0 引言
引信涡轮发电机是一种利用弹丸飞行过程中高速来流驱动涡轮旋转,进而使电机电枢的磁通量发生变化,从而产生感应电动势的物理电源,目前广泛用于迫击炮弹、火箭弹的近炸引信与电子时间引信中,其工作性能直接关系到引信系统的可靠性[1,2]。然而,涡轮发电机的外弹道环境十分复杂,以120mm迫弹为例,从炮口发射到落点,弹丸要经历截然不同的工况:炮口处的高动压环境会对涡轮叶片形成瞬时强冲击,弹道顶点的低密度大气会因气体介质特性改变影响叶片受力,而落点附近的气流扰动则会让载荷呈现不规则波动。弹道过程中剧烈变化的风速、压力导致叶片承受复杂非定常气动载荷,引信涡轮叶片为满足微型化需求,厚度通常仅0.1-0.5mm,多采用高强度工程塑料,这种薄壳结构在动态风载荷下极易产生弹性形变,进而影响发电效率与可靠性[3]。
在航空发动机、涡轮机械等领域,流固耦合技术是叶片性能分析的核心手段。亢顺德等[3]针对航空叶片开展双向热流固耦合研究,揭示了温度与压力对叶片变形的主导影响;宋嘉涛等[4]聚焦离心压气机叶片,明确了离心载荷与气动载荷的耦合形变规律。但此类研究多围绕大型叶片展开,其结构尺度与力学特性均与引信涡轮厘米级、低刚度的微型化特征存在显著差异,适配性不足。引信涡轮发电机领域的研究已积累了较为丰富的成果:朱继南、李福松等[5,6]团队聚焦于引信涡轮发电机的发电模型研究,建立了引信涡轮系统数学模型,提出控制输出电压的方法,解决了特殊情况下发电机不工作的问题等;徐长江[7]提出基于三维流场数值计算与涡轮转速迭代的引信用侧进气涡轮发电机设计方法,系统优化了导气槽、叶轮等关键参数并建立完整设计模型,经试验验证该方法可满足工程设计要求。然而现有引信用涡轮发电机的叶片研究多基于刚性叶片假设,未充分考虑动态风载荷下叶片形变对流场及气动性能的反向影响。综上,尽管大型旋转机械的流固耦合研究已较为成熟,但针对引信涡轮发电机这类工作周期短、过载极高、工况瞬变的微型装置,其气动弹性问题的系统性研究仍显欠缺,无法满足先进引信对供电稳定性的高精度设计需求。
因此,本文以某型引信涡轮发电机为研究对象,提出一套顺序气动-结构耦合仿真分析流程。通过选取三个特征弹道点,量化分析了引信涡轮叶片在真实弹道风载下的变形规律,并评估了该变形对输出扭矩这一关键性能参数的影响,旨在论证在引信涡轮发电机设计中考虑耦合效应的必要性,为高保真性能预测与稳健性设计提供方法参考。
1 计算模型与数值方法
1.1 典型弹道工况
基于已建立的120mm迫击炮弹外弹道仿真模型,绘制120mm迫击炮弹典型外弹道特性曲线,见图1。呈现了射程、射高与速度随飞行时间的演化规律,直观反映了全弹道环境变化,弹丸飞行速度随飞行时间呈现先降低、后小幅回升的趋势。
基于弹道特征提取三个特征点的环境参数作为CFD仿真的输入条件。选取原则如下:1)出炮口点:弹丸刚出炮口的瞬间状态,此时弹丸飞行速度最大,叶片承受载荷最大,代表最高动压、最大气动载荷工况;2)弹道顶点:代表空气密度最低,飞行速度最低,载荷特性显著变化的工况;3)落点附近:代表速度与压力介于两者之间的典型巡航工况。具体边界条件参数如表1所示。
表1 典型弹道工况CFD仿真边界条件Table 1 CFD simulation boundary conditions for typical ballistic trajectory |
| 工况 | 相对空气 流速(m/s) | 静压 (Pa) | 静温 (K) | 空气密度 (kg/m3) | 马赫数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 出炮口 | 269 | 91544 | 282.64 | 1.1283 | 0.8396 |
