微型涡轮发电机J型弯曲静叶设计研究

张远森

摘  要：本文采用数值计算研究了J型弯曲静叶的弯高和弯角对微型涡轮机轴流涡轮级性能的影响，结果表明，当J型静叶弯高和弯角分别为1和5°时，对涡轮性能的改善效果最佳，将此成果应用于微型涡轮机跨音轴流涡轮静叶，涡轮流量、轮缘功以及级效率分别达到了1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，较初始方案分别提高了0.96%、0.54%和0.88%。

关键词：J型弯曲静叶;微型涡轮发电机

中图分类号：TK14    文献标识码：A

近年来，分布式能源向小型化，多样化和智能化发展[1]。微型燃气轮机作为分布式能源的主要动力装置，具有能源利用率高，环境污染小，经济效益好等特点，得到了迅速发展。Capstone和Elliott等公司于1995年先后推出了功率35kw～200kw量级的第一代微型燃气轮机，热功效率为22.5%～33%，根据美国能源部于2003年提出的“先进微型燃气轮机规划”要求，新一代微型涡轮机发电效率至少达到40%，指标较之前有大幅提升。因此研究者不断引入新概念、新技术，同时对部件性能提出了更高的要求。涡轮作为微型涡轮机核心部件之一，对其指标也提出了更高的要求。通常情况下厘米级轴流涡轮为降低成本，一般采用性能较差的直叶片，而在常规尺度叶轮上，由王仲奇教授提出的叶片弯扭联合气动成型[2]，作为一种能显著改善叶轮效率的手段已被广泛应用于汽轮机[3]，燃气轮机和航空发动机上[4-5]。随着技术水平的进步和叶轮整体精密铸造技术的普及，使弯、扭、掠等气动造型应用于微型涡轮成为了可能。

鉴于弯叶片在提高叶轮性能的重要作用以及微型轴流涡轮自身的特点：涡轮叶片径向高度短，端壁损失较常规尺度叶轮大，开展微型涡轮弯叶片设计研究可提高涡轮效率。本文基于某200kW微型涡轮发电机涡轮部件，通过数值计算的方法研究了J型弯曲静叶弯高和弯角对涡轮部件性能的影响规律，确定了J型弯曲静叶积迭参数选取规律，并获得了较优的J型弯曲静叶设计方案。

1.涡轮初始方案介绍

本研究基于某200kW微型涡轮发电机开展，该微型涡轮机发电功率为200kw，整机热效率达40.93%。涡轮部件采用轴流式涡轮，内径和外径分别为0.16m和0.18m。

数值计算采用numeca开展，网格节点数为300万，选取S-A湍流模型，流动介质为真实空气，轴向入流并给定总温1200K和总压511kpa，出口给定背压，转静子通过掺混面法进行数据传递，计算得到的涡轮性能参数如表1所示。因初始方案静子为直叶片，性能存在提升空间，故后续采用J型弯曲叶片设计手段对涡轮静叶进行优化。

2 .J型彎曲静叶方案简介

本文J型弯曲静叶采用bezier-line-bezie作为积迭线，如图1（左）所示，主要控制参数为叶片根部的弯高C1（往叶背一侧弯曲）和弯角A1，顶部不弯，三维模型如图1（右）所示。

为准确反映弯高和弯角对涡轮性能的影响规律，本文分别计算了弯高分别为0.2至1（每间隔0.1取一组），弯角为5°、10°和15°，共计27种J型弯曲静叶方案的涡轮性能。

3. J型弯曲静叶对涡轮性能的影响分析

本文J型弯曲静叶对涡轮性能的影响主要体现在改变了下游动叶的做功能力。图2给出不同J型弯曲静叶方案下游动叶轮缘功沿径向分布图。通过对比可知，当静叶弯高较小时，对下游动叶轮缘功沿径向分布的影响较小。随着静叶弯高的增加，对下游动叶的影响逐渐增强。当静叶弯高为1弯角为5°时，可提高下游动叶径向35%高度至叶尖区域轮缘功，进一步增大弯角，下游动叶做功能力下降。这是由于当静叶弯角较小时，静叶中部至顶部出口气流角减小，气流周向速度分量增大，可充分利用动叶高半径位置的切线速度，从而提高动叶整体做功能力，当静叶弯角较大时，静叶出口气流角沿径向变化过于剧烈，恶化了下游动叶入流条件，导致动叶做功能力急剧下降。

图3给出了J型弯曲静叶的弯高和弯角对涡轮级效率的影响曲线，从图中对比可以看出，采用5°小弯角设计的J型静叶，涡轮级效率随弯高增加而提高，而当静叶弯角处于10°～15°范围时，增加弯高，涡轮级效率显著下降，这是由于当J型静叶弯角较大时，会导致静叶出口气流角沿径向急剧变化，从而恶化了下游动叶进口条件，因此涡轮效率下降。数值计算结果表明，当跨音微型轴流涡轮J型静叶弯高为1，弯角为5°时，此J型弯曲静叶对涡轮级性能的改善效果最佳，涡轮流量、轮缘功和级效率分别达到1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，较原始方案分别提高了0.96%、0.54%和0.88%。

4结论

本文基于某200kw级微型涡轮机的轴流涡轮部件，开展了微型轴流涡轮J型弯曲静叶设计技术研究，采用数值计算手段研究了J型弯曲静叶的弯高和弯角对涡轮性能的影响，并得到以下结论：

1.采用大弯高小弯角设计的J型静叶，增加了静叶出口中部到顶部区域的气流切向速度分量，可提高下游动叶做功能力，从而提高涡轮级效率。而当J型弯曲静叶弯角较大时，会导致静叶出口气流沿径向方向急剧变化，恶化了下游动叶入流条件，导致涡轮做功能力和效率急剧下降。

2.针对此微型涡轮机跨音轴流涡轮静叶，当J型弯曲静叶弯高达到1，弯角为5°时对涡轮级效率的提升效果最显著，涡轮流量、轮缘功以及级效率分别达到1.205kg/s、223.9KJ/kg和0.852，较初始方案分别提高了0.96%、0.54%和0.88%。

参考文献

[1]  杜建一.分布式能源系统与微型燃气轮机的发展与应用.工程热物理学报，2004，25（5）：786-788.

[2]  苏杰先.叶片的弯扭联合气动成型理论、实验、设计及其应用.动力工程，1992，12（6）：1-6

[3]  张任伟.600MW汽轮机调节级优化设计.汽轮机技术，1990，32（6）：27-32.

[4]  袁宁.提高航空发动机性能的弯扭导向器技术.推进技术，2001，22（6）：458-463.

[5]  Mohsen Hassan Vand.Numerical study of the bowed blades on aerodynamic characteristics in a hign pressure tuebine. ASMEG paper GT2005-68214，2005.