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飘应用技术 飘应用孜不 高负荷小流量涡轮气动性能分析 张伸展杜鑫 哈尔滨 工业大 学能源科学与工程学院 摘要 通过对涡轴发动机一列动叶片的原型叶片和高负荷叶片叶型对比以 及对其一维、二维气动参数和三 维流场的分析，验证了高负荷叶片能够实现更高的负荷，并从流动机理方面分析高负荷叶片能量损失的来源，对 削弱高负荷叶片 的二次流损失提出建设性意见。 关键词 涡轮； 动叶；高负荷；二次流；流场分析 0 引言 1 物理模型及数值模拟方法 在现代航空领域， 高负荷涡轮叶片因具有更高的 负荷，大大提高了发动机的推重比，有很大的需求。 国外很多研究人员对高负荷叶型的设计有深入研究。 美 国 N AS A f P W 在 9 0年代开展的超高负荷涡轮叶栅 实验与数值的研究L 1 J 和日本航空宇航技术研究所开展 的超高负荷涡轮叶栅及超高负荷对转涡轮的实验研 究【 2 _ 3 】 均得出 高／ 超高负荷由于流动分离和气动掺混， 会造成较高的叶栅损失。 近 l 0年来，国内外针对高负荷涡轮叶片在叶型 设计、 边界层流动分离和控制 以及气动性能等方面开 展了大量的实验测量、数值模拟和理论分析。杨其国 等人通过实验对高负荷涡轮 叶栅气动性能研究得出 如下结论随着负荷的增大，叶型的吸力面压力分布 相比于传统叶型具有较大的差别， 高负荷叶型的负荷 分布前移 ， 导致叶栅 内横 向压力梯度增大，叶栅内的 端部二次流损失增加，同时由于流动具有较大的逆压 梯度 ，导致流动发生分离 。 综合上述研究， 找到合适的方法削弱高负荷涡轮 叶片的端 区二次流动及流动分离，具有重要意义。因 此 需要深入了解涡轮叶片 内部真实的流动过程。 本文以通过减少叶片数得到的高负荷叶片为研 究对象，分析原型叶片的特点，并通过对比原型叶片 和高负荷叶片的一维、二维气动参数以及三维流场， 验证高负荷叶片的高负荷特性，同时揭示高负荷叶片 端区二次流损失产生的机理。 1 ． 1 物理模型以及边界条件 本文研究的是某涡轴发动机的一列动叶片。 叶片 原型弦长 0 ． 0 1 6 9 m， 相对截距 0 ． 7 1 4 3 ；高负荷叶型弦 长 0 ． 0 2 2 8 1 “1 1 ，相对截距 0 ． 9 6 1 5 。一维边界条件如表 1 所示。 表 1 边界条件 参数 参数值 进 口总 P a 1 0 0 0 0 0 进 口总温 3 0 7 进 口气流角／ o 2 0 ．4 出口静压／ P a 9 0 0 0 0 1 ． 2 数值模拟方 法 本文采用N U ME C A 的I G G进行网格划分和 三维定 常计算 ，生成的网格具有较 高的通用性和质 量，并可通过 C F V i e w后处理模块，对流场计算结果 进行可视化处理， 可方便快捷地获得大量与流场信息 相关的气动参数。 利用 N U ME C A中的 I G G划分网格方法， 生成 的 叶片网格如图 1所示 。其 中，通过调整 I G G 的 B 2 B 网格点分布设置的参数， 可对叶型网格点数和展向网 格点数进行调整，如图 l a 所示，2 9和 4 5 分别为压 力面和吸力面的网格数分配。 2 0 1 5 年 第3 6 卷 第4 期 自动化与信息工程 1 l 4 9 P 【s 2 9 b l a d e 4 l s 呦 n i n 一 1 8 1 咖I e c 一 1 表 2 不同叶高范围设置的网格数方案 4 1 2 9 8 1 二二 4 5 1 6 5 P e r io d i c P t s 4 5 b le d o w n 4 1 e a mie t 1 8 1 s lr e a mo u t l e t 1 a I G G 的 B 2 B网格 点分布 设置 图 C o I G G 生成的网格模型 图 1 I G G划分叶片网格及生成叶片网格 本文计算选用的湍流模型为 S p a l a r t - A l l ma r a s 【 5 】 ， 其具有计算量小、稳定性好，同时计算时初始参数容 易控制的优点。N U ME C A 使用理想流体模型进行定 常计算，使用 S _ A 湍流模型求解三维雷诺平均 N． s 方程 。 2 原型叶片网格无关性 本文研究 的网格无关性从展 向网格数的划分情 况来讨论 。 对叶栅的半叶高叶片进行分析， 将其分为3 部分 1 ％、1 ％ 3 0 ％和 3 0 ／ 5 0 ％。 ％叶高呈现 了附面 层内壁角涡附着线分布情况1 ／ 3 0 ％叶高代表附面 层到二次流 范围的极限流线的分布情况 ；3 0 ／ 5 0 ％ 叶高为二次流到半叶高部分。 不同叶高范围设置的网 格数方案如表 2所示 。 