CN105298548B - 一种微型燃机涡轮叶轮的设计方法 - Google Patents
一种微型燃机涡轮叶轮的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及中小型燃气涡轮装置中透平膨胀机用的涡轮叶轮，具体为一种微型燃机涡轮叶轮的设计方法。本发明通过一维设计及热力计算后，确定透平的通流部分的几何形状，进行叶轮基本三维造型，再进行三维流动分析与结构优化，为提高涡轮部件效率而设计的独特叶片形状和排列方式，最终完成涡轮叶轮造型设计。本发明涡轮叶轮的设计满足微型燃机使用要求，微型燃气轮机作为广泛用于小型分布式发电的动力装置，符合对能源供给多样化的发展需求。该涡轮叶轮的设计及结构形状，也可应用于其他增压器、中小型燃气轮机装置、化工与制冷设备中透平膨胀机用的涡轮叶轮。
Description
技术领域
本发明涉及中小型燃气涡轮装置中透平膨胀机用的涡轮叶轮，具体为一种微型燃机涡轮叶轮的设计方法。
背景技术
微型燃气轮机(Micro.tuthines)作为广泛用于小型分布式发电的动力装置，符合对能源供给多样化的发展需求。先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征。涡轮叶轮是微型燃机中一个高速旋转做功的关键零件，将燃机中的燃气热量转换成机械功，涡轮叶轮的设计直接影响燃机的整个性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型燃机涡轮叶轮，为了满足微型燃机的整体性能参数要求：进气温度T3 *、进气压力P3 *、涡轮转数nT、膨胀比ΠT、轮周效率等。
本发明的技术方案是：
一种微型燃机涡轮叶轮的设计方法，具体过程如下：
(1)向心涡轮的一维设计
选型是采用近零涡的设计方案，在零涡方案的基础上，对方案的速比进行调整，使方案的轮周效率ηu获得提高，这时叶轮出口截面上的气流角将略大于90°；
(2)向心透平的热力计算
在热力计算中根据总体所给定的透平的初始参数确定方案参数的绝对值，并求出透平的主要的结构参数：
qT＝W2 2(1/ψ2-1)/2
式中，qT叶轮中的损失流量，单位kg/s；W2为叶轮出口相对速度，单位m/s；ψ为速度系数，径轴式叶轮取ψ＝0.75～0.92；
经热力计算后，透平的通流部分的几何形状确定下来，根据它进行叶轮造型的设计，进而完成三维造型和流动分析；
(3)三维几何建模
关于叶轮的造型设计，叶轮的扭叶部分采用非可展的直纹抛物面，将生成的非可展的直纹抛物面的扭叶片部分过渡为径向的直叶片，叶轮出口的导流锥的型线采用双叶线，它的极坐标方程式是式中：ρ为极径，λ为极角，d为双叶线常数；
长叶片的建模是利用向心涡轮导风轮中心抛物面设计表、排气边各点滞后角校核表和向心涡轮导风轮叶片厚度计算表做好导风轮叶型抛物面的数据文件，生成叶片背弧和腹弧的直纹抛物面，再将抛物面过渡为径向平面，最后根据子午流道的流线进行修剪就得到叶轮的长叶片；
短叶片的建模是在长叶片的基础上生成的，以长叶片的中心抛物面为基面，将背弧和腹弧面剪裁生成；
最后，将生成的长叶片和短叶片组合在一起，设计完成叶轮模型；
(4)三维流动分析与结构优化
三维流动分析的数值模拟是利用流场分析软件STAR-CD进行的，模拟时将向心涡轮的动静两部分同时算，在处理动静之间的关系时采用STAR-CD中的多旋转参考系的隐式方法；紊流模型选的是标准的k-ε双方程紊流模型，即高雷诺数k-ε双方程紊流模型；流体看作是理想气体，满足理想气体状态方程，并且为可压流体Ma＞0.3，选物性参数时ρ＝f(T,P)，Ma-马赫数，ρ-密度，T-温度，p-压力；比热为常量，大小为1148.86焦/千克·开；边界条件进口是驻点，给定总压、总温和来流方向，总压P0 *＝34200Pa，总温T0 *＝1173K；出口条件是，给定排气压力P2＝109960Pa，排气温度T2＝903K。
