變幾何渦輪對渦輪效率的影響

變幾何渦輪對渦輪效率的影響

1變幾何燃油渦輪損失的數(shù)學(xué)模型該發(fā)動機必須具有各種場景和環(huán)境的功能。為了適應(yīng)這些變化條件而保持最佳的燃氣輪機性能,發(fā)動機最好具有一定程度的變通能力。提供這種變通能力的一種途徑就是在動力渦輪部分采用變幾何渦輪,從而可以把燃氣輪機調(diào)整到性能較為良好的工作點上。所謂的變幾何,就是指渦輪的幾何參數(shù)可調(diào),大都是通過改變靜葉安裝角來實現(xiàn)的,即靜葉片可以轉(zhuǎn)動,從而改變喉口面積,進而使渦輪的通流能力發(fā)生變化。在部分負荷下工作時,由于功率減小,對定幾何渦輪而言,只能通過控制油量來實現(xiàn),這必將造成渦輪進口初溫下降,壓比降低,燃氣輪機的效率也隨之下降,油耗率增大。而對變幾何渦輪,可以通過轉(zhuǎn)動靜葉,關(guān)小喉口面積來降低流量,減小功率,維持較高的渦輪進口初溫,從而獲得相對較高的循環(huán)效率。但是,渦輪采用變幾何后,會偏離設(shè)計工作點,造成渦輪效率的下降,所以應(yīng)用變幾何動力渦輪,一定不能使可能獲得的效益被變幾何時造成的動力渦輪效率下降所抵消,因此,不僅要弄清楚動力渦輪的變幾何對效率的影響,而且還要充分了解影響這一效率的各種因素,以便能把由此引起的性能惡化降到最低程度。目前,變幾何燃氣輪機的應(yīng)用越來越廣泛,大量應(yīng)用在航空、航海以及汽車的渦輪增壓等方面。但是傳統(tǒng)的損失模型均是針對定幾何渦輪建立的。變幾何情況下,這些模型是否仍然可用,會產(chǎn)生哪些新的問題,這方面問題的研究,國內(nèi)外很少有報道。本文就是針對這一問題,對變幾何下燃氣渦輪的損失模型進行分析,從而可較精確的預(yù)估變幾何燃氣渦輪的損失,設(shè)計出經(jīng)濟性優(yōu)良的變幾何燃氣輪機。一般說來,大多數(shù)的定幾何損失模型把損失分為三大類:(1)葉型損失;(2)二次流損失;(3)端部間隙損失。靜葉安裝角的變化,會引起幾何流入角和流出角以及喉口寬度的變化;同時為了保證靜葉可以轉(zhuǎn)動,必須在葉片端部留出一定的間隙來,這個間隙在定幾何渦輪中是不存在的。所以,由于靜葉的轉(zhuǎn)動,使得渦輪產(chǎn)生了與定幾何不同的損失。這兩種損失的差值,就是所謂的“變幾何渦輪的附加損失”。為了求解變幾何后的損失,必須通過幾何作圖或計算機繪圖方法求出受轉(zhuǎn)角影響的幾何參數(shù)隨角度變化的情況,得出轉(zhuǎn)角后值,如喉口寬度、出口邊平均曲率半徑和葉型進出口角等。這樣,我們就可以建立求解變幾何渦輪損失的基本思路:渦輪變幾何后,可以看作是一臺具有新的幾何參數(shù)的渦輪。所以需要先通過幾何參數(shù)與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系,確定轉(zhuǎn)角后的新的幾何進出口角、喉口寬度等參數(shù),然后代入現(xiàn)有的定幾何模型中進行求解。需要注意的是,傳統(tǒng)的定幾何模型中沒有考慮靜葉部分的端部泄漏損失,而在變幾何渦輪中則需要增加這一項。2不同組件的損失解決方案2.1dunhas修正的k-o模型及模型葉型損失主要包括由氣流與葉片表面間的摩擦,葉片尾緣的渦流尾跡損失和附面層脫流造成的損失等。影響葉型損失的因素很多,如:氣流轉(zhuǎn)折角、流道收斂度、節(jié)距、尾緣厚度、沖角、馬赫數(shù)、雷諾數(shù)等。