2 ＼ 网格数 O ～ 1 ％ 1 ％～3 O ％ 3 0 ％～5 0 ％ 总网格 ＼ ／ 万 数 ／ 万 方案 1 1 6 3 2 1 2 61 2 1 6 40 1 2 6 9 3 l 6 48 1 2 77 4 2 4 3 2 1 2 69 5 2 4 40 1 2 77 6 24 48 1 2 8 5 7 24 5 6 1 2 9 3 8 24 6 4 l 2 1 Ol 9 32 3 2 l 2 7 7 1 O 32 40 1 2 8 5 1 1 32 48 1 2 9 3 1 2 32 5 6 1 2 1 O1 1 3 32 6 4 1 2 1 0 9 不同网格数对叶片一维参数的影响如图2 所示， 分别为密流、能量损 失系数、压 比、出口气流角随 1 ％ 3 0 ％叶高之间网格数 目变化的规律。 1 ％-- - 3 0 ％叶高处的网格数从 4 8开始的叶片的一 维参数逐渐趋于平缓均匀。因此，初步确定2 4 _ 4 8 ． 1 2 的叶片为最合适的网格 。 3 原型叶片和高负荷叶片对比分析 在原型叶片 的基础上， 通过减少叶片的方式提高 叶片的负荷 。观察原型叶片和高负荷叶片在 A N S YS C F X中的叶型对 比， 如 图 3 所示 ， 可发现高负荷 叶片 经过前加载【 6 J ， 其安装角更大 ， 具有更大的周向距离。 为分析高负荷叶片性能的改进， 本文对比了原型 叶片和高负荷叶片的进 出口的相关气动参数。 W P 2H T 其 中 P 2 为出 口 静 压 ；P 为出 口 总 压； P 为 入口 总压；k 为热力学参数。 3 ． 2 根、中部叶高上的型面压力分布 由于叶片中部的型面压力分布更接近原型叶片， 而端部附近存在马蹄涡的影响，损失往往更大。半叶 高原型叶片和高负荷叶片的根、中部型面压力分布如 图 4 所示。 日 梏 精 剥 恒 亡 时 皂 迫 剥 耀 古 0 0 2 0 4 0 ． 6 0 ． 8 1 0 相对弦长 a 根部型i N , 2分布 b 】 中部型面压力分布 图4 半叶高原型叶片和高负荷叶片的根、中部型面压力分布 4 由图4 可看出高负荷叶片的进口冲角较大，高 负荷改型叶片对应的型面压力曲线围成的面积较大； 说明负荷更高，并且逆压梯度段更长，逆压差更大， 所以附面层更厚，更容易引起流动分离， 这是高负荷 叶片叶型损失的来源。 此外，高负荷叶片的横向压力 梯度更大，导致二次流聚集地更多更迅速， 角区损失 更大。中部主流区的流体流速较大，能够平衡横向压 力梯度；当进入近壁面附面层的低能流体时，流体就 会在较大的横向压力梯度的作用下，向主流区迁移， 形成较强的二次流动。 这是高负荷叶片端区二次流损 失的原因。 综上， 验证 了高负荷叶片比原型叶片有更大的损 失。 3 ． 3 气动参数沿叶高 分布 为了进一步对 比原型叶片和高负荷叶片的气动 性能，沿叶高方向作出二维参数分布。 3 ． 3 ． 1 气流角沿叶高分布 出口气流角的定义为 c t a t a n V y ／ v 2 1 8 0 。 ／ 兀 2 其中， 为出口气流角；v ， ， 和v 分别为不同方向的 分速度。 半叶高原型叶片和半叶高高负荷叶片的出口气 流角展向分布如图 5 所示。 端区分析分析图5 f a 1 ，原型叶片和高负荷叶片 的出 口气流角变化趋势基本一致 ，在 1 0 ％ 2 5 ％叶高 处， 高负荷叶片的出口气流角更小一些；在叶高 1 0 ％ 左右，2种叶片的出口气流角达到最小。 中部放大分析由图 5 b 可知，5 0 ％叶高处，高 负荷叶片的出口气流角约为一 6 0 ． 9 。 ，原型叶片的出口 气流角约为一 6 0 ． 8 o 。高负荷叶片的出口气流角更大， 气流折转能力更强，涡轮做功能力也更强。 3 ． 3 ． 2 轴向速度沿叶高分布 半叶高原型叶片和半叶高高负荷叶片的出口轴 向速度展向分布如 图 6 所示 。 端区分析由图6 a 可知，原型叶片和高负荷叶 ＼， _、 、 I - ／， ●● ●● ＼ 一 啪蝴悯啪蝴咖啪啪 ∞ ∞ ％ 鼹 驼 张伸展 杜鑫 高负荷小流量涡轮气动性能分析 片的出口轴向速度变化趋势基本一致， 在 8 ％ 1 8 ％叶 高处，高负荷叶片的轴向速度更大；在 1 0 ％叶高处， 达到最大的轴向速度；在 4 0 ％“ 5 0 ％叶高处，原型叶 片的轴向速度稍大。 中部放大分析从图6 1 中看出，高负荷叶片的 轴 向速度在叶片中部更小，在 5 0 ％叶高处达到约 7 O ． 3 0 。 出口气谈 ￡ 角， o a 出口 气流角展向分布 叫日 卜一 十 l q锄R 鞋 l门 l 一半叶高离负荷叶片 l l b 中撇 图 5 半叶高原型叶片和高负荷叶片的出口气流角展向分布 a 轴向速度展向分布 b 中邵放大 图 6 半叶高原型叶片和高负荷叶片的出口轴向速度展向 分布 3 ． 