在采用富氧燃气发生器循环的高压补燃循环液氧煤油发动机中,主涡轮的效率和流通面积是进行系统调整计算的重要参数,其偏差直接影响发动机推力调节的准确性。随着研制任务的进展,我国某型液氧煤油发动机主涡轮静子的制造工艺发生了变化。熔模铸造生产的涡轮静子,其蜡模成型工艺由激光快速成型改为金属模具压制后,静子叶片表面状态有明显变化。因此研究叶片表面状态对涡轮性能的影响,对于控制生产质量、改善发动机系统调整计算精度具有重要的工程价值。

以叶轮为工作部件的旋转机械,由于制造和使用工况等因素造成叶片表面粗糙度变化后,会影响边界层分布和流体绕流状态,进而影响叶轮机械的性能。对叶片表面粗糙度的研究主要有整体粗糙度和局部粗糙度两个方面。整体粗糙度增加会降低叶轮机械性能,并且粗糙度越大,性能损失越严重^[1-2]。而叶片局部粗糙度增加带来的影响则有所不同,合理增大粗糙度以及调整其位置分布可以更好地抑制分离、减小叶型损失^[3-4]。

本文所述涡轮静子叶片表面状态的变化严格讲是叶型发生了变化,但又与表面粗糙度类似,因此参考粗糙度的概念进行对比分析。本文针对激光快速成型工艺特点,利用均匀划分的B样条曲线实现涡轮静子叶片不同表面状态的准确模拟,并通过数值计算方法分析其对涡轮性能的影响。

不同工艺的叶片表面状态如图1所示。涡轮静子铸造用蜡模采用快速成型技术(RP:Rapid Prototyping)制备,由于其分层扫描,逐层堆积的工作原理,蜡模表面明显存在分层扫描时形成的台阶^[5-6]。在最终产品上则表现为叶片表面尤其是吸力面有明显的台阶。而利用金属压型模具制备的蜡模表面光洁度很高,实际产品表面粗糙度为6.3 μm。参考粗糙度的概念来衡量,快速成型产品表面粗糙度高达50 μm。快速成型静子最突出的特征是叶片表面的波浪状“台阶”,其台阶方向由蜡模的烧结方向决定,而激光扫描间距以及叶片表面曲率决定了台阶数量及高度。实际生产中后续工艺对台阶进行了适当的圆滑。

图1 涡轮静子叶片表面状态
Fig.1 Surface state of turbine stator blades

为了便于利用数值仿真分析方法,本文利用MATLAB中spcrv函数生成的均匀划分B样条曲线来对叶片表面波浪状“台阶”进行模拟。如图2所示,利用间隔x模拟激光扫描间距,控制叶片表面“台阶”数目; 通过调整B样条阶次控制叶片表面“台阶”高度y及圆滑程度。本文选择了4个阶次(10,20,30,40)的B样条曲线对叶片型线进行拟合,当x=0.25 mm时、吸力面B样条阶次为10,压力面B样条阶次为40时,静叶三维模型与实际产品状态基本一致,如图3所示。B样条阶次越高,拟合曲线与理论型线越接近,其偏差如图4所示,对应的最大偏差分别为54 μm,25 μm,12 μm,7 μm,基本涵盖了快速成型与金属压型产品的表面状态。从吸力面拟合情况也可以明显看出,相对于成型方向当叶片型线斜率越小时拟合偏差越小。

图2 样条曲线模拟叶片表面形状
Fig.2 Spline curve fitting to surface shape

图3 静子三维模型
Fig.3 3D model of turbine stators

流场仿真计算采用NUMECA Fine/Turbo软件进行,湍流模型为Spalart-Allmaras模型; 转静子交界面采用全非匹配的混合平面方法,计算中采用了强化隐式加速收敛技术。实际涡轮工质为高温富氧燃气,由于氧的含量非常高,计算时工质按纯氧气考虑。进口给定总温总压,出口给定平均静压,固体壁面假设绝热并设定相应的转速^[7]。

计算区域包括单个静叶和动叶通道以及动叶顶部泄漏通道,多块结构化网格如图5所示。其中静叶通道展向网格节点数为57,进口周向网格节点数为65,出口周向网格节点数为225; 动叶通道展向网格节点数为57,进口周向网格节点数为85,出口周向网格节点数为89; 通过增大叶片表面流线方向的网格节点数目(吸力面413,压力面213)以及调整节点分布来准确模拟叶片表面的波浪状“台阶”。

图4 曲线拟合偏差
Fig.4 Deviation of curve fitting

图5 计算网格
Fig.5 Computational grids

利用均匀B样条曲线,通过调整控制点间隔和样条阶次,可以实现涡轮静子叶片表面波浪状“台阶”的准确模拟。

图 11 模型A 80%叶高截面马赫数分布
Fig.11 Mach number distribution at 80% span section of model A

静子叶片表面状态对涡轮内部流动有明显的影响,表面越光滑涡轮性能越接近设计值。叶片吸力面偏差对性能的影响要大于压力面的影响。

静子叶片表面偏差达到7 μm时,涡轮性能与设计值偏差仅为1%,完全满足发动机系统调整计算的精度要求。