王楠 宋建桐 呂江毅

摘 要：車用燃氣輪機的渦輪設計目前在國內(nèi)比較少，為了系統(tǒng)詳實地開發(fā)可靠產(chǎn)品，依據(jù)流體力學及葉輪機械原理，通過數(shù)值模擬的方式，使用Concepts NREC軟件仿真計算進行車用渦輪設計，在降低了開發(fā)成本和時間的同時，提高了設備的穩(wěn)定可靠性，對我國的車用燃氣輪機的渦輪設計有重要指導意義。

關鍵詞：燃氣輪機;軸流渦輪;數(shù)值模擬;葉輪設計

中圖分類號：U464.32? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-83-04

Axial Turbine Design of Vehicle

Wang Nan， Song Jiantong， Lv Jiangyi

（ BeiJing PolyTechnic， College of Automobile Engineering， Beijing 100000 ）

Abstract： In order to develop reliable products systematically and accurately， the turbine design of automotive gas turbines is relatively rare in China. Based on the principles of hydrodynamics and turbomachinery， the Concepts NREC software is used to simulate and calculate the turbine design of automotive gas turbines by means of numerical simulation， which reduces the cost and time of development and improves the equipment at the same time. The stability and reliability are of great significance to the turbine design of automotive gas turbines in China.

Keywords： Gas turbine; Axial flow turbine; Numerical simulation; Rotor design

CLC NO.： U464.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-83-04

1 軸流渦輪設計方法

設計渦輪第一步要根據(jù)需求確定燃氣輪機循環(huán)過程使用的渦輪類型。因此，需要使用燃氣輪機總體性能計算程序確定渦輪的膨脹比、做功量、轉速、渦輪入口工況，要保證設計的渦輪能夠和其他部件匹配，至少要保證渦輪能夠為驅(qū)動壓氣機提供足夠的動力。

由于壓氣機性能和穩(wěn)定性隨轉速的變化比渦輪更加敏感，通常情況下渦輪的轉速是由壓氣機設計決定的。

當渦輪總體性能參數(shù)和設計要求確定后，第二步是使用平均流線方法進行初步設計，其主要是對渦輪進行設計點的熱力計算。在進行熱力計算時，先初步選取級載荷參數(shù)、流量系數(shù)和反動度，然后可使用Smith圖確定級效率。當選定這些參數(shù)后，就可以根據(jù)基本的氣動熱力學公式計算葉片平均速度，進出口速度三角形，每排葉片進出口熱力學參數(shù)。完成初步設計后，進入通流設計階段。在平均流線設計階段，只考慮了軸向流動情況或者說子午流動的情況，采用一維計算。在通流設計階段則考慮了徑向上的速度變化，也即采用二維計算方法求解輪緣-輪轂方向上的流動參數(shù)分布。為了保證獲得較好的計算結果，兩個方向上的網(wǎng)格線應滿足正交條件。在進行通流設計時，流動被假設為軸對稱流動，即不考慮葉片-葉片方向上流動參數(shù)的變化。

第三步是葉型設計，其過程是一個迭代的過程。例如：在最初設計時如果選擇的反動度過大，那么動葉承受的載荷過大，這樣導致的葉片數(shù)目就要增加，在這種情況下，要重新選擇反動度進行平均流線的熱力計算。當流量系數(shù)選擇得過小時，葉片就會過高，從而會引起葉片根部應力增大，這就要求對平均流線處的速度三角形進行調(diào)整，使子午速度增加，從而使葉片高度減小。[1-2]

最后在確定氣動設計和結構設計方案后，開始投入生產(chǎn)。在形成產(chǎn)品后，還要根據(jù)產(chǎn)品的使用情況進行分析，如有必要則要對其進行改進設計。

