水下航行器对转涡轮发动机输出扭矩计算及仿真

王新平， 党建军， 刘成勇

（西北工业大学 航海学院， 陕西 西安， 710072）

水下航行器对转涡轮发动机输出扭矩计算及仿真

王新平， 党建军， 刘成勇

（西北工业大学 航海学院， 陕西 西安， 710072）

对转涡轮发动机因其在效率、质量、陀螺力矩等方面所具有的优势， 为水下航行器增大航速和航程提供了巨大动力。文中提出了一种水下航行器发动机利用对转涡轮进行工作的新方法。通过分析对转涡轮发动机结构特点， 给出了水下航行器发动机在利用对转涡轮情况下一级涡轮和二级涡轮有效输出扭矩的理论推导； 定义了三速制工况模式， 以中间工况设计喷嘴和一级涡轮参数， 以高工况设计二级涡轮参数； 建立了对转涡轮发动机的仿真模型， 进行了3种工况模式的流场仿真。通过对理论计算值和相关仿真结果进行对比发现， 水下航行器使用对转涡轮代替常规涡轮， 可以大幅减小余速损失， 提高涡轮发动机效率， 证实文中提出的方法正确且可行。

水下航行器； 对转涡轮； 发动机； 输出转矩

0 引言

当今， 先进的对转涡轮技术已成为涡轮机发展的关键技术之一［1］。在水下航行器领域， 该技术可为提高系统输出功率提供新的解决途径［2］。传统水下涡轮机一般为单级或多级部分进气冲动式涡轮机［3-4］。单级涡轮机余速损失较大。传统多级涡轮机虽能减少余速损失， 但由于多个动叶栅的转向相同， 使其在陀螺力矩方面存在劣势。在水下涡轮机的研究中， 蒋彬等［5-6］用 CFD方法模拟气体在喷嘴和叶片中的流动过程， 并对单级涡轮的参数设计进行了改进。对转涡轮在航空航天领域的应用显示出其多方面优越性及应用形式的多样化［7］。采用的形式主要有 1+1/2对转涡轮、1+1对转涡轮和 1+1/2+N对转涡轮， 输出方式有单轴、双轴和多轴， 涡轮发动机主要采用反力式涡轮。周杨等［8］从理论上研究了对转涡轮基元速度三角形参数的优化选取方法， 并给出高压涡轮导叶、动叶出口气流角等变化对效率影响的详细变化关系。赵庆军等［9］对某对转涡轮的流场进行了仿真， 揭示了1+1/2（无低压导叶）对转涡轮流场的分布规律。虽然对转涡轮在不同领域所发挥的作用不尽相同， 但在效率、质量、陀螺力矩等方面具有很大优势， 可成为21世纪水下航行器的动力主机， 为水下航行器增大航速和航程提供了巨大的动力。

文中提出一种新型水下航行器对转涡轮发动机技术， 通过对发动机流体动力的仿真分析， 进一步验证了该技术的优越性和可行性。

1 水下对转涡轮发动机构型

文中提出的对转涡轮机设计思想: 采用2个涡轮盘通过气动耦合实现对转， 但转速不成固定比例， 一级涡轮（主涡轮）仅拖动推进器， 二级涡轮（辅涡轮）仅拖动辅机。在一级涡轮后面增加一级反向涡轮， 充分利用前级涡轮出口燃气所携带的动能， 可大幅减小余速损失， 提高涡轮发动机效率。

水下航行器对转涡轮发动机结构如图1所示，其由2个结构相同的工作叶轮及1组喷嘴组成。燃烧室产生的高温、高压气体通过喷嘴， 工质内能转变为气流的动能。该超音速气流以一定角度喷入第 1级涡轮， 推动涡轮盘转动并输出轴功。气流通过第1级涡轮后， 速度降低、方向改变， 再喷入第2级涡轮， 推动第2级涡轮盘转动并输出轴功。第1级涡轮盘与第2级涡轮盘的旋转方向相反。工质气体做功后的废气经推进轴内孔排出航行器。

图1 冲动式对转涡轮发动机剖面示意图Fig. 1 Sectional schematic of impulse counter-rotating turbine engine