計算損失的模型可以分為兩大類:一類是根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗公式;二是從理論角度出發(fā)采用邊界層理論來計算摩擦損失。由于葉柵內(nèi)流動的復(fù)雜性,實際上應(yīng)用較多、效果較好的還是第一類模型。這其中包括:Soderberg,Ainley&Mathieson,Steward,Smith,Baljé&Binsley,Mukhtarov&Krichakin,Craig&Cox,&Came,Kroon&Tobiasz,Traupel,Kacker&Okapuu,Moustaphaetal等。在這些模型中Ainley模型以及后來Dunham在Ainley的基礎(chǔ)上修正得到的模型是應(yīng)用最為廣泛的。Kacker&Okapuu模型(簡稱K-O模型)則是在Dunham修正的基礎(chǔ)上進一步提出了修正,主要是針對馬赫數(shù)的影響并將尾跡損失獨立出來進行計算。我們以某具體燃氣輪機導(dǎo)葉的平面葉柵實驗數(shù)據(jù)為例,對Dunham修正過的Ainley方法以及K-O方法進行比較。Dunham改進的Ainley法:Yp=[1+60(Μout-1)2]XiYp(i=0)Yp(i=0)={Yp(α′in=0)+(α′inαout)2[Yp(α′in=αout)-Yp(α′in=0)]}{t′max/10.2}α′inαoutΚ-Ο方法∶Yp=0.914{23ΚpXiYp(i=0)+Yshoch}Yp(i=0)={Yp(α′in=0)+|α′inαout|(α′inαout)[Yp(α′in=αout)-Yp(α′in=0)]}{t′max/10.2}α′inαoutYshock=0.75(Μin-0.4)1.75(rΗrΤ)(ΡinΡout)1-(1+Κ-12Μ2in)k/k-11-(1+Κ-12Μ2out)k/k-1Κp=1-1.25(Μout-0.2)(ΜinΜout)2從圖1可以看出,在設(shè)計工況點附近,兩種模型與實驗結(jié)果都很接近,均略高于實驗結(jié)果。但是在偏離設(shè)計工況點的位置,Ainley法的偏差就比較大了,而K-O模型與實驗曲線比較吻合;在較大的正沖角位置(20°～40°)范圍內(nèi),Ainley法的偏差已經(jīng)超出了允許的范圍了。所以,針對試驗所采用的葉型,我們選定K-O方法來具體計算。圖2是采用K-O方法計算的葉型損失隨轉(zhuǎn)角變化的曲線,Δα增大表示喉口關(guān)小。由于缺乏變幾何條件下的實驗數(shù)據(jù),只能從理論上進行計算分析。從圖2可以看出,隨著轉(zhuǎn)角的變化,損失均朝增大的方向變化。轉(zhuǎn)角發(fā)生變化,首先影響到進出口氣流角的大小。而葉型損失與氣流轉(zhuǎn)折角有著密切的關(guān)系,它反映了葉片負荷的大小。在早期,很多損失模型中甚至把損失直接表示為氣流轉(zhuǎn)折角的函數(shù),這充分說明了氣流轉(zhuǎn)折角對損失的影響。其次,Δα的變化,會引起喉口寬度O的變化,而喉口寬度直接影響到出口馬赫數(shù)的大小以及尾跡損失。大量的實驗數(shù)據(jù)表明,r2/O是計算尾跡損失的一個重要參數(shù)。在尾緣厚度不變的情況下,喉口寬度的變化對尾跡損失有著直接影響。當(dāng)Δα增大時,氣流轉(zhuǎn)折角增大,葉片負荷增加,此時喉口寬度O減小,r2/O增大,尾跡損失也朝增大的方向發(fā)展,所以葉型損失增大。