低展弦比微型轴流涡轮弯叶片设计

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1、低展弦比微型轴流涡轮弯叶片设计摘要：针对微型轴流涡轮机面临的低展弦比、低雷诺数导致效率降低的问题，以某型200kW微型燃气轴流涡轮发电机高压涡轮为研究对象，釆用数值模拟方法开展了低展弦比下微型弯曲轴流涡轮叶片设计技术研究。对展弦比为0.88的涡轮静叶•分析对比了正弯和J型弯静叶对微型涡轮流场的影响，结果显示：正弯静叶顶部出口气流角较大，造成下游动叶叶尖泄漏损失增大，整体效率下降；而J型弯方案抑制了下游动叶叶背中径的流动分离•整体性能较原型有所提升。然后，研究了J型静叶弯高和弯角对涡轮性能的影响规律,结果表明：采用大弯高小弯

2、角设计的J型静叶提高了静叶根部通流能力，同时合理分配了静叶通道内的负荷以及出口气流方向，对涡轮级流场的改善效果更佳。J型静叶弯高为1、弯角为+5。时，级效率达到0.852,流量为1.205kg/-s,较原型分别提高了0.77%和0.96%o关键词：微型轴流涡轮；叶片；展弦比；正弯；J型弯中图分类号：V231.3文献标志码：A文章编号:1005-261501-0160-07微型涡轮机具有尺寸小、质量轻、功率密度高的优点,在微型涡轮喷气发动机、飞机辅助动力系统、空气涡轮起动机、微型燃气涡轮发电机等设备中都普遍被釆用为动力产生装

3、置。微型涡轮有向心涡轮和轴流涡轮两种形式，其中微型轴流涡轮相对来说具有质量轻、通流能力大、易于设计为多级的优点。Honeywell研制的Model131-9辅助动力装置，核心机主要采用单级离心压气机和双级轴流涡轮结构；德国卡尔斯鲁厄大学叶轮机械研究院对一采用单级微型轴流涡轮的微型涡轮发动机进行了性能测试；南京航空航天大学在2004年完成研制的国内首台微型涡轮发动机中也采用了单级轴流涡轮。日本MITI旗下的NED研制的CGT302微燃机,其燃气发电涡轮和动力涡轮均采用陶瓷轴流涡轮。目前，压气机朝高压比方向发展，需要消耗较多的

4、轴功率。在APU和微型燃气涡轮发电机中，涡轮除了要输出较多功率带动压气机转动外，还要输…额外功率带动外部负载，因此涡轮的级负荷水平较高。目前涡轮设计中，在叶片转动线速度一定的情况下，涡轮转子进出口切向速度差已基本用到极限，难以显著提升。因此，为了提高涡轮轮缘功，需增大涡轮轮缘线速度。然而，转速受压气机限制，只能增大涡轮半径；再由于流量需与压气机匹配，所以增火涡轮叶尖半径后只能减小叶高来保持一定的涡轮流通面积，因此低叶片展弦比是这类涡轮共同面临的问题。对于空气涡轮起动机，调压装置是其核心，由于调压装置结构复杂、体积较大,在径

5、向方向所占空间较大，导致涡轮叶根直径增大、叶高降低、展弦比也随之降低。这3类系统中的微型涡轮展弦比较小，由此带来通道中雷诺数减小，气体粘性作用增强，二次流损失和泄露损失增大，叶轮效率降低。随着叶轮整体精密铸造技术等加工能力的进步，利用弯叶片改善轴流涡轮端壁流动，提高整级效率成为了可能。目前，弯叶片的研究大都集中在常规尺度叶轮上，美国德州农工大学涡轮研究中心将弯叶片应用于三级高压涡轮中，有效抑制了二次流损失、提高了级效率。袁宁的研究发现：涡轮静叶正弯，町在叶背处形成C型压力分布，促使端壁附面层向中径迁移，从而降低端壁损失。沈

6、阳606所采用弯扭技术对涡轮进行改型，级效率提高了2%0但国内外目前还未看到报道对弯叶片应用在微型叶轮，尤其是微型轴流叶轮上的研究。本文以南京航空航天大学微型发动机研究所200kW微型燃气涡轮发电机双级轴流涡轮为研究对象，开展微型低展弦比轴流涡轮的弯叶片设计技术研究。1涡轮流场数值模拟1.1数值模拟校验本研究采用商用CFD软件numeca开展,涡轮级计网格通过Autogrid4模块生成，静叶和动叶均选取单个叶轮通道进行网格划分，静叶釆用H0型网格，动叶采用01型网格，叶尖间隙区域采用蝶彤网格，壁面处网格雷诺数控制在y+<1

7、0,静叶进口延伸段取一倍弦长，动叶出口延伸段约为两倍叶片轴向弦长，三维网格造型如图1所示。取单个叶轮通道进行数值模拟，通过fine/turbo模块求解柱坐标系下的三维N-S方程，湍流模型采用S-A模型，流动介质为真实空气,空间离散采用jame-son二阶中心差分格式，时问离散采用四阶Runge-Kutta法推进，结合三重网格、当地时间步长和隐式残差光顺等手段加速收敛。为确保计算的准确性，对该软件进行了计算校验。以NASALewis研究中心直径为12.76cm,设计点落压比为2.77的微型轴流涡轮作为校验对象。根据文献中实验

8、环境设定计算条件：进口总温323K,总压143kPa,轴向进气，涡轮转述33320r/min,出口给定背压，固壁给定绝热无滑移边界条件，轮毂和叶片给定固壁绝热转速条件，当计算残差小于10-5,进出口流量差值小于0.001%,即认为计算收敛。为验证网格密度对汁算精度的影响，采用了3套计算网格，网格节点分别