一種微型燃機渦輪葉輪的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及中小型燃氣滿輪裝置中透平膨脹機用的滿輪葉輪，具體為一種微型燃 機滿輪葉輪的設計方法。
【背景技術】
[0002] 微型燃氣輪機（Micro,tuthines)作為廣泛用于小型分布式發電的動力裝置，符 合對能源供給多樣化的發展需求。先進微型燃氣輪機具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消 耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術特征。滿輪葉輪 是微型燃機中一個高速旋轉做功的關鍵零件，將燃機中的燃氣熱量轉換成機械功，滿輪葉 輪的設計直接影響燃機的整個性能。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種微型燃機滿輪葉輪，為了滿足微型燃機的整體性能參 數要求進氣溫度ΤΛ進氣壓力P/、滿輪轉數叫、膨脹比Πτ、輪周效率等。
[0004] 本發明的技術方案是： 陽〇化]一種微型燃機滿輪葉輪的設計方法，具體過程如下：
[0006] (1)向屯、滿輪的一維設計
[0007] 選型是采用近零滿的設計方案，在零滿方案的基礎上，對方案的速比衣進行調整， 使方案的輪周效率η。獲得提高，運時葉輪出口截面上的氣流角將略大于90°;
[0008] (2)向屯、透平的熱力計算
[0009] 在熱力計算中根據總體所給定的透平的初始參數確定方案參數的絕對值，并求出 透平的主要的結構參數：
[0010] Qt= Ι/(1/Φ"-1)/2
[0011] 式中，Qt葉輪中的損失流量，單位kg/s;W2為葉輪出口相對速度，單位m/s;Φ為速 度系數，徑軸式葉輪取Φ= 0. 75~0. 92 ;
[0012] 經熱力計算后，透平的通流部分的幾何形狀確定下來，根據它進行葉輪造型的設 計，進而完成Ξ維造型和流動分析；
[0013] (3)Ξ維幾何建模
[0014] 關于葉輪的造型設計，葉輪的扭葉部分采用非可展的直紋拋物面，將生成的非可 展的直紋拋物面的扭葉片部分過渡為徑向的直葉片，葉輪出口的導流錐的型線采用雙葉 線，它的極坐標方程式是知/1云ill，式中：Ρ為極徑，人為極角，d為雙葉線常數；
[0015] 長葉片的建模是利用向屯、滿輪導風輪中屯、拋物面設計表、排氣邊各點滯后角校核 表和向屯、滿輪導風輪葉片厚度計算表做好導風輪葉型拋物面的數據文件，生成葉片背弧和 腹弧的直紋拋物面，再將拋物面過渡為徑向平面，最后根據子午流道的流線進行修剪就得 到葉輪的長葉片；
[0016] 短葉片的建模是在長葉片的基礎上生成的，W長葉片的中屯、拋物面為基面，將背 弧和腹弧面剪裁生成；
[0017] 最后，將生成的長葉片和短葉片組合在一起，設計完成葉輪模型；
[0018] (4)Ξ維流動分析與結構優化
[0019] Ξ維流動分析的數值模擬是利用流場分析軟件STAR-CD進行的，模擬時將向屯、滿 輪的動靜兩部分同時算，在處理動靜之間的關系時采用STAR-CD中的多旋轉參考系的隱式 方法；素流模型選的是標準的k-ε雙方程素流模型，即高雷諾數k-ε雙方程素流模型；流 體看作是理想氣體，滿足理想氣體狀態方程，并且為可壓流體Ma> 0. 3,選物性參數時Ρ =f化巧，Ma-馬赫數，P-密度，T-溫度，P-壓力；比熱為常量，大小為1148. 86焦/千 克?開；邊界條件進口是駐點，給定總壓、總溫和來流方向，總壓P<；= 34200Pa，總溫T?；= 1173K;出口條件是，給定排氣壓力Ρζ= 109960Pa，排氣溫度了2= 903K。
[0020] 所述的微型燃機滿輪葉輪的設計方法，通過優化設計最終完成的滿輪葉輪造型， 滿輪葉輪由輪穀及葉片組成，輪穀外表面滿足子午流道形狀，16片滿輪葉片大小相間，其中 8片大葉片及8片小葉片沿周向均布。
[0021] 所述的微型燃機滿輪葉輪的設計方法，步驟一中的近零滿設計方案，經過初步的 估算，透平的輪周效率不能小于85%，經過反復調整和篩選，選擇W下四組近零滿設計方案 之一：