圖1給出了渦輪氣動設計過程?？砂言O計過程分為三個過程：初步設計、通流設計和葉型設計。本章下面幾小節(jié)將結合課題具體說明一下這三個設計階段。

以高壓軸流渦輪設計為例來具體說明設計過程，軸流渦輪設計主要是在給定工況點來進行設計的，其中給定的主要的軸流渦輪設計要求參數(shù)見表1。

結構參考數(shù)據(jù)見表2、表3和表4。

1.1 初步設計

使用商用軟件Concepts NREC的Axial模塊來輔助完成上述計算工作，其初步設計需要的基本幾何和性能參數(shù)見表5和表6。（其中很多參數(shù)的準確值，主要是幾何參數(shù)要在后面的計算中確定）

在軟件中輸入的很多參數(shù)是期望值和經(jīng)驗值，不一定合適，但在隨后的設計計算中會逐步調(diào)整。下面將介紹一下軸流渦輪初步設計時主要注意的一些重要參數(shù)的選擇原則：

（1）渦輪工作情況，有沒有阻塞，如果阻塞在哪里發(fā)生，一般喉部阻塞幾率較高，可以通過調(diào)整葉片數(shù)和調(diào)整葉片角等來改進;

（2）速度三角形是否合理，合理的速度三角形是渦輪高性能工作的前提;

（3）流量是否為設計流量，如果不符合將繼續(xù)進行調(diào)整，可以調(diào)整的量有：葉高、渦輪半徑、進/出口葉片角、壓比等;

（4）攻角是否在合理數(shù)值范圍內(nèi)，經(jīng)驗參考數(shù)據(jù)是在±4°，可以通過調(diào)整進/出口葉片角等來實現(xiàn);

（5）效率是否達到設計要求，渦輪效率范圍大約在85% —91%;

（6）反力度數(shù)值是否合適，過大過小都將影響渦輪工作性能;

（7）功率是否達到設計要求，如果不符可以通過改進流量、葉高、渦輪半徑、進/出口葉片角、壓比等來達到要求;

（8）Zweifel系數(shù)是否合適，在初步設計時其理想的建議數(shù)值范圍應在0.8-1.0。

根據(jù)已上原則，參數(shù)調(diào)整需要反復，數(shù)據(jù)調(diào)整的好壞直接影響后面的分析結果。通過Concepts NREC軟件的Axial模塊計算得到的設計速度三角形輸出見圖2。

1.2 通流設計

在進行通流計算設計時，可獲得速度沿葉高方向上的分布，包括速度的大小和方向。對于大展弦比葉片，沿葉高方向上速度存在較大變化。對于現(xiàn)階段的渦輪葉片，為了減小二次流損失，葉片形狀通常是復雜的三維結構，平均流線分析結果往往不能反映出遠離中間葉高處流動參數(shù)出現(xiàn)的變化。

在徑向方向上，通常使用徑向平衡方程來控制流動參數(shù)沿徑向上的變化。早期的渦輪設計都使用等環(huán)量假設，在這種情況下，切向速度分量Cθ隨半徑的變化關系可以表示為：

（1）

在使用上式計算出Cθ后，再知道不同葉高處葉片旋轉速度U，以及子午速度Cm，即可確定任意葉高處的速度三角形。[3-4]

對于本課題的高壓軸流渦輪在軟件Concepts NREC的AxCent模塊中計算輸出的子午速度分布和絕對速度分布見圖3和圖4。

1.3 葉型設計

在完成通流設計后，得到沿葉高方向上一些平面上的二維葉片形狀。通常最少已知三個剖面，這三個剖面使葉根剖面、中間葉高剖面、葉尖剖面。

對于最簡單的葉片幾何形狀，有這三個剖面就可以實現(xiàn)葉片的積疊。對于比較復雜的三維葉片形狀，則需要更多的葉片剖面來描述。最初的渦輪葉型采用一些圓弧線和直線組成的，葉型設計的依據(jù)是一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)和實際使用中得到的設計原則。

