宋 楊，彭杰偉

（1. 中國船舶重工集團有限公司 科技與信息化部，北京 100097；2. 上海船用柴油機研究所，上海 200090）

0 引 言

船用中速柴油機所排廢氣的溫度在300～500℃，屬于中高溫余熱，主要用來加熱船用重油和生活用水。據(jù)統(tǒng)計，船舶柴油機中的熱能約有50%是通過廢氣的形式排出的。薛佳[1]通過對比不同透平回收能量的方案，獲得3%～12%不等的回收率，指出在礦砂船上使用廢氣回收節(jié)能裝置是可行的。因此，有效回收利用內燃機排氣余熱，對于提高熱能利用效率、減少廢氣排放帶來的環(huán)境污染而言具有重要意義。本文提出利用該部分余熱直接驅動動力渦輪對外發(fā)電，不僅能提高能源利用率，改善船舶的廢氣排放性能，而且能簡化輔助系統(tǒng)，節(jié)省空間。

目前有關船用柴油機余熱發(fā)電透平的研究較少，部分研究以車載尾氣余熱發(fā)電和有機朗肯循環(huán)為背景。例如：郝旭濤[2]對適用于車載尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的向心透平進行內部流場模擬，并在不同工況下分析向心透平的性能，獲得最佳的入口壓力和轉速范圍；DONG等[3]對以R123為介質的有機朗肯循環(huán)透平進行數(shù)值模擬研究，對出口葉片的角度、葉高和粗糙度等進行詳細分析，并建立考慮表面粗糙度的修正模型，以此獲得較好的流動模擬結果；PAN等[4]依靠DPM模型探討煙氣渦輪入口雷諾數(shù)對顆粒沉積的影響；邱志明[5]和薄澤民[6]對用于有機朗肯循環(huán)發(fā)電的向心透平進行試驗和模擬研究，并基于模擬結果對透平葉輪進行優(yōu)化，為向心透平的優(yōu)化研究提供參考。

柴油機渦輪增壓器的應用與本文所述余熱發(fā)電透平類似，已有的大量柴油機渦輪增壓器研究為余熱發(fā)電透平研究提供了重要的理論支撐。劉揚[7]基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）對柴油機渦輪增壓器進行內部流場模擬分析，成功獲得與試驗和理論相符的壓氣機特性曲線及其脈動壓力；張新[8]依靠CFD對渦輪增壓器內部流動進行驗證性研究，表明渦輪的設計合理，數(shù)值計算可行；李建建[9]結合葉輪旋轉帶來的離心力，對渦輪葉輪進行耦合計算，并根據(jù)流場分析結果對蝸殼結構進行優(yōu)化；陳瑛[10]通過NUMECA數(shù)值計算平臺探究渦輪級內部流動損失情況，為改善渦輪級內部流動情況提供流場參考。

此外，文獻[11]～文獻[17]對透平內部結構進行深入研究，可為本文的渦輪設計和流場分析提供參考。例如：許晶瑩等[15]為研究高壓渦輪變幾何對渦輪整體性能的影響，對渦輪的高壓和低壓級流動進行全三維數(shù)值模擬研究，結果表明，高壓導葉發(fā)生變化會導致流場結構及其損失發(fā)生改變；邵龍[16]利用Fluent軟件對向心透平內部流動的單流道進行數(shù)值模擬，研究導葉安裝角和數(shù)量等對流動特性的影響，并基于此將葉輪效率提高1.05%；陳雷等[17]采用數(shù)值計算方法研究渦輪葉片前緣形狀對其氣動性能的影響，發(fā)現(xiàn)非圓弧形前緣形狀可改善渦輪的流動特性，提高其工作效率，但對于非設計工況而言，氣流攻角大幅改變會給渦輪的氣動性能帶來負面影響。

綜上所述，為回收柴油機的排氣余熱，提高熱能利用效率，本文基于渦輪增壓器研究成果[18-21]，在考慮柴油機、渦輪和增壓器之間的匹配關系的基礎上，針對 140kW、30000r/min的動力渦輪，采用數(shù)值模擬方法對船用柴油機余熱發(fā)電透平進行流場分析，為余熱發(fā)電透平的設計優(yōu)化和應用提供參考。

1 渦輪模型

本文設計的渦輪屬于向心式透平，由于實現(xiàn)向心式透平的多級結構難度較大，故目前仍以單級結構為主。該透平的最大優(yōu)點是能利用較大的焓降，圓周速度較高（一般可達400～500m/s），常用于質量輕、尺寸小的場合[22]。因此，本文在質量、尺寸和效率等要求較高的船舶上采用向心式透平形式。

影響向心透平效率的參數(shù)主要有導葉速度系數(shù)、動葉速度系數(shù)、反動度、速比、輪徑比、動葉進口絕對氣流角和動葉出口相對氣流角。在設計過程中，基于對透平整體尺寸和占用空間的考慮，在這7個參數(shù)滿足各自約束條件的基礎上進行優(yōu)選。確定葉輪的氣動和結構參數(shù)之后，對導葉進行選型并確定其大小和安裝位置，最后完成蝸殼的結構設計。表1為渦輪本體的主要參數(shù)。

