導葉對徑向渦輪性能的影響

導葉對徑向渦輪性能的影響

在非設(shè)計條件下，分層采用適應(yīng)性導葉調(diào)整傳輸能力，提高非設(shè)計條件的性能，擴大車輪的運營范圍。在負荷頻繁變動的動力機械中,如船用燃氣輪機、車用增壓器動力渦輪等,變幾何技術(shù)是提高渦輪性能的重要舉措。美國在20世紀50年代就開展了變幾何渦輪發(fā)動機技術(shù)可行性的理論研究和實驗研究。對于軸流變幾何渦輪,一般基于直列葉柵的研究,目前已經(jīng)取得了大量的實驗以及流場模擬結(jié)果。Moffitt通過實驗研究表明改變靜子流通面積會使渦輪效率降低。劉隆順,邱超等通過數(shù)值模擬研究了軸流變幾何渦輪流場特性以及損失模型。對于徑向變幾何渦輪的研究,公開發(fā)表的成果較少。Glassman基于邊界層分析,建立了設(shè)計工況下向心渦輪在導向葉柵、葉輪流道內(nèi)的流動損失模型。Meitner建立發(fā)展了變幾何渦輪非設(shè)計工況性能的計算方法。Spence,Artt對七種不同導葉安裝角的單級徑向渦輪進行了性能測試,并比較了四種不同損失模型。結(jié)果表明渦輪可獲得的最大效率隨導葉喉部面積的減小而降低,Rohlik損失模型與實驗值吻合最佳。國內(nèi)對徑流式變幾何渦輪的研究關(guān)注于變幾何渦輪與發(fā)動機的匹配、結(jié)構(gòu)控制以及噴嘴葉型對增壓器的性能影響,對徑流渦輪的氣動性能研究很少。大量的實驗可以建立整體渦輪級的性能,但是不能反映導葉調(diào)節(jié)后,流動損失的組成和機理,而CFD方法提供了一個很好的分析途徑。本文對單級徑向渦輪在導向葉柵的不同開度、不同工況下的全流場進行了三維模擬分析,討論了帶有可調(diào)導葉渦輪級通流特性以及其中流動損失對應(yīng)的變化規(guī)律,為建立徑向渦輪在不同開度下的性能預測模型提供理論依據(jù)。1流場計算模型在一般曲線坐標系下,守恒型三維可壓縮N-S方程組的形式為:??t?Q+??ξ(?F-?Fv)+??η(?G-?Gv)+??ζ(?Η-?Ηv)=0??tQ?+??ξ(F??F?v)+??η(G??G?v)+??ζ(H??H?v)=0其中,ξ,η,ζ是曲線坐標分量,?QQ?為變量,?F??G??ΗF??G??H?是對流通量,?Fv??Gv??ΗvF?v?G?v?H?v是粘性通量。式中包含的動力粘性系數(shù)μ采用Sutherland公式計算,湍流渦粘系數(shù)μt采用SA湍流模型計算。與代數(shù)模型相比,SA模型考慮了湍流粘性在流場中的傳遞,對局部小分離流動具有模擬能力,尤其適合于渦輪內(nèi)具有大壓降、可能局部分離的流動。導葉出口與葉輪進口的交接面上采用混合平面法交換上下游流場信息。導葉進口參數(shù)為:總壓p*0=400.0kPa,總溫T*0=1150K,進口氣流角α0=35°;葉輪出口給定平均靜壓,設(shè)計轉(zhuǎn)速n=65000r/min。計算采用CFD軟件FINE/Turobo8.5平臺上完成,數(shù)值方法采用基于時間推進的數(shù)值離散格式,空間差分采用中心格式,添加人工粘性系數(shù)以保證收斂,同時采用全多重網(wǎng)格方法,結(jié)合當?shù)貢r間步長以及殘差光順方法來加速收斂。2葉片區(qū)域調(diào)節(jié)計算域以渦輪單流道為計算模型,采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行剖分:導葉部分采用H-O-H型網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為274300;葉輪區(qū)采用H-I型網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為356421。在葉片近壁面、端壁、前緣及尾緣等流動復雜區(qū)域,對網(wǎng)格進行局部加密。渦輪導向葉柵調(diào)節(jié)方式的不同,對渦輪性能影響有一定的區(qū)別,其中控制渦輪流量最有效的方法是改變導葉安裝角。本文以葉片尾緣為中心軸,旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)葉片安裝角,如圖1所示。開大渦輪所對應(yīng)的喉部面積為設(shè)計渦輪喉部面積的通流面積的130%,記為130T;關(guān)小渦輪所對應(yīng)的喉部面積為設(shè)計渦輪喉部面積的通流面積的69%,記為069T;設(shè)計渦輪導葉喉部面積為100%,記為100T。從圖2所示的開度與喉部尺寸關(guān)系曲線上可以看出,導葉喉部面積與安裝角呈線性關(guān)系。3計算與分析3.1不同轉(zhuǎn)速比對功率系數(shù)的影響定義速比ˉu=U/C0?Uuˉ=U/C0?U為葉尖速度,C0為流體從渦輪進口滯止等熵膨脹到出口靜壓的理想膨脹速度?？倻匦师莟=(1-Tt2/Tt1)/(1-(pt2/pt1)(γ-1)/γ),γ表示平均比熱容比,Tt1、Tt2表示動葉進出口總溫,pt1、pt2表示進出口總壓。