| 弹道顶点 | 115 | 73539 | 272.04 | 0.8442 | 0.3942 |
| 落点附近 | 172 | 84700 | 278.34 | 0.9372 | 0.5538 |
1.2 几何模型与材料参数
导流外壳的进气道采用了进气均匀、结构简单的中心孔直进气道[11]。合理的进气口结构与安装位置引是信气动发电机的基本要求之一,引信的三种典型进气口为等截面直孔柱形、等截面环隙柱形、变截面喇叭形孔口[12]。由于主要研究对象为风轮,导流外壳进气口选用直进气管,旨在排除变截面管流场畸变等附加因素干扰,聚焦分析涡轮叶片自身变形规律及对气动性能的影响机理,分析结论可为工程常用的变截面管进气方案提供基础参考。引信涡轮发电机排气孔的设计需兼顾两个核心要素:一是截面积需与进气孔匹配,通常建议排气孔面积为进气孔的两倍;二是必须考虑超音速环境下激波带来的气动影响。在结构布局上,排气孔应与涡轮部件保持齐平,并设计一定的倾斜角度,以优化气流排出效率[7]。
式中,t是翼型的最大厚度,这个式子给出的最大厚度的弦向位置在30%弦长处。前缘半径表达式为
r前=1.1019t2
中弧线方程表达式为
式中,f代表翼型的中弧线最大弯度,p代表翼型的最大弯度位置系数。翼型的上下翼面的坐标为(x上,y上),(x下,y下)
式中,θ是中弧线在弦向位置x处的切线之斜角。前缘半径的圆心位于中弧线在0.05弦点的切线上[15]。本研究中涡轮叶片的弦线轮廓基于NACA翼型方程生成,同时结合引信涡轮的实际发电效能需求,参考工程实物的装配与流场适配特性对叶型局部形态进行了适应性调整,以更好地匹配引信涡轮发电机的实际工作环境与性能目标。
涡轮发电机的材料参考某单兵末修火箭弹机电引信上使用的涡轮发电机型号SY-1的材料,风轮的材料为PA1010,外壳的材料为PA66[17]。该涡轮材质既能满足轻量化要求,又具备一定抗形变能力,但在高动压下仍会呈现明显弹性特性。同时,模型简化了涡轮发电机中的转子轴、顶轴板、轴承、转自、线圈等结构,只关注风轮的气动变形。
表2 涡轮发电机零件材料模型参数Table 2 Material parameters of key components of turbine generator |
| 名称 | 材料 | 密度 ρ(g/cm3) | 弹性模量 E(GPa) | 泊松比λ |
|---|---|---|---|---|
| 风轮 | PA1010 | 1.05 | 1.07 | 0.34 |
| 外壳 | PA66 | 1.14 | 8.3 | 0.28 |
1.3 计算流体力学方法与多参考系模型(MRF)
首先,基于Fluent瞬态求解器,采用重叠网格技术开展风轮启动阶段的气动仿真,该技术通过动静网格的动态重叠与插值算法,捕捉气流作用于静止叶片表面形成压力差后,风轮从静止状态逐步加速至被动旋转稳态的全过程流场演化特征,最终获得刚性叶片的表面压力载荷与风轮被动旋转对应的角速度。
结构分析环节采用ANSYS Mechanical,先将气动仿真所得的表面压力载荷映射至叶片表面,同时施加由等效旋转角速度。考虑到高速旋转工况下,应力刚化这一非线性因素不可忽略,尽管离心力会使叶片产生径向伸长,但伴随伸长产生的拉伸应力,会实际提升叶片抵御横向弯曲的名义刚度,因此在仿真中开启大挠曲(Large Deflection)功能,以精准捕捉这种由受力引发的刚度变化。