表1 渦輪本體的主要參數(shù)

1.1 葉輪設計

葉輪造型設計在ANSYS Bladegen模塊中完成?；谝痪S氣動設計[22-25]，采用分層控制中弧線與葉片厚度的控制方法對葉輪形狀進行設計，其中：弧線的形狀主要由葉片角和包絡角分布體現(xiàn)；流面形狀主要由中弧線形狀和厚度分布體現(xiàn)。考慮到葉輪的工作溫度在300～500℃，葉輪材料選用K418鎳基合金，葉輪三維模型見圖1。

1.2 導葉設計

向心透平的導葉主要有楔狀、島狀和氣動型等3種，為獲得更好的氣動性能，本文采用TC-2P氣動型導葉。該導葉的出口斜切部分可使導葉流道中的氣流進一步膨脹，獲得高馬赫數(shù)的亞音速流動，其三維模型見圖2。

1.3 蝸殼設計

本文的蝸殼設計以“將工質均勻地分流到導葉流道中而不發(fā)生明顯的氣流加速”為基礎，氣流進入導葉流道之前的設計馬赫數(shù)小于 0.2。蝸殼截面形狀對流動性能的影響不大，考慮到設計和制造的便利性，采用圓形截面，其三維模型見圖3。

圖1 葉輪三維模型

圖2 導葉三維模型

圖3 蝸殼三維模型

2 流動模擬結果分析

對渦輪結構進行設計和建模之后，對蝸殼、導葉和動葉流道進行數(shù)值模擬。

1) 蝸殼流道網(wǎng)格采用ICEM模塊劃分，得到非結構化網(wǎng)格。經(jīng)過網(wǎng)格無關性驗證，最終確定蝸殼流道網(wǎng)格數(shù)為2460124個。

2) 導葉和動葉流道網(wǎng)格采用TurboGrid模塊劃分，選取ATM-Optimized為網(wǎng)格拓撲優(yōu)化方式。經(jīng)過網(wǎng)格質量檢查和網(wǎng)格無關性驗證，最終確定計算模型中單個流道導葉網(wǎng)格數(shù)為252348個，單個流道動葉網(wǎng)格數(shù)為243256個。

各流體域之間采用interface連接。湍流模型采用精度較高的k-ε雙方程模型，壁面附近區(qū)域的邊界條件設定為絕熱無滑移邊界條件。設置流體工質為理想空氣，給定質量流量、進口總溫和出口靜壓，并取轉速為30000r/min，同時以進口總壓為收斂判斷條件。設計工況主要性能參數(shù)見表2，其中“一維計算結果”為本文所述透平在設計計算階段的計算結果。通過對比發(fā)現(xiàn)，仿真結果與一維計算結果一致，偏差在10%以內。

表2 設計工況主要性能參數(shù)

2.1 蝸殼流動特性分析

蝸殼流道內的流場、溫度場和壓力場分布見圖4。由圖4可知，蝸殼內的溫度和壓力基本上沒有變化，流線光順且分布均勻，隔舌附近產(chǎn)生局部流動混合，但影響范圍很小，整體流動狀態(tài)良好。

圖4 蝸殼流道內的流場、溫度場和壓力場分布

2.2 導葉流動特性分析

導葉流道內的流場、溫度場和壓力場分布見圖5?？傮w上看，導葉流道內的流場、溫度場和壓力場分布均勻，各導葉之間具有極高的相似性，保證了氣流進入動葉時的均勻性和穩(wěn)定性。由 5a)可知，氣流在導葉流道內加速明顯，導葉流道前半段加速平緩，氣流速度的大小在100～200m/s，氣流經(jīng)過喉部在斜切部分進一步膨脹加速，流線發(fā)生偏轉，此時氣流速度急劇增大，并以 535m/s的平均速度由導葉出口進入葉輪進口。相應地，由圖5b)和圖5c)可知，溫度和壓力在流道前段變化平緩，經(jīng)過喉部之后快速降低至約336℃和183kPa。斜切部分有輕微的激波產(chǎn)生，但整體流線分布均勻，未出現(xiàn)明顯的漩渦，對主流的影響很小。同時，氣流速度在斜切部分之后略有降低，表明氣流在導葉與葉輪之間的徑向間隙內發(fā)生了混合。

圖5 導葉流道內的流場、溫度場和壓力場分布

為直觀地反映導葉壁面上壓力的分布情況，對比 10%、50%和90%葉高處的導葉壁面壓力分布情況（見圖6）。由圖6可知：導葉壁面壓力的大小在 138～380kPa，導葉壓力面進口處壓力為380kPa，且沿著流線方向，在0～0.75流向位置范圍內基本上保持不變（僅下降13kPa），隨后在經(jīng)過導葉喉部時急劇下降，并在導葉尾部降至226kPa；不同于壓力面，導葉吸力面的壓力有持續(xù)下降的變化，并在0.87流向位置處降至最小壓力138kPa，隨后在吸力面與壓力面的氣流交混作用下回升至226kPa；不同葉高處的壁面壓力分布曲線幾乎重合，表明在葉高方向的流動分布均勻，蝸殼的流動組織合理。