图2 二级涡轮的速度三角形Fig. 2 Velocity triangle of secondary turbine

1.2 有效输出转矩模型

对转涡轮发动机一级涡轮有效输出转矩［5］

系数； φ′为二级涡轮工作叶片速度因数。

本研究对2016年1月1日—2017年12月31日于哈尔滨医科大学附属肿瘤医院腔镜科使用超细鼻胃镜的患者进行回顾性分析，共计160例，年龄36～91岁，男性136例，女性24例，平均年龄分别为61.54±10.34岁和61.38±10.00岁，包含门诊与住院患者，患者均一般状态尚可，在清醒状态下完成内镜下诊疗，无术后并发症。病变狭窄类型主要为消化道癌症、术后吻合口良性与复发性狭窄、外压性狭窄及不明原因性狭窄等，所有患者均因标准胃肠镜无法通过狭窄处而使用超细鼻胃镜。电子内镜均为奥林巴斯生产，标准胃镜的外径≤9.8 mm，标准肠镜的外径≤12.9 mm，而鼻胃镜的外径≤5.8 mm(表1)。

2 数值计算模型

表1 工况参数Table 1 Parameters for different working conditions

建立对转涡轮发动机实体模型， 建模并导出Parasolid格式文件作为 Fluent软件前处理器Gambit的输入模型。动力系统通流部分包括喷嘴、一级涡轮叶片流道、二级涡轮叶片流道以及喷嘴与一级涡轮的连接段， 其中 4个喷嘴布在喷嘴环上。由于叶轮旋转区域的存在， 可将整个计算区域划分为3个静止计算子域和2个旋向相反的旋转计算子域。计算模型划分如图3所示。

整个计算域网格均采用六面体结构化网格，其中涡轮叶片流道部分采用Map类型网格， 而斜切喷嘴、连接段以及涡轮出口部分则采用Cooper类型网格， 共计网格数 280万。为了准确地描述涡轮叶片流道及喷嘴内的燃气流动细节， 对靠近壁面区域进行了局部加密。

图3 对转涡轮发动机计算域Fig. 3 Computational domain of Conter-rotating turbine engine

3 对转涡轮发动机仿真

当监控的一级涡轮、二级涡轮的输出转矩趋向稳定不变时， 认为计算已经达到收敛条件， 输出相关仿真结果［10］。高速气流由喷嘴进入叶轮时，每个喷嘴对应约为4～5个叶片， 其流道由椭圆形流道变化为圆周流道， 通流部分形状发生了突变，气流的速度和方向都会有所变化。

3.1 流场仿真计算

喷嘴压力比等于设计值， 图4和图5分别为中间工况时对转涡轮压力分布云图和对转涡轮速度分布云图。不带斜切部分区域的喷嘴压强和马赫数变化很规律， 斜切口使气流参数变化层增多，流动更复杂， 斜切部分压强和马赫数都有变化，出现局部压强变小马赫数变大， 但变化范围和幅度不大； 从斜切喷嘴出来的气流经过一级涡轮、二级涡轮， 气体的压强越来越小， 直至接近背压，气体的速度也越来越小， 在一级涡轮、二级涡轮流道中， 靠近叶背的气体压力低、速度低， 靠近叶凹气体压力高、速度高。

图4 中间工况对转涡轮压力分布云图（Pa）Fig. 4 Pressure distribution contour of counterrotating turbine in medium velocity mode

图5 中间工况对转涡轮速度分布云图（m/s）Fig. 5 Velocity distribution contour of counterrotating turbine in medium velocity mode

喷嘴压力比大于设计值， 喷嘴有效出口截面超音速气流的压强小于外界压强， 气流在出口处将产生激波， 如图6为低工况时对转涡轮速度分布云图。激波存在于斜切口延伸段内的圆形区域，在此区域里气体压强上升， 气流通过激波， 边界层变厚， 马赫数降低； 从斜切喷嘴出来的气流经过一级涡轮、二级涡轮， 气体参数的变化趋势与中间工况基本一致， 由于激波的影响， 下面 2个流道中叶背与叶凹的气体参数变化不明显。

图6 低工况对转涡轮速度分布云图（m/s）Fig. 6 Velocity distribution contour of counterrotating turbine in low velocity mode