气动扭矩是关联涡轮气动性能与发电性能的核心参数,其与负载扭矩的动态平衡关系决定了风轮的稳态转速,叶轮动力学方程如下:
J $\frac{d\omega }{dt}$ =Mω-Me-Mf
其中,J代表转子和叶轮的转动惯量,Mω为气流产生的驱动力矩,Me为电磁阻力矩,Mf为摩擦阻力矩[21]。
风轮启动阶段,驱动力矩大于负载扭矩和摩擦阻力矩,净扭矩为正且快速下降,此时风轮转速持续上升;后期净扭矩趋近于零,风轮进入转速调整区,最终趋于稳态平衡;当气动扭矩等于稳态扭矩时,转速达到稳态。对于特定设计的发电机,其内部电磁阻力矩与转速具有确定的匹配关系。当载荷诱导叶片发生气动弹性变形后,若计算所得的气动扭矩显著低于刚性设计值,表明变形后的叶片几何捕获气流能量的能力下降,会直接造成轴功率输出的亏损。这种扭矩跌落不仅减小了发电机的启动力矩余量,更会导致发电机在高转速下因驱动力矩不足而无法达到额定负载,从而在宏观上表现为发电功率的下降。因此,通过对比MRF稳态仿真中的扭矩变化,能够定量、客观地评估结构形变对引信电源能量转换性能的负面作用。
本研究选取单向顺序耦合结合MRF方法和重叠网格方法,是综合研究对象特征、研究目标及工程算力条件的最优选择,与引信涡轮发电机微型化、瞬变工况的特性高度匹配。针对涡轮叶片分析的主流方法还包括双向瞬态流固耦合、滑动网格法等。相比之下,单向顺序耦合方法在保留气动-结构耦合关联的基础上,大幅提升了计算效率,重叠网格捕捉被动旋转引起的角速度,结合的MRF方法可高效、精准模拟涡轮旋转下的稳态流场特性,三者结合的方法体系可充分满足本研究的分析需求。
为验证网格密度对计算结果的影响,本次研究生成了三套不同密度的网格:网格1,单元数338w;网格2,单元数776w;网格3,单元数1309w。在相同的计算模型与边界条件下,提取关键参数气动扭矩进行对比。对比结果表示,网格2和网格3的参数重合度较高,相对变化率为1%,表明继续加密网格对计算结果的影响已可忽略。因此本次研究选用网格2作为最终的计算网格,以兼顾计算精度与效率。
2 计算结果与分析
2.1 叶片载荷解耦与初始叶片分析
下图展示了炮口工况下刚性叶片表面的静压分布云图。
从该初始气动载荷云图可以看出,叶片压力面与吸力面呈现出显著的载荷分布差异:叶片压力面在靠近轮毂的前缘区域出现明显的高压集中,压力值最高可达145000Pa,呈现红黄色分布,这是气流冲击迎流面时动能转化为压力能的直接结果;而叶片吸力面整体处于中低压状态,压力值多分布在90000~120000Pa区间,以蓝绿色为主,源于气流在背风面加速流动导致的静压下降。压力面与吸力面之间的压力差沿叶片展向和弦向存在明显梯度,叶根与前缘区域压差最大并向外逐渐减小,这种压差分布不仅是驱动叶轮旋转的核心气动扭矩来源,也为后续结构形变分析提供了关键的载荷输入依据。
通过对比图5(a)与图5(b)的变形云图,可清晰揭示两种载荷对叶片变形的主导性差异。图5(a)中气动压力载荷诱导的叶片最大变形量仅为8.46702×10-4mm,变形主要集中在叶片前缘与吸力面的局部区域,呈现低幅值的局部弯曲特征,其分布与压力面和吸力面的压差直接相关;而图5(b),在10000rad/s的角速度下,离心载荷诱导的叶片最大变形量高达1.72372×10-1mm,是气动压力载荷变形量的200倍以上,变形沿叶片径向向外显著扩展,叶尖区域呈现明显的拉伸与弯曲耦合变形,且所有叶片的变形模式高度一致,与离心载荷的径向拉伸效应完全吻合。这一量化对比结果直接验证了离心载荷是引信涡轮叶片变形的主导因素,而气动压力载荷的影响相对微弱。