當(dāng)Δα減小時,葉片處于負沖角狀態(tài),由于該葉片的葉型進口角是90°,負沖角狀態(tài)下,氣流直接沖擊到葉背,很容易引起附面層脫流,導(dǎo)致葉柵內(nèi)紊流度增加,流動狀況惡化,使損失增加。雖然此時r2/O減小,但是由于葉片兩側(cè)流速的不一致,在尾緣后不可避免的產(chǎn)生脫流,再加上葉柵處流動狀態(tài)惡化,與葉柵后的氣流混合產(chǎn)生漩渦,也會導(dǎo)致?lián)p失增加。2.2模型2:k-o算法及參數(shù)關(guān)于二次流損失的成因,常見的有兩種理論:一種是所謂的“橫向壓力梯度理論”,即由于相鄰兩葉片的背弧和內(nèi)弧之間存在壓力差,以及氣流轉(zhuǎn)折形成的離心力在葉柵兩端不平衡造成的;一種是“渦線轉(zhuǎn)折理論”,即在進口處切向渦線是與流線方向垂直的,而在出口處渦線在流動方向上具有一定的分量,造成二次流的產(chǎn)生。同樣,我們分別來分析Dunham和K-O模型的計算方法,以及以K-O模型的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),專門針對非設(shè)計工況進行計算的Moustapha方法。Ainley法(Dunham修正過的):Ys=0.0334(lΗ)[4(tanαin-tanαout)2](cos2αoutcosαm)(cosαoutcosα′in)式中αm=tan-1[(tanαin+tanαout)/2]K-O方法:Ys=0.04(lΗ)XAR[4(tanαin-tanαout)2](cos2αoutcosαm)(cosαoutcosα′in)[1-(lxΗ)(1-Κp)]式中Kp定義見葉型損失計算部分。Moustapha采用設(shè)計工況點(i=0)情況下的K-O模型為基礎(chǔ),來對非設(shè)計工況下的二次流損失進行修正,具體公式如下:Y*3為設(shè)計工況下的二次流損失。圖3是上述三種方法計算結(jié)果的比較。二次流損失的變化趨勢是隨著沖角的增大而增大。這是因為隨沖角的增大,引起氣流轉(zhuǎn)折的增加,葉片負荷增大,造成損失的增加。在負沖角區(qū)域,三種方法比較近似,而在正沖角區(qū)域,Ainley法增長速度遠遠超出其他兩種方法,而且,對損失的估計值偏高。因為Ainley法的負荷系數(shù)僅由葉片的進出口角決定,而沒有考慮到展弦比和馬赫數(shù)的影響,而實際結(jié)果表明,二次流損失是隨葉片展弦比變化的。K-O模型中,增加了一個針對展弦比的修正項XAR,以及亞音速馬赫數(shù)修正因子Kp。相對來說,K-O方法的增長比較符合實際情況,而Moustapha方法的曲線變化過于平緩,不符合試驗所用葉片的二次流損失。圖4表示:變幾何對二次流損失的影響,主要體現(xiàn)在安裝角和進出口氣流角的變化上。在較小的相對節(jié)距下,減小安裝角βb可以改善通道收斂性而使二次流損失減小。由文獻可看到,根據(jù)Soderberg的數(shù)據(jù)表明,當(dāng)噴嘴關(guān)小時,二次流損失系數(shù)有所減小;巴杰與賓斯利也指出二次流損失會減小,主要是因為葉片關(guān)小時,馬赫數(shù)增加,使橫向壓力梯度減小,二次流損失隨之減小。2.3間隙損失的計算在定幾何渦輪中,間隙損失只存在于動葉部分,對靜葉來說,其端部不存在間隙。而在變幾何渦輪中,由于要保證靜葉可以自由轉(zhuǎn)動,還考慮到材料的熱膨脹因素,在靜葉的端部必須預(yù)留出一定的間隙來。