3 I 3 能量损失系数沿叶高分布 半叶高原型叶片和半叶高高负荷叶片的能量损 失系数展向分布如图7 所示。 端区分析由图 7 a 可知，在 0 - - 8 ％叶高处，高 负荷叶片的能量损失系数更大；8 ％ 1 3 ％叶高处，原 型叶片的能量损失系数稍大； 1 3 ％, -- 2 3 ％叶高处， 高负 荷叶片的能量损失系数更大； 2 3 ％,- , 5 0 ％的叶高处， 原 型叶片和高负荷叶片的能量损失系数基本一致。 综合 2 0 1 5 年 第3 6 卷 第4 期 自动化与信息工程 5 [ 2 】陆冰． 实用无线传感器网络系统设计及通信协议的设计与 实现[ D 】 ． 北京 北京邮电大学，2 0 1 1 ． [ 3 】王俊义， 魏延恒， 仇洪冰， 等． 0 MN e n网络仿真【 M】 ．西安 西 安电子科技大学出版社2 O l 4 ． [ 4 ]夏锋． O MN e T 网络仿真【 M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 1 3 S i mu l a t i o n o f W S N Co mmu n i c a t i o n Pr o t o c o l Ba s e d o n OM Ne T Ga o Ch e n g z h i F a n Xi a n x u e T h e 2 8 t h R e s e a r c h I n s ti t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n Abs t r a c t By u s i n g t h e OMNe T ．t h i s p a p e r b u i l d s a s i mu l a t i o n mo d e l f o r WS N c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l b a s e d o n Zi g Be e ／ I EEE8 02 ． 1 5． 4 s t a nd a r d ， a n d s i mu l a t e s t he me an E2 E De l a y an d me a n Los s Ra t e in d i ffe r e n t pa r a me t e r s e t t i ng s i n c l u d i ng t h e q u an t i t y o f s l a v e d e v i c e ， t h e v a l u e o f BO a n d S O， s e n d i n g the ACK in GT S mo d e o r n o t ． Ke y W o r d s OMNe T ； WS N； C o mmu n i c a t i o n P r o t o c o l ； Z i g Be e ； I E E E8 0 2 ． 1 5 ． 4 作者简介 高承志，男，1 9 8 0 年生，高级工程师 ，主要研究方 向通信工程和信息系统总体技术。E - m a i l e g a o c h e n g z h i 1 6 3 ． c o m 范贤学 ，男，1 9 8 5 年生，工程师，主要研究方 向通信工程和信息系统总体技术。 上接第 7页 参考文献 【 1 ] L i s aW G， F r a n kW H． Ad v a n c e me n t o f t u r b in e a e r o d y n a mi c d e s i g n t e c h n i q u e s [ C ] ． N e w Y o r k A S ／ V I E I n t e r n a ti o n a l G a s Tu r bineandAe r o e n g i n eCo ng r e s s a ndEx p os i ti o n ,1 9 9 3． 【 2 ] Ya ma mo t oA． S o me c u r r e n t s t u d i e s o nt u r b ine a e r o d y n a mi c s砒 NAL[ C ] ． P r o c e e d i n g s o f Co l l o q u i u m o n T u r b o ma c h in e r y , 1 9 96 ， S e ou l o Ko r e a ． 