[0022] 方案一：葉輪入口絕對氣流角15°，葉輪流道的速度系數0. 94,輪徑比0. 65,葉輪 入口葉片角90。，輪周效率89. 524%，葉輪出口相對氣流角23. 73°，子午加速因子1.05， 葉輪出口絕對氣流角94. 69°，出口截面周速0. 442m/s，葉輪出口絕對流速0. 1882m/s;
[0023] 方案二：葉輪入口絕對氣流角20。，葉輪流道的速度系數0.94,輪徑比0.6， 葉輪入口葉片角90。，輪周效率88. 288 %，葉輪出口相對氣流角29. 71°，子午加速因 子0.9115,葉輪出口絕對氣流角95. 89°，出口截面周速0.408m/s，葉輪出口絕對流速 0.2210m/s；
[0024] 方案Ξ:葉輪入口絕對氣流角20。，葉輪流道的速度系數0.94,輪徑比0.6， 葉輪入口葉片角90。，輪周效率89. 213 %，葉輪出口相對氣流角26.99 °，子午加速因 子0.8187,葉輪出口絕對氣流角95. 16°，出口截面周速0.408m/s，葉輪出口絕對流速 0.1995m/s； 陽0巧]方案四：葉輪入口絕對氣流角20。，葉輪流道的速度系數0.94,輪徑比0.6， 葉輪入口葉片角90。，輪周效率88. 826 %，葉輪出口相對氣流角28. 17°，子午加速因 子0.8585,葉輪出口絕對氣流角95. 48°，出口截面周速0.408m/s，葉輪出口絕對流速 0. 2088 (m/s)。
[00%] 本發明的優點及有益效果是：
[0027] 1、本發明通過一維設計及熱力計算后，確定透平的通流部分的幾何形狀，進行葉 輪基本Ξ維造型，再進行Ξ維流動分析與結構優化，為提高滿輪部件效率而設計的獨特葉 片形狀和排列方式，最終完成滿輪葉輪造型設計。
[0028] 2、本發明滿輪葉輪的設計滿足微型燃機使用要求，微型燃氣輪機作為廣泛用于小 型分布式發電的動力裝置，符合對能源供給多樣化的發展需求。該滿輪葉輪的設計及結構 形狀，也可應用于其他增壓器、中小型燃氣輪機裝置、化工與制冷設備中透平膨脹機用的滿 輪葉輪。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發明子午流道方案示意圖。
[0030] 圖2為本發明葉輪的模型圖。其中，（a)輪穀剖面圖；化）葉輪軸側視圖；（C)為葉 輪俯視圖；（d)葉輪軸側視圖。
【具體實施方式】
[0031] 在具體實施過程中，本發明微型燃機滿輪葉輪的設計方法如下：
[0032] (1)向屯、滿輪的一維設計
[0033] 選型是采用近零滿的設計方案，運種近零滿的設計方案是基于零滿設計方案的。 當透平軸向排氣時，透平的余速損失最小。然而，零滿設計條件下向屯、透平并不具備最小 的流動損失和最高的輪周效率。實際上，向屯、透平流動損失的極小值是出現在葉輪出口絕 對氣流角〇2> 90°條件下的。運樣，在零滿方案的基礎上，對方案的速比^進行適當的 調整，則可使方案的輪周效率η。獲得一定的提高，運時葉輪出口截面上的氣流角將略大于 90° (零滿方案為90°，氣流角大于90°小于96° )，運就是采用的近零滿設計方案。
[0034] 由于微型燃機整機效率的要求，經過初步的估算，透平的輪周效率不能小于85%， 因此經過反復調整和篩選，選出比較理想的四組方案：
[0035] 近零滿設計方案計算結果：
[0036]
[0037] (2)向屯、透平的熱力計算
[0038] 在熱力計算中根據總體所給定的透平的初始參數確定W上各種方案參數的絕對 值，并求出透平的主要的結構參數。葉輪的主要結構尺寸：葉輪進出口直徑、葉輪出口截面 葉片外徑和根徑、流道的曲率半徑、葉輪寬度。
[0039] Qt=Ι/(1/Φ"-1)/2 W40] 式中，Qt葉輪中的損失流量，單位kg/s;W2為葉輪出口相對速度，單位m/s;Φ為速 度系數，一般為徑軸式葉輪取Φ= 0. 75~0. 92。
[0041] 經熱力計算后，透平的通流部分的幾何形狀就可W確定下來。運樣，就可W根據它 進行葉輪造型的設計，進而完成Ξ維造型和流動分析。
[0042] 四種方案經過比較，方案4的葉輪轉動慣量較小，因此選擇方案4進行Ξ維建模。
[0043] (3)Ξ維幾何建模