所述的微型燃机涡轮叶轮的设计方法，通过优化设计最终完成的涡轮叶轮造型，涡轮叶轮由轮毂及叶片组成，轮毂外表面满足子午流道形状，16片涡轮叶片大小相间，其中8片大叶片及8片小叶片沿周向均布。
所述的微型燃机涡轮叶轮的设计方法，步骤一中的近零涡设计方案，经过初步的估算，透平的轮周效率不能小于85％，经过反复调整和筛选，选择以下四组近零涡设计方案之一：
方案一：叶轮入口绝对气流角15°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.65，叶轮入口叶片角90°，轮周效率89.524％，叶轮出口相对气流角23.73°，子午加速因子1.05，叶轮出口绝对气流角94.69°，出口截面周速0.442m/s，叶轮出口绝对流速0.1882m/s；
方案二：叶轮入口绝对气流角20°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.6，叶轮入口叶片角90°，轮周效率88.288％，叶轮出口相对气流角29.71°，子午加速因子0.9115，叶轮出口绝对气流角95.89°，出口截面周速0.408m/s，叶轮出口绝对流速0.2210m/s；
方案三：叶轮入口绝对气流角20°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.6，叶轮入口叶片角90°，轮周效率89.213％，叶轮出口相对气流角26.99°，子午加速因子0.8187，叶轮出口绝对气流角95.16°，出口截面周速0.408m/s，叶轮出口绝对流速0.1995m/s；
方案四：叶轮入口绝对气流角20°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.6，叶轮入口叶片角90°，轮周效率88.826％，叶轮出口相对气流角28.17°，子午加速因子0.8585，叶轮出口绝对气流角95.48°，出口截面周速0.408m/s，叶轮出口绝对流速0.2088(m/s)。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明通过一维设计及热力计算后，确定透平的通流部分的几何形状，进行叶轮基本三维造型，再进行三维流动分析与结构优化，为提高涡轮部件效率而设计的独特叶片形状和排列方式，最终完成涡轮叶轮造型设计。
2、本发明涡轮叶轮的设计满足微型燃机使用要求，微型燃气轮机作为广泛用于小型分布式发电的动力装置，符合对能源供给多样化的发展需求。该涡轮叶轮的设计及结构形状，也可应用于其他增压器、中小型燃气轮机装置、化工与制冷设备中透平膨胀机用的涡轮叶轮。
附图说明
图1为本发明子午流道方案示意图。
图2为本发明叶轮的模型图。其中，(a)轮毂剖面图；(b)叶轮轴侧视图；(c)为叶轮俯视图；(d)叶轮轴侧视图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明微型燃机涡轮叶轮的设计方法如下：
(1)向心涡轮的一维设计
选型是采用近零涡的设计方案，这种近零涡的设计方案是基于零涡设计方案的。当透平轴向排气时，透平的余速损失最小。然而，零涡设计条件下向心透平并不具备最小的流动损失和最高的轮周效率。实际上，向心透平流动损失的极小值是出现在叶轮出口绝对气流角α2＞90°条件下的。这样，在零涡方案的基础上，对方案的速比进行适当的调整，则可使方案的轮周效率ηu获得一定的提高，这时叶轮出口截面上的气流角将略大于90°(零涡方案为90°，气流角大于90°小于96°)，这就是采用的近零涡设计方案。
由于微型燃机整机效率的要求，经过初步的估算，透平的轮周效率不能小于85％，因此经过反复调整和筛选，选出比较理想的四组方案：
