渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉冠修形對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響分析

單熠君 曾飛 李維

摘要：以某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)某級(jí)動(dòng)力渦輪為研究對(duì)象，采用實(shí)際葉冠結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算模擬動(dòng)葉葉冠處的流動(dòng)，并對(duì)葉冠修形對(duì)動(dòng)力渦輪氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)葉冠修形對(duì)動(dòng)力渦輪氣動(dòng)效率的影響在0.2%以下，且小面積的前緣修形有利于抑制進(jìn)口腔內(nèi)葉冠表面的分離，大面積的前緣修形則使得進(jìn)口腔內(nèi)渦強(qiáng)度增強(qiáng)且向下游移動(dòng)，而后緣修形使得葉冠出口堵塞及回流情況惡化，直接導(dǎo)致了渦輪效率損失的增加;在不同蓖齒間隙或不同氣動(dòng)載荷的條件下的渦輪氣動(dòng)效率隨修形面積的變化規(guī)律是相似的。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力渦輪;葉冠;修形;氣動(dòng)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：V231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪中燃?xì)獾牧鲃?dòng)具有馬赫數(shù)低、雷諾數(shù)低、負(fù)荷高、進(jìn)口氣動(dòng)熱力邊界復(fù)雜等特點(diǎn)，呈現(xiàn)強(qiáng)三維性。為了增加葉片剛度、抑制葉尖泄漏，動(dòng)力渦輪葉片通常采用帶冠形式。

葉冠的封嚴(yán)功能決定了該區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，這增加了對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的難度。Gier[1]、Pfau[2]、Porreca[3]與Nirmalan[4]等研究了泄漏流動(dòng)對(duì)主流以及渦輪氣動(dòng)性能的影響。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了評(píng)估帶冠渦輪的性能，往往采用源項(xiàng)法模擬葉冠區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)，以達(dá)到兼顧計(jì)算精度和效率的目的。Witting[5]、Martin[6]與Vermes[7]等研究了葉冠泄漏的一維數(shù)學(xué)模型，Rosic和Denton等[8]將源項(xiàng)法模擬葉冠流動(dòng)應(yīng)用于三級(jí)帶冠渦輪的數(shù)值模擬研究中。工程實(shí)踐證明將一維數(shù)學(xué)模型與主流三維模擬耦合進(jìn)行計(jì)算的源項(xiàng)法是一種工程上簡(jiǎn)單可行的方法，已被廣泛使用。但鑒于葉冠處的實(shí)際流動(dòng)十分復(fù)雜，源項(xiàng)法無(wú)法準(zhǔn)確模擬葉冠處的所有三維流動(dòng)現(xiàn)象，故本文采用葉冠實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行葉冠流動(dòng)的全三維數(shù)值模擬。

實(shí)踐表明，對(duì)葉冠進(jìn)行合理的修形，既可以保證渦輪外環(huán)周向剛度，又可以有效減小葉冠質(zhì)量、降低動(dòng)葉應(yīng)力水平，從而提高渦輪壽命。但修形對(duì)于渦輪氣動(dòng)性能的影響還未知，本文重點(diǎn)研究了葉冠前、后緣修形對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響。

1 研究對(duì)象

本文以某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)第二級(jí)動(dòng)力渦輪為研究對(duì)象，如圖1所示，分別對(duì)該級(jí)渦輪動(dòng)葉葉冠進(jìn)行前緣、后緣修形。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，修形時(shí)在葉冠靠近葉片吸、壓力面兩側(cè)均去除材料。其中前緣修形面積占葉冠面積的6%、12%與18%，后緣修形面積占葉冠面積的6%、9.4%，具體修形方案如圖2所示。

2 數(shù)值計(jì)算方法

本文數(shù)值模擬采用CFX求解定常雷諾平均N-S方程，并選用帶有自動(dòng)壁面處理功能的二方程湍流模型（k-ε模型）。數(shù)值方法采用時(shí)間追趕的有限體積法，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間離散應(yīng)用二階后插歐拉格式，使用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂。

計(jì)算時(shí)考慮了渦輪冷卻、封嚴(yán)泄漏等二股氣流以及葉身、端壁、輪轂等壁面粗糙度的影響，并對(duì)其他的影響因素也進(jìn)行了相應(yīng)修正。進(jìn)口給定總溫總壓分布;出口給定平均靜壓，并假定固體壁面無(wú)滑移。

