车用轴流涡轮叶轮间隙流动的数值研究

王楠

摘 要：应用数值方法对设计的车用燃气轮机的轴流涡轮结构及性能影响作了分析，研究位置分别为叶尖、叶中、叶根。计算结果表明：轴流涡轮是在亚音速流场内工作，没有激波产生，也没有不合理的流动现象和很大的流动损失，它能较好地运转在工况点上。

关键词：燃气轮机;轴流涡轮;数值模拟

Abstract： With the numerical methods， the axial flow turbines structure and properties is analyzed， the study locations are the tip， the middle， and the root. The result shows that： the axial turbine is working in subsonic flow field and produces no shock， no very unreasonable flow phenomena and large flow losses， it is better to run on the operating point.

前言

研究车用轴流涡轮内部的流场和运转情况时，必须建立流动的数学物理模型。目前这些模型都是根据质量、动量和能量三大守恒定律推导出的连续方程、Navier-Stokes方程以及能量守恒方程来计算的，它们是现在描述流体流动最常用的控制方程组。在数值模拟涡轮内部流场时，多采用的是将雷诺平均的Navier-Stokes方程组与各种湍流模型相结合来求解的方法，所以正确选择湍流模型十分重要。本文计算所采用的湍流模型是S-A模型，由于流体是连续的，计算机的计算模拟必须是离散数据，所以需要将控制方程组的空间和时间离散，采用时间项的四阶Runge-Kuta迭代法，使用专业流体计算软件NUMECA的IGG/AutoGrid模块中专门针对叶轮机械的三种网格剖分形式的功能，和能够加速计算的完全多重网格方法（FMG），以及FINE/Turbo模块中的初始条件、边界条件的给定形式等有关内容，为车用轴流涡轮进行CFD计算和分析做出理论指导和依据。[1]

1 数值计算方法

针对设计的车用轴流涡轮建立湍流模型对于研究粘性流场在近壁面附近的流动细节有很大的影响，采用S-A模型，这样可以获得较好的模拟计算效果。[2]

计算网格使用NUMECA的FINE/Turbo软件包中的IGG模块划分。IGG是一种交互式的网格生成器，对于轴、径流叶轮机械能够生成高质量的网格。分析计算的涡轮的网格结构采用H-I型网格，具体网格分布及质量数目为：

静叶叶片：叶片到叶片方向为33，轮缘到轮毂方向为41，流线方向为总网格数为129（进口33，中间65，出口33），网格总数为174537。其最小正交性为10.15，最大长宽比为1245.21，最大沿展比为3.51。

动叶叶片：叶片到叶片方向为33，轮缘到轮毂方向为41，流线方向为总网格数为129（进口33，中间65，出口33），网格总数为174537。其最小正交性为13.78，最大长宽比为1259.5，最大沿展比为3.58。

在计算过程中给定涡轮进口和出口以及固壁的边界条件。进口边界条件为给定叶轮进口静温、质量流量、绝对气流角和涡流粘度，绝对气流角采用速比的形式;出口边界条件为给定的计算数据;固壁边界条件为固壁面取不渗透、无滑移、绝热的边界条件，转速为38000 min/s。[7]

2 轴流涡轮CFD分析

3 结论

（1）分析轴流涡轮叶型沿叶片相对弦长的方向上静压的分布情况，无论是动叶还是静叶，在压力面上的静压都是沿相对弦长逐渐降低的，而在吸力面的相对弦长后部都出现了扩压区。

（2）分析轴流涡轮叶型沿叶片相对高度方向上静温的分布情况，静叶的静温随着叶片相对高度的增加基本上是缓慢下降的，而动叶在叶高的中间大部分区域静温都是平稳的，而在两端则变化剧烈。

（3）分析轴流涡轮极限流线分布情况，在静叶的吸力面的中间叶高以上存在一条分离线而压力面上的极限流线分布较为均匀，动叶则在吸力面的根部上存在分离线且动叶压力面上在临近叶尖区域流线偏向轮缘，这主要是由于叶尖泄漏流动造成的，在动叶轮毂面上，由于存在从压力面指向吸力面的压力梯度，导致了流线由压力面偏向吸力面。

（4）分析轴流涡轮速度矢量分布情況，对于极限流线，无论是叶尖处速度矢量还是中间叶高处速度矢量其速度沿流道分布都比较合理。

（5）分析涡轮中间叶高尾缘的速度情况，动叶静叶在尾缘处均出现两个小回流区。

（6）分析轴流涡轮叶型沿叶片相对高度的方向上马赫数的分布情况，静叶出口绝对马赫数沿叶高方向上规律是绝对马赫数随叶片标准高的增加而增加。动叶出口的相对马赫数在叶根和中部的总体趋势是随叶高的增加马赫数也在增加，但在叶尖处的马赫数先减小后增加。

（7）分析轴流涡轮云图分布情况，静压在动叶的压力面的前部达到最大而在静叶的吸力面的中部最小;相对马赫数在静叶的吸力面中部达到最大，在流场中没有发生激波都是亚音速气流。

（8）分析轴流涡轮二次流情况，无论是静叶还是动叶都在叶尖和叶根处出现两个通道涡，且通道涡都是在压力梯度

的作用下由压力面向吸力面移动，对于动叶在叶尖处还产生了泄漏涡且后来和叶尖处通道涡相汇，形成一个较大的通道涡。

综上所述，轴流涡轮是在亚音速流场内工作，没有激波产生，也没有很不合理的流动现象和很大的流动损失，它能较好地运转在工况点上。

参考文献

[1] 彭泽琰，刘刚.航空燃气轮机原理[M].国防工业出版社.2000.9.

[2] 万欣.燃气叶轮机械[M].北京：机械工业出版社.1987.8.

[3] Moustapha H. Zelesky M F.Baines N C. Axial and Radial Turbines [M].USA，Concepts NREC，2003.

[4] Hany Moustapha Mark F.Zelesky Nicholas C. Gaines David Japikse. Axial and Radial Turbines [M]. USA Concepts NREC Coprporate Headquarters 217 Billings Farm Road White River Junction， Vermont 05001-9486.

[5] 邹滋祥.轴流透平级的几何参数的最佳选择—带有各种约束条件的最佳设计[J].机械工程学报.1982.21（3）：18-28.

[6] 沈维道，郑佩芝，蒋淡安合编.工程热力学.第二版.北京：高等教育出版社，7983.

[7] H.Cohen，Gas Turbine Theory， London，1972.