车辆燃气轮机轴流涡轮设计

王楠 宋建桐 吕江毅

摘 要：车用燃气轮机的涡轮设计目前在国内比较少，为了系统详实地开发可靠产品，依据流体力学及叶轮机械原理，通过数值模拟的方式，使用Concepts NREC软件仿真计算进行车用涡轮设计，在降低了开发成本和时间的同时，提高了设备的稳定可靠性，对我国的车用燃气轮机的涡轮设计有重要指导意义。

关键词：燃气轮机;轴流涡轮;数值模拟;叶轮设计

中图分类号：U464.32  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-83-04

Axial Turbine Design of Vehicle

Wang Nan， Song Jiantong， Lv Jiangyi

（ BeiJing PolyTechnic， College of Automobile Engineering， Beijing 100000 ）

Abstract： In order to develop reliable products systematically and accurately， the turbine design of automotive gas turbines is relatively rare in China. Based on the principles of hydrodynamics and turbomachinery， the Concepts NREC software is used to simulate and calculate the turbine design of automotive gas turbines by means of numerical simulation， which reduces the cost and time of development and improves the equipment at the same time. The stability and reliability are of great significance to the turbine design of automotive gas turbines in China.

Keywords： Gas turbine; Axial flow turbine; Numerical simulation; Rotor design

CLC NO.： U464.32  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-83-04

1 軸流涡轮设计方法

设计涡轮第一步要根据需求确定燃气轮机循环过程使用的涡轮类型。因此，需要使用燃气轮机总体性能计算程序确定涡轮的膨胀比、做功量、转速、涡轮入口工况，要保证设计的涡轮能够和其他部件匹配，至少要保证涡轮能够为驱动压气机提供足够的动力。

由于压气机性能和稳定性随转速的变化比涡轮更加敏感，通常情况下涡轮的转速是由压气机设计决定的。

当涡轮总体性能参数和设计要求确定后，第二步是使用平均流线方法进行初步设计，其主要是对涡轮进行设计点的热力计算。在进行热力计算时，先初步选取级载荷参数、流量系数和反动度，然后可使用Smith图确定级效率。当选定这些参数后，就可以根据基本的气动热力学公式计算叶片平均速度，进出口速度三角形，每排叶片进出口热力学参数。完成初步设计后，进入通流设计阶段。在平均流线设计阶段，只考虑了轴向流动情况或者说子午流动的情况，采用一维计算。在通流设计阶段则考虑了径向上的速度变化，也即采用二维计算方法求解轮缘-轮毂方向上的流动参数分布。为了保证获得较好的计算结果，两个方向上的网格线应满足正交条件。在进行通流设计时，流动被假设为轴对称流动，即不考虑叶片-叶片方向上流动参数的变化。

第三步是叶型设计，其过程是一个迭代的过程。例如：在最初设计时如果选择的反动度过大，那么动叶承受的载荷过大，这样导致的叶片数目就要增加，在这种情况下，要重新选择反动度进行平均流线的热力计算。当流量系数选择得过小时，叶片就会过高，从而会引起叶片根部应力增大，这就要求对平均流线处的速度三角形进行调整，使子午速度增加，从而使叶片高度减小。[1-2]

最后在确定气动设计和结构设计方案后，开始投入生产。在形成产品后，还要根据产品的使用情况进行分析，如有必要则要对其进行改进设计。

图1给出了涡轮气动设计过程。可把设计过程分为三个过程：初步设计、通流设计和叶型设计。本章下面几小节将结合课题具体说明一下这三个设计阶段。

以高压轴流涡轮设计为例来具体说明设计过程，轴流涡轮设计主要是在给定工况点来进行设计的，其中给定的主要的轴流涡轮设计要求参数见表1。

结构参考数据见表2、表3和表4。

1.1 初步设计

使用商用软件Concepts NREC的Axial模块来辅助完成上述计算工作，其初步设计需要的基本几何和性能参数见表5和表6。（其中很多参数的准确值，主要是几何参数要在后面的计算中确定）

在软件中输入的很多参数是期望值和经验值，不一定合适，但在随后的设计计算中会逐步调整。下面将介绍一下轴流涡轮初步设计时主要注意的一些重要参数的选择原则：

（1）涡轮工作情况，有没有阻塞，如果阻塞在哪里发生，一般喉部阻塞几率较高，可以通过调整叶片数和调整叶片角等来改进;

（2）速度三角形是否合理，合理的速度三角形是涡轮高性能工作的前提;

（3）流量是否为设计流量，如果不符合将继续进行调整，可以调整的量有：叶高、涡轮半径、进/出口叶片角、压比等;

（4）攻角是否在合理数值范围内，经验参考数據是在±4°，可以通过调整进/出口叶片角等来实现;