喷嘴压力比小于设计值， 喷嘴有效出口截面超音速气流的压强大于外界压强， 气流在出口处将产生膨胀波， 图7为高工况时对转涡轮速度分布云图。

图7 高工况对转涡轮速度分布云图（m/s）Fig. 7 Velocity distribution contour of counterrotating turbine in high velocity mode

在斜切部分开始气流的压强降低， 马赫数增大， 气流通过膨胀后， 压强降低到和外界背压一样； 从斜切喷嘴出来的气流经过一级涡轮、二级涡轮， 气体参数的变化趋势与中间工况基本一致，由于膨胀波的影响， 二级涡轮流道中叶背与叶凹的气体速度变化出现不同特性。

喷嘴出口气体速度在3种工况下经过对转涡轮后都变的很小， 说明该发动机的余速损失很低。对比单级涡轮机， 对转涡轮机可减小余速损失 50%左右； 气体压强在对转涡轮中各个位置有较大的差别， 但都围绕背压变化； 气流冲击叶片时， 由于气体的可压缩性， 其部分动能会转变成内能， 造成气体参数在叶背和叶凹有变化［11］。

3.2 力矩计算结果与分析

对转涡轮运行在不同工况时， 通过式（1）和式（2）计算获得的有效输出转矩理论数值与计算流体动力学（computational fluid dynamics， CFD）方法所得到仿真结果见表 2。该仿真结果不考虑一级涡轮与推进器、二级涡轮与辅机系统之间0.95～0.98的机械效率。

通过表 2可知， 一级涡轮和二级涡轮输出转矩的仿真结果大于理论数值［12］。原因: 1） 主要因素是没有考虑机械效率； 2） 本模型为理想模型，与实际产品相比会有微小损耗没有计算。例如，间隙漏气损失。以上因素在一定程度上影响了功率计算， 故转矩值偏大是正常的。

表2 对转涡轮理论数值与仿真结果对比Table 2 Comparison between the theoretical values andthe simulation results of counter-rotating turbine

仿真结果出现的一级涡轮输出转矩和二级涡轮输出转矩误差均处于可接受的工程误差范围内， 由此可说明文中使用CFD方法进行对转涡轮发动机内流场仿真所采用的模型以及所得到的结果是可信的， 解析法加功率修正的有效输出转矩公式可以用于对转涡轮动力系统仿真计算。

4 结束语

对转涡轮因其在效率、质量以及陀螺力矩等方面具有的优势， 可为水下航行器增大航速和航程提供了巨大的动力。 新型水下航行器对转涡轮发动机 2个涡轮盘通过气动耦合实现对转， 但转速不成固定比例， 后一级涡轮充分利用前一级涡轮出口燃气所携带的动能来实现转动。

文中提出的对转涡轮发动机应用于水下航行器具有优越性和可行性， 通过对整个通流部分的流体仿真分析可知: 1） 仿真得到的转矩与理论设计值基本一致， 误差在5%以内。因此， 采用的理论与仿真分析方法正确、可行， 为下一步的对转涡轮动力系统建模、控制算法设计提供了支撑； 2）使用对转涡轮代替常规涡轮， 充分利用了动力系统的特点， 减小了余速损失， 增大了同转速下的涡轮发动机输出扭矩。

［1］ 周琨， 邹正平， 刘火星， 等. 航空发动机对转涡轮气动设计技术研究进展［J］. 科技导报， 2012， 30（15）: 61-73. Zhou Kun， Zou Zheng-ping， Liu Huo-xing， et al. Aerodynamic Design of Counter-rotating Turbine for Aeroengine［J］. Science & Technology Review， 2012， 30（15）: 61- 73.

［2］ 张进军， 钱志博， 杨杰， 等. 对转涡轮用于水下航行器的初步研究［J］. 海军工程大学学报， 2006， 18（4）: 84-89. Zhang Jin-jun， Qian Zhi-bo， Yang Jie， et al. Prel Iminary Study of Counter-rotating Turbines Used on Underwater Vehicles［J］. Journal of Naval University of Engineering，2006， 18（4）: 84-89.