本文中的計(jì)算均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格第一層高度與網(wǎng)格質(zhì)量滿(mǎn)足湍流模型的要求。渦輪導(dǎo)向器的網(wǎng)格采用TurboGrid軟件劃分;動(dòng)葉流道和葉冠容腔網(wǎng)格使用ICEMCFD軟件進(jìn)行手動(dòng)分塊并生成，如圖3所示。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究驗(yàn)證，當(dāng)葉冠區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)大于1000000時(shí)，通過(guò)葉冠區(qū)域的流量達(dá)到穩(wěn)定。

3 葉冠區(qū)域流動(dòng)特點(diǎn)

葉冠容腔內(nèi)的主要流動(dòng)情形主要可以歸納如下：由于葉冠區(qū)域內(nèi)封嚴(yán)蓖齒的作用，泄漏流以射流形式穿過(guò)蓖齒間隙，流經(jīng)每一道蓖齒后燃?xì)忪o壓均出現(xiàn)臺(tái)階式下降，同時(shí)在容腔內(nèi)還存在不同尺度的復(fù)雜渦系。而葉冠區(qū)域內(nèi)最重要的流動(dòng)現(xiàn)象是泄漏流在葉冠出口處的堵塞以及主流在該處的回流人侵。在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中，由于動(dòng)葉流道內(nèi)沿周向壓力梯度的影響，泄漏流在葉冠出口近壓力面?zhèn)劝l(fā)生堵塞，同時(shí)流道內(nèi)的主流由該處回流進(jìn)入葉冠容腔并與葉冠內(nèi)燃?xì)獍l(fā)生摻混，如圖4所示。

圖5顯示的則是由于葉冠區(qū)域缺少葉片對(duì)氣流的轉(zhuǎn)折作用，葉冠出口氣流相對(duì)主流出現(xiàn)欠轉(zhuǎn)，速度矢量的差異使得泄漏流與主流在主流流道內(nèi)也發(fā)生摻混。

上述葉冠容腔內(nèi)外的摻混作用，使得動(dòng)葉出口近上端壁存在一個(gè)周期性周向不均勻的高總壓損失區(qū)，如圖6所示，該區(qū)域擠壓了通道渦并對(duì)下游流動(dòng)產(chǎn)生影響。

4 葉冠修形對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響

在保持葉冠容腔形狀不變、蓖齒相對(duì)間隙δ=0.4%的前提下，研究葉冠前、后緣進(jìn)行修形對(duì)渦輪氣動(dòng)的影響。

4.1 性能分析

圖7分別為葉冠修形對(duì)泄漏流量、回流流量、堵塞面積和渦輪級(jí)等嫡效率的影響。

隨著前緣修形面積的增加，葉冠泄漏流量基本不變，對(duì)葉冠出口的堵塞及回流影響也十分有限，甚至略有改善;而后緣修形不僅使得泄漏流量急劇增加，葉冠出口的堵塞及回流情況也明顯惡化。

由圖7可知，葉冠修形對(duì)渦輪效率的影響在0.2%以?xún)?nèi)，其中較小面積的前緣修形對(duì)效率的影響十分有限，當(dāng)前緣修形面積增加到一定程度之后，效率才開(kāi)始下降;而效率對(duì)后緣修形卻十分敏感，當(dāng)后緣修形面積增大到一定程度后效率趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)下降。

4.2 流場(chǎng)分析

由圖8可知，前后緣修形僅相互獨(dú)立地影響距離其最近的容腔內(nèi)的流動(dòng)，其中后緣修形使得主流的人侵區(qū)域更加深人葉冠的出口腔內(nèi)，造成了更大的摻混損失。而前緣修形的影響更取決于修形面積，葉冠表面極限流線表明小面積的前緣修形可以抑制流體在前緣附近產(chǎn)生的分離，使得大部分流體緊貼葉冠上表面流動(dòng)，減小流動(dòng)損失。圖9顯示小面積的前緣修形能夠顯著降低葉冠表面切應(yīng)力。圖10則反映出大面積的前緣修形使得進(jìn)口腔內(nèi)壓力重新分布，渦系向下游移動(dòng)并且增強(qiáng)，甚至?xí)?duì)葉片尖部前緣的主流流動(dòng)產(chǎn)生影響。