這在定幾何中是不存在的,所以,傳統(tǒng)的損失模型中均沒有考慮這一方面的計算。在變幾何渦輪中,涉及到一個靜葉的間隙應(yīng)如何選取的問題。顯然,間隙越大,泄漏損失就越大。所以,在保證靜葉能夠轉(zhuǎn)動的前提下,間隙的大小應(yīng)該盡可能的小。根據(jù)文獻的研究結(jié)果,建議取間隙的大小為葉片長度的1.9%?？紤]到葉片材料的熱膨脹性,本文以具體的斯貝發(fā)動機(MK202)葉片為例,進行校驗。其渦輪導(dǎo)向器葉片的材料分別為鎳基合金C1023和C130,在1000℃條件下,其熱膨脹率分別為1.568%和1.6562%。因此,取1.9%的間隙大小可以保證葉片的正常轉(zhuǎn)動。對間隙損失的計算,大致可以分為兩大類。一類是將損失表示為效率的變化,如Craig&Cox方法中:Δηcl=FkAclAη,式中Acl為端部間隙的環(huán)形面積;A為葉柵環(huán)形面積;η為沒有間隙時的效率;Fk為修正系數(shù),其大小取決于氣流速度、間隙大小和葉片高度。另一類是通過一些相關(guān)的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)來進行具體計算。如Ainley法,K-O法等。Ainley法(Dunham修正過的):YΤ1=B1Η(τl)0.784(tanαin-tanαout)2(cos2αoutcosαin)其中B為系數(shù)項,計算靜葉時取0.47,動葉時取0.37。K-O法與Ainley法基本相同。對傳統(tǒng)的定幾何渦輪,由于其幾何參數(shù)是固定的,所以間隙損失的大小與間隙本身的大小直接相關(guān)。但在變幾何渦輪中,因為幾何參數(shù)可調(diào),即使在同樣的間隙大小下,葉片轉(zhuǎn)角不同,則沖角、流道收斂度、幾何氣流角等都會發(fā)生變化,也會影響到葉片間隙的流動狀況。因此,在變幾何渦輪中,采用考慮幾何參數(shù)比較全面的方法,更加符合幾何的需要和實際情況。如圖5所示為K-O方法計算的端部泄漏損失隨轉(zhuǎn)角的變化。可以看到間隙取1.9%葉片長時,損失在設(shè)計工況下達到0.1左右,變幾何后最高甚至達到0.19左右。這充分說明了間隙大小對損失影響的重要性。需要注意的是,1.9%的冷態(tài)間隙,在實際工作過程中,由于材料的熱膨脹,這個間隙將大幅度減小。圖中另一條曲線為間隙減小一半,即0.95%葉片長時的損失,可以看到損失大大降低。間隙損失的變化規(guī)律是隨著轉(zhuǎn)角的增大而逐漸增大的,即隨著喉口的關(guān)小而增大。顯然,從公式中可以看到,間隙損失與葉片負荷系數(shù)Z密切相關(guān)。轉(zhuǎn)角變大,引起氣流轉(zhuǎn)折角增大,葉片負荷增大,導(dǎo)致間隙損失增加。圖6是各部分損失及總損失隨轉(zhuǎn)角的變化(間隙損失取0.95%葉片長度時的值)?？梢钥吹睫D(zhuǎn)角減小時,損失先減小再增大,最小值出現(xiàn)在-2°左右,這是因為間隙損失隨轉(zhuǎn)角減小而減小,且變化比葉型損失和二次流損失大,隨后由于葉型損失增大較快,所以總損失增加,在轉(zhuǎn)角增大的一側(cè),只有二次流損失是逐漸減小的,且變化較慢,而間隙損失增加顯著,所以在正轉(zhuǎn)角一側(cè),損失比負轉(zhuǎn)角一側(cè)要高?？梢钥吹?如何控制和減小間隙損失的大小是降