（5）效率是否达到设计要求，涡轮效率范围大约在85% —91%;

（6）反力度数值是否合适，过大过小都将影响涡轮工作性能;

（7）功率是否达到设计要求，如果不符可以通过改进流量、叶高、涡轮半径、进/出口叶片角、压比等来达到要求;

（8）Zweifel系数是否合适，在初步设计时其理想的建议数值范围应在0.8-1.0。

根据已上原则，参数调整需要反复，数据调整的好坏直接影响后面的分析结果。通过Concepts NREC软件的Axial模块计算得到的设计速度三角形输出见图2。

1.2 通流设计

在进行通流计算设计时，可获得速度沿叶高方向上的分布，包括速度的大小和方向。对于大展弦比叶片，沿叶高方向上速度存在较大变化。对于现阶段的涡轮叶片，为了减小二次流损失，叶片形状通常是复杂的三维结构，平均流线分析结果往往不能反映出远离中间叶高处流动参数出现的变化。

在径向方向上，通常使用径向平衡方程来控制流动参数沿径向上的变化。早期的涡轮设计都使用等环量假设，在这种情况下，切向速度分量Cθ随半径的变化关系可以表示为：

（1）

在使用上式计算出Cθ后，再知道不同叶高处叶片旋转速度U，以及子午速度Cm，即可确定任意叶高处的速度三角形。[3-4]

对于本课题的高压轴流涡轮在软件Concepts NREC的AxCent模块中计算输出的子午速度分布和绝对速度分布见图3和图4。

1.3 叶型设计

在完成通流设计后，得到沿叶高方向上一些平面上的二维叶片形状。通常最少已知三个剖面，这三个剖面使叶根剖面、中间叶高剖面、叶尖剖面。

对于最简单的叶片几何形状，有这三个剖面就可以实现叶片的积叠。对于比较复杂的三维叶片形状，则需要更多的叶片剖面来描述。最初的涡轮叶型采用一些圆弧线和直线组成的，叶型设计的依据是一些经验数据和实际使用中得到的设计原则。

当叶型剖面确定后，就可以开始叶片—叶片方向上的流动分析。经过叶片—叶片方向上的流动分析，得到叶片吸力面和压力面上的马赫数分布，这样设计人员可根据计算结果评价设计是否合理，尤其叶片表明扩散因子是否在经验允许的范围内。如果不合理，就需要回到通流设计阶段，对某些叶型剖面进行修改。在某些情况下，甚至需要考虑平均流线设计计算中得到的一些参数是否有必要进行修改。

下一步是对不同叶高处的叶型剖面进行积叠，从而完成叶片的三维造型。可以采用不同的积叠方法实现叶片的三维造型，通常以每个剖面的质心进行积叠，这样可以保证质心连线沿着半径方向，因此当叶片旋转时所产生的离心力不会对叶片产生弯曲应力。有些情况下，会使叶片发生倾斜，即叶片沿叶高方向并不是沿径向延伸，而是和径向方向有夹角，这样会使叶片对气流产生沿径向方向上的力，从而限制叶片表面附面层沿径向方向上的迁移。在设计涡轮叶片时，如果能够保证倾斜叶片所承受的应力在叶片所能承受的范围之内，即可采用倾斜叶片。[5-6]

当叶片的三维造型完成后，就可以采用CFD方法对叶片内部流场进行分析。如果CFD计算结果不能满足要求，那么就要根据计算结果对叶片形状进行修改。如果依靠修改叶片形状不能获得满意的结果，则就要返回到通流设计阶段，甚至要回到平均流线设计阶段进行重新计算。

通过使用Concepts NREC的AxCent模块按照上述方法和原则反复设计调整，最后得到设计结果输出。以高压涡轮为例，其确定的基本几何和基本性能参数如下：

高压涡轮几何参数见表7、表8：

所设计的高压涡轮静叶的三维模型见图5（叶片数目为29），所设计的高压涡轮动叶的三维模型见图6（叶片数目为53）。

最终高压涡轮的仿真性能参数见表9。

2 结论

从性能参数看出，高压涡轮的各项参数已经基本满足设计要求，而且叶型合理规整，其87%的效率也比较理想，另外相关数据也都调整到合理的范围内后，就可以把模型导入Concepts NREC中的AxCent模块进行进一步的优化，即三维设计和分析。在这个模块中的主要工作是从二维和三维的角度来优化叶型。[7]主要参考的是轴流涡轮的相对马赫数分布图和载荷图，令其输出更为合理，工作情况更好。最终得到高压涡轮的三维实体，下面两个图7（a）和（b）是所设计的高压涡轮的三维立体图：

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，1983.

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