當葉型剖面確定后，就可以開始葉片—葉片方向上的流動分析。經(jīng)過葉片—葉片方向上的流動分析，得到葉片吸力面和壓力面上的馬赫數(shù)分布，這樣設計人員可根據(jù)計算結果評價設計是否合理，尤其葉片表明擴散因子是否在經(jīng)驗允許的范圍內(nèi)。如果不合理，就需要回到通流設計階段，對某些葉型剖面進行修改。在某些情況下，甚至需要考慮平均流線設計計算中得到的一些參數(shù)是否有必要進行修改。

下一步是對不同葉高處的葉型剖面進行積疊，從而完成葉片的三維造型?？梢圆捎貌煌姆e疊方法實現(xiàn)葉片的三維造型，通常以每個剖面的質(zhì)心進行積疊，這樣可以保證質(zhì)心連線沿著半徑方向，因此當葉片旋轉時所產(chǎn)生的離心力不會對葉片產(chǎn)生彎曲應力。有些情況下，會使葉片發(fā)生傾斜，即葉片沿葉高方向并不是沿徑向延伸，而是和徑向方向有夾角，這樣會使葉片對氣流產(chǎn)生沿徑向方向上的力，從而限制葉片表面附面層沿徑向方向上的遷移。在設計渦輪葉片時，如果能夠保證傾斜葉片所承受的應力在葉片所能承受的范圍之內(nèi)，即可采用傾斜葉片。[5-6]

當葉片的三維造型完成后，就可以采用CFD方法對葉片內(nèi)部流場進行分析。如果CFD計算結果不能滿足要求，那么就要根據(jù)計算結果對葉片形狀進行修改。如果依靠修改葉片形狀不能獲得滿意的結果，則就要返回到通流設計階段，甚至要回到平均流線設計階段進行重新計算。

通過使用Concepts NREC的AxCent模塊按照上述方法和原則反復設計調(diào)整，最后得到設計結果輸出。以高壓渦輪為例，其確定的基本幾何和基本性能參數(shù)如下：

高壓渦輪幾何參數(shù)見表7、表8：

所設計的高壓渦輪靜葉的三維模型見圖5（葉片數(shù)目為29），所設計的高壓渦輪動葉的三維模型見圖6（葉片數(shù)目為53）。

最終高壓渦輪的仿真性能參數(shù)見表9。

2 結論

從性能參數(shù)看出，高壓渦輪的各項參數(shù)已經(jīng)基本滿足設計要求，而且葉型合理規(guī)整，其87%的效率也比較理想，另外相關數(shù)據(jù)也都調(diào)整到合理的范圍內(nèi)后，就可以把模型導入Concepts NREC中的AxCent模塊進行進一步的優(yōu)化，即三維設計和分析。在這個模塊中的主要工作是從二維和三維的角度來優(yōu)化葉型。[7]主要參考的是軸流渦輪的相對馬赫數(shù)分布圖和載荷圖，令其輸出更為合理，工作情況更好。最終得到高壓渦輪的三維實體，下面兩個圖7（a）和（b）是所設計的高壓渦輪的三維立體圖：

參考文獻

[1] 彭澤琰，劉剛.航空燃氣輪機原理[M].國防工業(yè)出版社.2000.9.

[2] 萬欣.燃氣葉輪機械[M].北京：機械工業(yè)出版社.1987.8.

[3] Moustapha H.Zelesky M F.Baines N C. Axial and Radial Turbines [M]. USA，Concepts NREC， 2003.

[4] Hany Moustapha Mark F.Zelesky Nicholas C. Gaines David Japikse. Axial and Radial Turbines [M].USA Concepts NREC Coprporate Headquarters 217 Billings Farm Road White River Junction， Vermont 05001-9486.

[5] 鄒滋祥.軸流透平級的幾何參數(shù)的最佳選擇—帶有各種約束條件的最佳設計[J].機械工程學報.1982.21（3）：18-28.

[6] 沈維道，鄭佩芝，蔣淡安合編.工程熱力學.第二版.北京：高等教育出版社，1983.

[7] H.Cohen，Gas Turbine Theory， London，1972.