圖6 10%、50%和90%葉高處的導葉壁面壓力分布

2.3 葉輪流動特性分析

葉輪全周流道內的流場、溫度場和壓力場分布見圖7。由于導葉流道內的氣流充分加速，而葉輪入口處的圓周速度受速比的限制相對較小，導致動葉入口處產(chǎn)生較大的攻角，造成葉輪吸力面出現(xiàn)比較明顯的流動分離，并產(chǎn)生渦旋，動葉尾緣處有小范圍的尾跡區(qū)，沒有漩渦產(chǎn)生。動葉進口處存在駐點高壓區(qū)，氣流經(jīng)過駐點之后，其壓力在壓力面?zhèn)惹岸沃饾u降低，變化均勻，在接近出口時迅速降低；吸力面?zhèn)热肟诟浇嬖诿黠@的低壓區(qū)，壓力在接近尾緣處有所回升，表明流動分流受到抑制。

圖7 葉輪全周流道內的流場、溫度場和壓力場分布

圖8為10%、50%和90%葉高處的動葉壁面壓力分布。由于氣流是經(jīng)由導葉加速并降壓之后到達動葉的，故動葉表面的壓力較小（28～245kPa）。不同于導葉壓力面的壓力急劇變化，動葉壓力面的壓力變化比較均勻且平緩，表明氣流對葉輪穩(wěn)定、持續(xù)地做功；同時，由于流動分離的存在，在動葉吸力面出現(xiàn)28kPa的低壓區(qū)，但其影響較小，因此吸力面的壓力快速回升并保持不變。此外，在輪轂和動葉表面扭轉的作用下，氣流流線發(fā)生偏轉，并導致10%葉高處的吸力面壓力上升至139kPa。

2.4 動葉和靜葉流動特性分析

為分析流體流經(jīng)導葉和葉輪時速度、溫度和壓力的變化規(guī)律，本文提取導葉入口處、葉輪入口處和葉輪出口處的速度、溫度和壓力，相應監(jiān)測點布置示意見圖9，各監(jiān)測點的空間位置由其與過渦輪軸線的平面夾角α確定，因此蝸殼隔舌位置的位置角α≈90°。

圖8 10%、50%和90%葉高處的動葉壁面壓力分布

圖9 渦輪監(jiān)測點布置示意

圖10為圖9中各監(jiān)測點的壓力、溫度和速度分布。由圖10可知：在蝸殼良好的引流作用下，導葉進口處的壓力、溫度和速度均保持一致；葉輪出口處的參數(shù)略有偏差，壓力、溫度和速度的最大偏差分別約為1.2%、18.5%和18.4%；葉輪進口處的偏差最大，這與動葉和靜葉之間的相對運動及位置關系有關；在180°和 208°位置角處，葉輪進口出現(xiàn)較大的壓力（238kPa）、較高的溫度（377℃）和較低的氣流速度（454m/s），這是因為在該角度區(qū)域葉輪內出現(xiàn)了渦流。

此外，從圖10中還可看出流體在流經(jīng)靜葉和動葉過程中壓力、溫度和速度的變化趨勢。由圖10a)可知，氣流壓力在導葉進口處最大，隨后在導葉的膨脹加速作用下，在葉輪入口處大幅下降，之后又在葉輪流道中持續(xù)下降；相似的，溫度也隨著氣流流經(jīng)導葉和葉輪呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。然而，氣流速度在導葉進口處最低，隨后在葉輪進口處升至最高596m/s，并在葉輪流道中逐漸降低至264m/s，這反映了流體在葉輪中的做功過程。

圖10 渦輪內各監(jiān)測點的壓力、溫度和速度分布

3 結 語

本文根據(jù)船用柴油機排氣的流量和熱力狀態(tài)對采用一級徑流式結構的透平設計和流場模擬進行了分析，主要得到以下結論：

1) 基于對透平整體尺寸和占用空間的考慮，在設計時選用的速比（0.474）小于最優(yōu)值，但葉輪徑向尺寸可減小30%。

2) 模擬結果與一維計算結果相一致，最大偏差小于 10%，符合工程應用計算要求，驗證了數(shù)值模擬方法的正確性。

3) 由蝸殼、導葉和葉輪處的流場、溫度場和壓力場分布可知，本文所述蝸殼內流線光順且分布均勻，溫度和壓力基本上保持不變，整體流動狀態(tài)良好。氣流在導葉流道內分布均勻，并快速膨脹加速至535m/s進入葉輪進口，相應的溫度和壓力降至336℃和183kPa。此外，由于動葉入口處產(chǎn)生了較大的攻角，導致葉輪吸力面出現(xiàn)了明顯的流動分離和渦旋。

通過提取比較渦輪靜葉至動葉的流道壓力、溫度和流速發(fā)現(xiàn)，在蝸殼良好的引流作用下，導葉進口處的壓力、溫度和速度均保持一致；但在動葉與靜葉的相對運動影響下，不可避免地在部分動葉流道中出現(xiàn)渦流，導致壓力和溫度增大、流速下降。