圖3給出了總溫效率分布曲線。從圖中可以看出,三種渦輪的最佳速比并不一致,在各自最佳速比下,渦輪效率最高。對于開大渦輪而言,最佳速比為0.53左右,最高效率為86.69%;關(guān)小渦輪最高效率為92.02%,對應(yīng)最佳速比為0.79左右;設(shè)計渦輪的最佳速比是0.69,對應(yīng)效率為92.97%。在ˉu<0.53uˉ<0.53時,開大渦輪效率均高于設(shè)計渦輪和關(guān)小渦輪,當ˉu>0.79uˉ>0.79時關(guān)小渦輪的效率最佳?？梢?在渦輪焓降不變的情況下,速比減小時應(yīng)該開大渦輪,速比增大時應(yīng)該關(guān)小渦輪,從而達到最佳運行效率。圖4給出了速比與相對質(zhì)量流量的關(guān)系曲線。隨著喉部尺寸增大,質(zhì)量流量近似成比例增長。當速比小于最佳速比時,質(zhì)量流量幾乎不隨速比的增加而變化;當速比大于最佳速比時,質(zhì)量流量快速下降。這是由于當速比大于最佳速比時,渦輪級做功減弱,效率急速下降造成的。定義功率系數(shù)αp=p/(ρN3D5),其中p為輸出功率,N為轉(zhuǎn)速,D為特征長度,取葉輪直徑。從圖5給定的速比與功率系數(shù)分布曲線可以看出,在小速比情況下,功率系數(shù)較高,隨速比的增加,功率系數(shù)快速下降。當速比大于最佳速比時,功率系數(shù)下降緩慢。3.2變幾何結(jié)構(gòu)損失分析3.2.1不同速比下的傳動損失采用導葉內(nèi)部實際流動的動能損失與其理想動能之比定義渦輪導葉總動能損失,ˉe=1-(p*1-p1)/(p*0-p1)*100%?p*0、p*1、p1分別表示導葉入口總壓,出口總壓以及出口靜壓。從圖6可以看出,三種渦輪的動能損失均呈拋物線分布。隨速比的增加,動能損失先增大,在大約ˉu=0.7時達到最大值,隨后損失減少。關(guān)小渦輪的導葉損失遠大于開大渦輪和設(shè)計渦輪的導葉損失。這是由于關(guān)小渦輪的流道收斂度增加,增大了流道內(nèi)的摩擦損失造成的。從圖7導葉出口馬赫數(shù)分布圖上看,關(guān)小渦輪出口馬赫數(shù)遠遠高于設(shè)計渦輪和開大渦輪。這是由于安裝角減小,導致了透平流道收斂度急劇增加,流體在關(guān)小渦輪內(nèi)部過度膨脹,損失增大造成的。圖8給出了導葉出口靜壓系數(shù)分布曲線。定義靜壓系數(shù)cp=p/p*0,p為導葉出口靜壓,p*0為導葉入口總壓。隨著速比的增大,導葉出口靜壓升高,渦輪反動度增大。在相同速比下,開大渦輪的反動度要高于設(shè)計渦輪和關(guān)小渦輪的。3.2.2沖角損失評估變幾何渦輪不僅改變了導葉的安裝角,從而改變流道的收斂度,還直接影響了葉輪入口的沖角,從而影響了葉型表面的壓力分布以及附面層發(fā)展。圖9給出了葉輪沖角分布。關(guān)小渦輪的沖角均大于開大渦輪和設(shè)計渦輪的沖角,這是由于喉部面積減小,使導葉出氣角減小造成的。采用NACA的沖角損失計算公式進行葉輪入口處的沖角損失評估,用沖角損失系數(shù)αL表示。αL=Lin/Hst,其中Lin為NASA模型定義的攻角損失,Hst為渦輪級的等熵焓降。Lin=W2/2(1-cosni),W是氣流進入葉輪的相對速度;i為動葉入口氣流角與最佳氣流角的差值;n為NASA推薦的經(jīng)驗指數(shù),正沖角時n=2.5,負沖角時n=1.75。圖10是沖角損失系數(shù)隨速比的變化曲線。從圖中可以看出,沖角損失與速比的分布曲線為拋物線型。開大渦輪的最小沖角損失對應(yīng)速比約為0.5,設(shè)計渦輪最小沖角損失對應(yīng)速比約為0.6,關(guān)小渦輪最小沖角損失對應(yīng)速比約為0.7。結(jié)合圖9可得,沖角損失最小時,開大渦輪、設(shè)計渦輪和關(guān)小渦輪對應(yīng)的沖角分別為-8.83°,-5.02°,-14.79°,均滿足文獻中的最佳沖角范圍。在小速比下,關(guān)小渦輪的沖角損失最大,開大渦輪的沖角損失最小。在大速比下,開大渦輪的沖角損失大于關(guān)小渦輪的沖角損失。因此,在小速比下宜采用開大渦輪,在大速比下宜采用關(guān)小渦輪。4可調(diào)導葉的影響本文采用數(shù)值模擬方法,在69%～130%的導葉葉柵設(shè)計通流面積范圍內(nèi),研究了非設(shè)計狀況下可調(diào)變幾何向心渦輪的通流特性。其結(jié)果如下:1)改變導向葉柵的安裝角,控制葉柵喉部尺寸的大小,不僅改變了流道的收斂度,同時也改變了葉柵入口的進氣角度?？烧{(diào)導葉對渦輪性能的影響是葉柵收斂度、氣流沖角與出氣角的綜合影響。2)由于流道收斂度增加,流體在渦輪內(nèi)部過度膨脹,造成關(guān)小渦輪的導葉損失遠大于開大渦輪和設(shè)計渦輪。相反,流道的收斂度不足,流體在流道內(nèi)部不能充分膨脹,造成開大渦輪的做功能力減弱。隨著速比的增大,渦輪反動度增大,相同速比下,開大渦輪的反動度要高于設(shè)計渦輪和關(guān)小渦