［3］ Molland Anthony F. The Maritime Engineering Reference Book: A Guide to Ship Design， Construction and Operation［M］. Oxford: Elsevier LTD， 2011.

［4］ 查志武， 史小锋， 钱志博. 鱼雷热动力技术［M］. 北京:国防工业出版社， 2005.

［5］ 蒋彬， 罗凯， 高爱军， 等. 一种微型部分进气冲动式涡轮机设计方法［J］. 鱼雷技术， 2015， 23（5）: 353-358. Jiang Bin， Luo Kai， Gao Ai-jun， et al. A Design Approach of Micro Partial Admission Impusle Turbine［J］. Torpedo Technology， 2015， 23（5）: 353-358.

［6］ 蒋彬， 罗凯， 郑涛. 微型冲动式部分进气涡轮机的流场特性及气动损失［J］. 热能动力工程， 2015， 30（6）: 873-879. Jiang Bin， Luo Kai， Zheng Tao. Flow Field Characteristics and Aerodynamic Losses of a Miniature Impulse Type Partial Admission Turbine［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power， 2015， 30（6）: 873-879.

［7］ Dingle Lloyd. Aircraft Engineering Principles Second Edition［M］. New York: Routledge， 2013.

［8］ 周杨， 刘火星， 邹正平. 无导叶对转涡轮气动设计技术［J］. 推进技术， 2010， 31（6）: 689-756. Zhou Yang， Liu Huo-xing， Zou Zheng-ping， et al. Aerodynamics Design of Two-stage Vaneless Counter-rotating Turbine［J］. Journal of Propulsion Technology， 2010， 31（6）: 689-756.

［9］ 赵庆军， 王会社， 赵晓路， 等. 无导叶对转涡轮三维流场数值分析［J］. 推进技术， 2006， 27（2）: 114-118. Zhao Qing-jun， Wang Hui-she， Zhao Xiao-lu， et al. Three-dmiensional Numerical Investigation of Vaneless Counter-rotating Turbine［J］. Journal of Propulsion Technology， 2006， 27（2）: 114-118.

［10］ 李代金， 张宇文， 罗凯， 等. 水下热动力推进系统的无级变速控制研究［J］. 西北工业大学学报， 2009， 27（2）: 195-198. Li Dai-jin， Zhang Yu-wen， Luo Kai， et al. Nonlinear Variable-Structure Control for Stepless Speed Changing of Underwater Heat-Engine Propulsion System［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University， 2009， 27（2）: 195-198.

［11］ Lee N J， Choi J W， Hwang Y H. Performance Analysis of a Counter-rotating Tubular Type Microturbine by Experiment and CFD［C］//26th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems. Beijing: Conference Series-Earth and Environmental Science， 2013.

［12］ Violeau D. Fluid Mechanics and the SPH Method: Theory and Applications［M］. Oxford: Oxford University Press， 2012.

（责任编辑: 杨力军）

Theoretical and Simulation Study on Output Torque of Counter-rotating Turbine for Underwater Vehicle
WANG Xin-ping， DANG Jian-jun， LIU Cheng-yong

A new parameter design of counter-rotating turbine engine for an underwater vehicle is presented. The structure characteristics of counter-rotating turbine are analyzed to derive mathematical expressions of effective output torque for the first-stage and the second-stage turbines. Three working modes with different velocities are designed for an underwater vehicle. The nozzles and the first-stage turbine are designed based on the medium velocity mode， while the second-stage turbine is designed based on the highest velocity mode. Furthermore， a model of counter-rotating turbine engine is built to simulate the flow fields for the three working conditions. Comparison between the theoretical calculation results and the simulation results indicates that substitution of the counter-rotating turbine for the conventional turbine can reduce the residual velocity loss and improve the efficiency of the turbine engine， suggesting the correctness and feasibility of the proposed method.

underwater vehicle； counter-rotating turbine； engine； output torque

（School of Marine Science and Technology， Northwestern Polytechnical University， Xi′an 710072， China）

TJ630.34； U674.941； TK471

A

1673-1948（2016）04-0277-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.007

2016-06-14；

2016-07-13.

陕西省自然科学基金项目（2014JQ7263）.

王新平（1986-）， 男， 在读博士， 主要研究方向为水下涡轮机技术.