綜上，小面積的前緣修形減弱了葉冠進(jìn)口腔內(nèi)葉冠上表面的分離，一定程度上抵消泄漏流量增大所帶來(lái)的效率損失，但大面積的前緣修形則顯著增加進(jìn)口腔內(nèi)渦的強(qiáng)度，并使得渦向下游流動(dòng)，甚至影響主流。而后緣修形則直接導(dǎo)致葉冠出口堵塞與主流回流情況惡化，使得渦輪氣動(dòng)效率降低。

4.3 其他因素的影響分析

圖11顯示了不同蓖齒間隙下葉冠修形對(duì)效率的影響，葉冠蓖齒相對(duì)間隙每減小0.08%，泄漏流量減小約20%，這使得級(jí)等熵效率升高約0.15%。而在不同蓖齒間隙下，等熵效率隨前、后緣修形面積變化的規(guī)律是相似的。而圖12則通過(guò)改變渦輪膨脹比（δ=0.4%）發(fā)現(xiàn)在不同氣動(dòng)載荷條件下葉冠修形對(duì)渦輪效率的影響規(guī)律也是相似的。

本文還研究了葉冠蓖齒角度、葉冠容腔徑向高度、葉冠容腔進(jìn)出口軸向尺寸、葉冠出口設(shè)置導(dǎo)流板等影響因素（見(jiàn)圖13）對(duì)葉冠流動(dòng)及渦輪氣動(dòng)性能的影響，具體影響見(jiàn)表1，可見(jiàn)表中各因素對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響十分有限，對(duì)效率的影響低于0.1%。

5 結(jié)論

通過(guò)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）葉冠流動(dòng)的重要特征是泄漏流在葉冠出口的堵塞和主流的回流入侵。這不僅造成較大的損失，同時(shí)也改變?nèi)~冠出口近上端壁的流動(dòng)狀態(tài)。

（2）本文中葉冠前后緣幾何修形對(duì)氣動(dòng)效率的影響水平在0.2%。

（3）本文中小面積的前緣修形幾乎未改變泄漏流量，但改善了葉冠進(jìn)口腔內(nèi)的流動(dòng)，因此較小面積的前緣修形對(duì)效率影響并不大。大面積的前緣修形則使得進(jìn)口腔內(nèi)流動(dòng)情況惡化，甚至對(duì)主流產(chǎn)生影響，損失增加。后緣修形則使得出口腔內(nèi)主流人侵更加深人，效率下降明顯。

（4）在不同葉冠蓖齒間隙及氣動(dòng)載荷下，氣動(dòng)效率隨修形面積變化的規(guī)律相似的。本文提及的其他因素對(duì)葉冠流動(dòng)及渦輪氣動(dòng)的影響有限。

參考文獻(xiàn)

[1]Gier J，Engel K，Stubert B，et al.Modeling and analysis ofmain flow-shroud leakage flow interaction in LP turbines[R].ASME Paper GT2006-90773，2006.

[2]Pfau A，Kalfas A I，Abhari R S.Making use of labyrinthinteraction flow[J].Journal of Turbomachinery，2004，129（1）：164-174.

[3]Porreca L，Behr T，Schiienger J，et al.Fluid dynamics andperformance of partially and fully shrouded axial turbi們es[J].Journal of Turbomachinery，2005，127（4）：668-678.

[4]Nirmalan N V，Baily J C.Experimental investigation ofaerodynamic losses of different shape of a shrouded blade tipsection[R].ASME Paper GT2005-68903，2005.

[5]Witting S L K，Dorr L，Kim S.Scaling effects on leakagelosses in labyrinth seals[J].Journal for Engineering for Power，1983，105（2）：305-309.

[6]Martin H M.Labyrinth packing[J].Engineering，1908，85：35-36.

[7]Vermes G A.A fluid mechanics approach to the labyrinth sealleakage problem[J].Journal of Engineering Power，1961，83（2）：161-169.

[8]Rosic B，Denton J D，Pullman G.The importance of shroudleakage modeling in multistage turbine flow calculations[J].Journal of Turbomachinery，2006，128（4）：699-707.