近零涡设计方案计算结果：
(2)向心透平的热力计算
在热力计算中根据总体所给定的透平的初始参数确定以上各种方案参数的绝对值，并求出透平的主要的结构参数。叶轮的主要结构尺寸：叶轮进出口直径、叶轮出口截面叶片外径和根径、流道的曲率半径、叶轮宽度。
qT＝W2 2(1/ψ2-1)/2
式中，qT叶轮中的损失流量，单位kg/s；W2为叶轮出口相对速度，单位m/s；ψ为速度系数，一般为径轴式叶轮取ψ＝0.75～0.92。
经热力计算后，透平的通流部分的几何形状就可以确定下来。这样，就可以根据它进行叶轮造型的设计，进而完成三维造型和流动分析。
四种方案经过比较，方案4的叶轮转动惯量较小，因此选择方案4进行三维建模。
(3)三维几何建模
关于叶轮的造型设计，叶轮的扭叶部分采用非可展的直纹抛物面。这种平基面的、非可展的直纹抛物面无论在气动、强度方面、或者在工艺性与通用性方面都具有良好的性质。由于叶轮是径向进气的，因此将生成的非可展的直纹抛物面的扭叶片部分过渡为径向的直叶片。叶轮出口的导流锥的型线采用双叶线，它的极坐标方程式是式中：ρ为极径，λ为极角，d为双叶线常数。
长叶片的建模是利用向心涡轮导风轮中心抛物面设计表、排气边各点滞后角校核表和向心涡轮导风轮叶片厚度计算表做好导风轮叶型抛物面的数据文件，生成叶片背弧和腹弧的直纹抛物面，再将抛物面过渡为径向平面，最后根据子午流道的流线进行修剪就得到叶轮的长叶片。
短叶片的建模是在长叶片的基础上生成的，它是以长叶片的中心抛物面为基面，将背弧和腹弧面适当剪裁生成的。
最后，将生成的长叶片和短叶片组合在一起，设计完成叶轮模型。
(4)三维流动分析与结构优化
三维流动分析的数值模拟是利用流场分析软件STAR-CD进行的，模拟时将向心涡轮的动静两部分同时算，在处理动静之间的关系时采用STAR-CD中的多旋转参考系的隐式方法。紊流模型选的是标准的k-ε双方程紊流模型，即高雷诺数k-ε双方程紊流模型；流体可看作是理想气体，满足理想气体状态方程，并且为可压流体(Ma＞0.3)，所以选物性参数时ρ＝f(T,P)，Ma-马赫数，ρ-密度，T-温度，p-压力；比热为常量，大小为1148.86焦/千克·开。边界条件进口是Stagnation(驻点)，给定总压、总温和来流方向，总压P0 *＝34200(Pa)，总温T0 *＝1173(K)；出口条件是，给定排气压力P2＝109960(Pa)，排气温度T2＝903(K)。
通过优化设计最终完成的涡轮叶轮造型。涡轮叶轮由轮毂及叶片组成，轮毂外表面满足子午流道形状。16片涡轮叶片大小相间，其中8片大叶片及8片小叶片沿周向均布。
如图1所示，本发明叶轮轮毂形状满足子午流道形状，可以满足气流流动的设计要求。
如图2所示，本发明叶轮的模型，16片涡轮叶片大小相间，其中8片大叶片及8片小叶片沿周向均布。
经过上述设计后，本发明微型燃机涡轮叶轮可以满足气动技术参数指标：
进气温度T3 *＝1173(K)；进气压力P3 *＝34200(Pa)；涡轮压比ΠT＝3.11；排气温度T2＝903(K)，涡轮转数nT-＝60000(rpm)、轮周效率＝88.826％。
实施例结果表明，由于独特的叶片形状设计，本发明较大幅度的提高涡轮效率，节省能源，创造良好的经济效益和社会效益。该涡轮叶轮也可应用于其他内燃机增压器，中小型燃气轮机装置，化工与制冷设备中透平膨胀机用的涡轮叶轮。本发明涡轮叶轮的设计满足微型燃机使用要求，微型燃气轮机作为广泛用于小型分布式发电的动力装置，符合对能源供给多样化的发展需求，微型燃机投入市场将会创造良好的经济效益。
Claims (2)
1.一种微型燃机涡轮叶轮的设计方法，其特征在于，具体过程如下：
(1)向心涡轮的一维设计
选型是采用近零涡的设计方案，经过初步的估算，透平的轮周效率不能小于85％，经过反复调整和筛选，选择以下四组近零涡设计方案之一：
