低展弦比微型軸流渦輪彎葉片設(shè)計(jì)

低展弦比微型軸流渦輪彎葉片設(shè)計(jì)

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1、低展弦比微型軸流渦輪彎葉片設(shè)計(jì)摘要:針對(duì)微型軸流渦輪機(jī)面臨的低展弦比、低雷諾數(shù)導(dǎo)致效率降低的問(wèn)題,以某型200kW微型燃?xì)廨S流渦輪發(fā)電機(jī)高壓渦輪為研究對(duì)象,釆用數(shù)值模擬方法開(kāi)展了低展弦比下微型彎曲軸流渦輪葉片設(shè)計(jì)技術(shù)研究。對(duì)展弦比為0.88的渦輪靜葉?分析對(duì)比了正彎和J型彎靜葉對(duì)微型渦輪流場(chǎng)的影響,結(jié)果顯示:正彎靜葉頂部出口氣流角較大,造成下游動(dòng)葉葉尖泄漏損失增大,整體效率下降;而J型彎方案抑制了下游動(dòng)葉葉背中徑的流動(dòng)分離?整體性能較原型有所提升。然后,研究了J型靜葉彎高和彎角對(duì)渦輪性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明:采用大彎高小彎

2、角設(shè)計(jì)的J型靜葉提高了靜葉根部通流能力,同時(shí)合理分配了靜葉通道內(nèi)的負(fù)荷以及出口氣流方向,對(duì)渦輪級(jí)流場(chǎng)的改善效果更佳。J型靜葉彎高為1、彎角為+5。時(shí),級(jí)效率達(dá)到0.852,流量為1.205kg/-s,較原型分別提高了0.77%和0.96%o關(guān)鍵詞:微型軸流渦輪;葉片;展弦比;正彎;J型彎中圖分類號(hào):V231.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1005-261501-0160-07微型渦輪機(jī)具有尺寸小、質(zhì)量輕、功率密度高的優(yōu)點(diǎn),在微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)、空氣渦輪起動(dòng)機(jī)、微型燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)等設(shè)備中都普遍被釆用為動(dòng)力產(chǎn)生裝

3、置。微型渦輪有向心渦輪和軸流渦輪兩種形式,其中微型軸流渦輪相對(duì)來(lái)說(shuō)具有質(zhì)量輕、通流能力大、易于設(shè)計(jì)為多級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。Honeywell研制的Model131-9輔助動(dòng)力裝置,核心機(jī)主要采用單級(jí)離心壓氣機(jī)和雙級(jí)軸流渦輪結(jié)構(gòu);德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)葉輪機(jī)械研究院對(duì)一采用單級(jí)微型軸流渦輪的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試;南京航空航天大學(xué)在2004年完成研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中也采用了單級(jí)軸流渦輪。日本MITI旗下的NED研制的CGT302微燃機(jī),其燃?xì)獍l(fā)電渦輪和動(dòng)力渦輪均采用陶瓷軸流渦輪。目前,壓氣機(jī)朝高壓比方向發(fā)展,需要消耗較多的

4、軸功率。在APU和微型燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)中,渦輪除了要輸出較多功率帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)外,還要輸…額外功率帶動(dòng)外部負(fù)載,因此渦輪的級(jí)負(fù)荷水平較高。目前渦輪設(shè)計(jì)中,在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)線速度一定的情況下,渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)出口切向速度差已基本用到極限,難以顯著提升。因此,為了提高渦輪輪緣功,需增大渦輪輪緣線速度。然而,轉(zhuǎn)速受壓氣機(jī)限制,只能增大渦輪半徑;再由于流量需與壓氣機(jī)匹配,所以增火渦輪葉尖半徑后只能減小葉高來(lái)保持一定的渦輪流通面積,因此低葉片展弦比是這類渦輪共同面臨的問(wèn)題。對(duì)于空氣渦輪起動(dòng)機(jī),調(diào)壓裝置是其核心,由于調(diào)壓裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大,在徑

5、向方向所占空間較大,導(dǎo)致渦輪葉根直徑增大、葉高降低、展弦比也隨之降低。這3類系統(tǒng)中的微型渦輪展弦比較小,由此帶來(lái)通道中雷諾數(shù)減小,氣體粘性作用增強(qiáng),二次流損失和泄露損失增大,葉輪效率降低。隨著葉輪整體精密鑄造技術(shù)等加工能力的進(jìn)步,利用彎葉片改善軸流渦輪端壁流動(dòng),提高整級(jí)效率成為了可能。目前,彎葉片的研究大都集中在常規(guī)尺度葉輪上,美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)渦輪研究中心將彎葉片應(yīng)用于三級(jí)高壓渦輪中,有效抑制了二次流損失、提高了級(jí)效率。袁寧的研究發(fā)現(xiàn):渦輪靜葉正彎,町在葉背處形成C型壓力分布,促使端壁附面層向中徑遷移,從而降低端壁損失。沈

6、陽(yáng)606所采用彎扭技術(shù)對(duì)渦輪進(jìn)行改型,級(jí)效率提高了2%0但國(guó)內(nèi)外目前還未看到報(bào)道對(duì)彎葉片應(yīng)用在微型葉輪,尤其是微型軸流葉輪上的研究。本文以南京航空航天大學(xué)微型發(fā)動(dòng)機(jī)研究所200kW微型燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)雙級(jí)軸流渦輪為研究對(duì)象,開(kāi)展微型低展弦比軸流渦輪的彎葉片設(shè)計(jì)技術(shù)研究。1渦輪流場(chǎng)數(shù)值模擬1.1數(shù)值模擬校驗(yàn)本研究采用商用CFD軟件numeca開(kāi)展,渦輪級(jí)計(jì)網(wǎng)格通過(guò)Autogrid4模塊生成,靜葉和動(dòng)葉均選取單個(gè)葉輪通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,靜葉釆用H0型網(wǎng)格,動(dòng)葉采用01型網(wǎng)格,葉尖間隙區(qū)域采用蝶彤網(wǎng)格,壁面處網(wǎng)格雷諾數(shù)控制在y+<1

7、0,靜葉進(jìn)口延伸段取一倍弦長(zhǎng),動(dòng)葉出口延伸段約為兩倍葉片軸向弦長(zhǎng),三維網(wǎng)格造型如圖1所示。取單個(gè)葉輪通道進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)fine/turbo模塊求解柱坐標(biāo)系下的三維N-S方程,湍流模型采用S-A模型,流動(dòng)介質(zhì)為真實(shí)空氣,空間離散采用jame-son二階中心差分格式,時(shí)問(wèn)離散采用四階Runge-Kutta法推進(jìn),結(jié)合三重網(wǎng)格、當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)和隱式殘差光順等手段加速收斂。為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性,對(duì)該軟件進(jìn)行了計(jì)算校驗(yàn)。以NASALewis研究中心直徑為12.76cm,設(shè)計(jì)點(diǎn)落壓比為2.77的微型軸流渦輪作為校驗(yàn)對(duì)象。根據(jù)文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)

8、環(huán)境設(shè)定計(jì)算條件:進(jìn)口總溫323K,總壓143kPa,軸向進(jìn)氣,渦輪轉(zhuǎn)述33320r/min,出口給定背壓,固壁給定絕熱無(wú)滑移邊界條件,輪轂和葉片給定固壁絕熱轉(zhuǎn)速條件,當(dāng)計(jì)算殘差小于10-5,進(jìn)出口流量差值小于0.001%,即認(rèn)為計(jì)算收斂。為驗(yàn)證網(wǎng)格密度對(duì)汁算精度的影響,采用了3套計(jì)算網(wǎng)格,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分別

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