸流渦輪自身的特點(diǎn)：渦輪葉片徑向高度短，端壁損失較常規(guī)尺度葉輪大，開(kāi)展微型渦輪彎葉片設(shè)計(jì)研究可提高渦輪效率。本文基于某200kW微型渦輪發(fā)電機(jī)渦輪部件，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究了J型彎曲靜葉彎高和彎角對(duì)渦輪部件性能的影響規(guī)律，確定了J型彎曲靜葉積迭參數(shù)選取規(guī)律，并獲得了較優(yōu)的J型彎曲靜葉設(shè)計(jì)方案。

1.渦輪初始方案介紹

本研究基于某200kW微型渦輪發(fā)電機(jī)開(kāi)展，該微型渦輪機(jī)發(fā)電功率為200kw，整機(jī)熱效率達(dá)40.93%。渦輪部件采用軸流式渦輪，內(nèi)徑和外徑分別為0.16m和0.18m。

數(shù)值計(jì)算采用numeca開(kāi)展，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為300萬(wàn)，選取S-A湍流模型，流動(dòng)介質(zhì)為真實(shí)空氣，軸向入流并給定總溫1200K和總壓511kpa，出口給定背壓，轉(zhuǎn)靜子通過(guò)摻混面法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，計(jì)算得到的渦輪性能參數(shù)如表1所示。因初始方案靜子為直葉片，性能存在提升空間，故后續(xù)采用J型彎曲葉片設(shè)計(jì)手段對(duì)渦輪靜葉進(jìn)行優(yōu)化。

2 .J型彎曲靜葉方案簡(jiǎn)介

本文J型彎曲靜葉采用bezier-line-bezie作為積迭線，如圖1（左）所示，主要控制參數(shù)為葉片根部的彎高C1（往葉背一側(cè)彎曲）和彎角A1，頂部不彎，三維模型如圖1（右）所示。

為準(zhǔn)確反映彎高和彎角對(duì)渦輪性能的影響規(guī)律，本文分別計(jì)算了彎高分別為0.2至1（每間隔0.1取一組），彎角為5°、10°和15°，共計(jì)27種J型彎曲靜葉方案的渦輪性能。

3. J型彎曲靜葉對(duì)渦輪性能的影響分析

本文J型彎曲靜葉對(duì)渦輪性能的影響主要體現(xiàn)在改變了下游動(dòng)葉的做功能力。圖2給出不同J型彎曲靜葉方案下游動(dòng)葉輪緣功沿徑向分布圖。通過(guò)對(duì)比可知，當(dāng)靜葉彎高較小時(shí)，對(duì)下游動(dòng)葉輪緣功沿徑向分布的影響較小。隨著靜葉彎高的增加，對(duì)下游動(dòng)葉的影響逐漸增強(qiáng)。當(dāng)靜葉彎高為1彎角為5°時(shí)，可提高下游動(dòng)葉徑向35%高度至葉尖區(qū)域輪緣功，進(jìn)一步增大彎角，下游動(dòng)葉做功能力下降。這是由于當(dāng)靜葉彎角較小時(shí)，靜葉中部至頂部出口氣流角減小，氣流周向速度分量增大，可充分利用動(dòng)葉高半徑位置的切線速度，從而提高動(dòng)葉整體做功能力，當(dāng)靜葉彎角較大時(shí)，靜葉出口氣流角沿徑向變化過(guò)于劇烈，惡化了下游動(dòng)葉入流條件，導(dǎo)致動(dòng)葉做功能力急劇下降。

圖3給出了J型彎曲靜葉的彎高和彎角對(duì)渦輪級(jí)效率的影響曲線，從圖中對(duì)比可以看出，采用5°小彎角設(shè)計(jì)的J型靜葉，渦輪級(jí)效率隨彎高增加而提高，而當(dāng)靜葉彎角處于10°～15°范圍時(shí)，增加彎高，渦輪級(jí)效率顯著下降，這是由于當(dāng)J型靜葉彎角較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致靜葉出口氣流角沿徑向急劇變化，從而惡化了下游動(dòng)葉進(jìn)口條件，因此渦輪效率下降。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)跨音微型軸流渦輪J型靜葉彎高為1，彎角為5°時(shí)，此J型彎曲靜葉對(duì)渦輪級(jí)性能的改善效果最佳，渦輪流量、輪緣功和級(jí)效率分別達(dá)到1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，較原始方案分別提高了0.96%、0.54%和0.88%。

4結(jié)論

本文基于某200kw級(jí)微型渦輪機(jī)的軸流渦輪部件，開(kāi)展了微型軸流渦輪J型彎曲靜葉設(shè)計(jì)技術(shù)研究，采用數(shù)值計(jì)算手段研究了J型彎曲靜葉的彎高和彎角對(duì)渦輪性能的影響，并得到以下結(jié)論：

1.采用大彎高小彎角設(shè)計(jì)的J型靜葉，增加了靜葉出口中部到頂部區(qū)域的氣流切向速度分量，可提高下游動(dòng)葉做功能力，從而提高渦輪級(jí)效率。而當(dāng)J型彎曲靜葉彎角較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致靜葉出口氣流沿徑向方向急劇變化，惡化了下游動(dòng)葉入流條件，導(dǎo)致渦輪做功能力和效率急劇下降。

2.針對(duì)此微型渦輪機(jī)跨音軸流渦輪靜葉，當(dāng)J型彎曲靜葉彎高達(dá)到1，彎角為5°時(shí)對(duì)渦輪級(jí)效率的提升效果最顯著，渦輪流量、輪緣功以及級(jí)效率分別達(dá)到1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，較初始方案分別提高了0.96%、0.54%和0.88%。

參考文獻(xiàn)

[1] ?杜建一.分布式能源系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展與應(yīng)用.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（5）：786-788.

[2] ?蘇杰先.葉片的彎扭聯(lián)合氣動(dòng)成型理論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.動(dòng)力工程，1992，12（6）：1-6

[3] ?張任偉.600MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì).汽輪機(jī)技術(shù)，1990，32（6）：27-32.

[4] ?袁寧.提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的彎扭導(dǎo)向器技術(shù).推進(jìn)技術(shù)，2001，22（6）：458-463.

[5] ?Mohsen Hassan Vand.Numerical study of the bowed blades on aerodynamic characteristics in a hign pressure tuebine. ASMEG paper GT2005-68214，2005.