【 3 ] Ya ma mo t o Us ui H ’ T a n C， e t a 1 ． Re s e a r c h o n u l l r a - h i g h l y l o a d e d t u r b i n e [ e 1 ．T h e 2 n d J a p an E S P R Me e ti n g , J u n e ， 2 0 0 4 ， To k y o ， a p an ． [ 4 ]杨其国， 王祥锋，石玉文， 等． 高负荷涡轮叶栅气动性能试验[ J 】 ． 航空动力学报 2 O 1 1 ,2 6 1 2 2 7 2 2 - 2 7 3 0 ． [ 5 ]潘小强 袁璩． C F D软件在工程流体数值模拟中的应用[ J ] ，南 京工程学院学报 自然科学版2 0 O 4 ， 2 1 6 2 ． 6 6 ． 【 6 ] M E r i c L y a n， P a u l I Ki n g ， J o h nP ． Cl arkandRo l f S o n d e r g a a r d ． En d wa l ll o s s r e d uc tio no fh i g hl i ftl o w p r e s s u r et u r b i n e a i r f o il s u s i n g p r o fi l e c o n t o u r i n g p a r t I A i r f o i l d e s i gn[ J ] ． J o u ma l o f T ur b o ma c h i n e r y- Tr a n s a c t i o n s of Th e ASME， 2 01 4． The Ae r o d y na mi c Pe r f o r ma nc e An a l y s i s o f t h e Hi g h- Lo a de d a n d S ma l l Fl o w R-a t e Tu r b i n e Z han g S h e n z h a n DU Xi n S c h o o l o f E n e r g y S c i e n c e a n d E n g ine e r i n g ， H ar b in Ins t i t u t e o f T e c h n o l o g y Abs t r a c t T h r o u g h c o mp a r i n g the b l a d e p r o fil e o f the o ri g i n a l b l a d e s and h i g h - l o a d e d b l a d e s o f the b l a d e c a s c a d e o n t h e t ur bo s h a ft en g i ne a n d a n a l y z ing t h e o n e - di me ns i o n a l ，t wo d i me ns i o na l a e r o d y na mi c pa r a me t e r s an d t he t h r e e d i me n s i o n a l flo w fie l ds ， we c a l l ve rif y a h i g h e r l oa d a c h i e v e me n t o ft he h i g h- l oad e d b l a de s ． By an a l y z i ng t he s o ur c e ofthe e n e r g y l o s s f r o m the a s p e c t o f t h e f l o w p r i n c i p l e ， w e p r o p o s e a c o n s t r u c t i v e s u g g e s t i o n in d e c r e a s i n g the s e c o n d a r y f l o w l o s s o f h i gh l o a d e d b l a d e s ． Ke y W o r d s T u r b i n e ； R o t o r ； H i gh- L o ade d ； S e c o n d a r y F l o w； F l o w F i e l d A n a l y s i s 作者简介 张伸展，女，1 9 9 1 年生，硕士研究生 ，主要研究方 向涡轮 的气动和传热等。E ma i l z h ang s h e n z h an1 6 3 ． c o rn