方案一：叶轮入口绝对气流角15°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.65，叶轮入口叶片角90°，轮周效率89.524％，叶轮出口相对气流角23.73°，子午加速因子1.05，叶轮出口绝对气流角94.69°，出口截面周速0.442m/s，叶轮出口绝对流速0.1882m/s；
方案二：叶轮入口绝对气流角20°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.6，叶轮入口叶片角90°，轮周效率88.288％，叶轮出口相对气流角29.71°，子午加速因子0.9115，叶轮出口绝对气流角95.89°，出口截面周速0.408m/s，叶轮出口绝对流速0.2210m/s；
方案三：叶轮入口绝对气流角20°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.6，叶轮入口叶片角90°，轮周效率89.213％，叶轮出口相对气流角26.99°，子午加速因子0.8187，叶轮出口绝对气流角95.16°，出口截面周速0.408m/s，叶轮出口绝对流速0.1995m/s；
方案四：叶轮入口绝对气流角20°，叶轮流道的速度系数0.94，轮径比0.6，叶轮入口叶片角90°，轮周效率88.826％，叶轮出口相对气流角28.17°，子午加速因子0.8585，叶轮出口绝对气流角95.48°，出口截面周速0.408m/s，叶轮出口绝对流速0.2088m/s；
(2)向心透平的热力计算
在热力计算中根据总体所给定的透平的初始参数确定方案参数的绝对值，并求出透平的主要的结构参数：
qT＝W2 2(1/ψ2-1)/2
式中，qT叶轮中的损失流量；W2为叶轮出口相对速度，单位m/s；ψ为速度系数，径轴式叶轮取ψ＝0.75～0.92；
经热力计算后，透平的通流部分的几何形状确定下来，根据它进行叶轮造型的设计，进而完成三维造型和流动分析；
(3)三维几何建模
关于叶轮的造型设计，叶轮的扭叶部分采用非可展的直纹抛物面，将生成的非可展的直纹抛物面的扭叶片部分过渡为径向的直叶片，叶轮出口的导流锥的型线采用双叶线，它的极坐标方程式是式中：ρ为极径，λ为极角，d为双叶线常数；
长叶片的建模是利用向心涡轮导风轮中心抛物面设计表、排气边各点滞后角校核表和向心涡轮导风轮叶片厚度计算表做好导风轮叶型抛物面的数据文件，生成叶片背弧和腹弧的直纹抛物面，再将抛物面过渡为径向平面，最后根据子午流道的流线进行修剪就得到叶轮的长叶片；
短叶片的建模是在长叶片的基础上生成的，以长叶片的中心抛物面为基面，将背弧和腹弧面剪裁生成；
最后，将生成的长叶片和短叶片组合在一起，设计完成叶轮模型；
(4)三维流动分析与结构优化
三维流动分析的数值模拟是利用流场分析软件STAR-CD进行的，模拟时将向心涡轮的动静两部分同时算，在处理动静之间的关系时采用STAR-CD中的多旋转参考系的隐式方法；紊流模型选的是标准的k-ε双方程紊流模型，即高雷诺数k-ε双方程紊流模型；流体看作是理想气体，满足理想气体状态方程，并且为可压流体Ma＞0.3，选物性参数时ρ＝f(T,P)，Ma-马赫数，ρ-密度，T-温度，p-压力；比热为常量，大小为1148.86焦/千克·开；边界条件进口是驻点，给定总压、总温和来流方向，总压P0 *＝34200Pa，总温T0 *＝1173K；出口条件是，给定排气压力P2＝109960Pa，排气温度T2＝903K。
2.按照权利要求1所述的微型燃机涡轮叶轮的设计方法，其特征在于，通过优化设计最终完成的涡轮叶轮造型，涡轮叶轮由轮毂及叶片组成，轮毂外表面满足子午流道形状，16片涡轮叶片大小相间，其中8片大叶片及8片小叶片沿周向均布。
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