结合图6弹道顶点(角速度3000rad/s)、图7落点附近工况(角速度6000rad/s)的变形云图,可进一步验证这一规律:仅在气动压力载荷作用时,两工况下叶片的最大形变量均维持在10-4mm量级;而在离心载荷单独作用时,叶片的最大形变量跃升10-2mm量级,通过定量分析可知,离心载荷对总变形的贡献占比稳定在98%以上。这一跨工况的一致性结果表明,离心载荷主导叶片形变是引信涡轮在全弹道飞行过程中的共性特征,并非单一工况下的偶然现象。该结论不仅为后续针对离心载荷的结构优化设计提供了明确的理论依据,也进一步揭示了转速越高,扭矩降幅越显著的气动性能变化机制,即高转速下更强的离心载荷引发更大的叶片几何畸变,进而导致气动扭矩的显著损失。从力学本质来看,离心载荷是引信涡轮气动弹性分析中导致结构失效的根本诱因,而气动载荷的贡献在量级上可视为次要扰动。
图8跨工况变形对比云图可以看到,不同工况下叶片的变形模式存在明显差异:弹道顶点工况下叶片整体变形量极小,最大仅为0.027mm,变形主要表现为前缘的轻微弯曲,无明显扭转变形,说明该低转速工况下离心载荷与气动载荷的作用均较弱;落点附近工况的最大变形量增至0.061mm,除前缘弯曲外,还出现了明显的扭转变形,叶尖区域沿展向呈现扭转趋势,这是离心载荷的径向拉伸与气动载荷的局部压差共同作用的结果;出炮口工况的变形最为显著,最大变形量达0.17mm,叶尖区域呈现强烈的拉伸与弯曲耦合变形,同时伴随明显扭转,叶片整体几何形态大幅偏离设计状态,这一特征与高转速下离心载荷的主导拉伸效应完全吻合。
2.2 变形前后气动性能对比分析
图9为出炮口工况变形后的气动载荷云图。
叶片压力面的高压区域主要集中在靠近轮毂的局部位置,范围明显收缩,最高压力值较刚性叶片有所降低;吸力面的低压区出现抬升,整体压力水平有所上升。这表明变形导致叶片表面的压力梯度趋于平缓,原本清晰的压力面、吸力面压差分布被削弱。与图4未变形的刚性叶片载荷云图相比,刚性叶片的高压区在压力面前缘与轮毂区域呈连续分布,压力梯度陡峭,与吸力面形成稳定且显著的压差,其值约为45000Pa;而变形后,高压区的连续性被破坏,压力梯度变缓,压力面与吸力面的压差明显收缩,其值约为25000Pa。这种近20000Pa的压差减小直接导致叶片捕获气流能量的能力下降,进而引发气动扭矩的损失。
气动扭矩是涡轮发电机将气流能量转化为机械能量的核心指标,直接决定发电功率的输出水平。根据稳态多参考系(MRF)仿真结果,提取了刚性模型与考虑离心载荷和气动载荷变形后的涡轮输出扭矩,量化对比了3个典型弹道工况下,叶片变形前后的涡轮输出气动扭矩变化特征,见表3。
表3 不同工况下变形前后涡轮输出气动扭矩对比Table 3 Comparison of turbine aerodynamic torques before and after deformation under different conditions |
| 工况 | 变形前扭矩 T0(N·m) | 变形后扭矩 T1(N·m) | 扭矩变化 △T(N·m) | 相对变化 率(%) |
|---|---|---|---|---|
| 炮口点 | 0.051327276 | 0.037674676 | -0.01365 | 26.599 |
| 弹道 顶点 | 0.0084196771 | 0.0085034646 | 0.0000837875 | 0.995 |
| 落点 附近 | 0.019932137 | 0.016987356 | -0.029448 | 1.477 |
数据表明,在三个工况下,叶片变形均导致输出扭矩下降,其中炮口高动压工况的扭矩损失最为严重,高达26.577%。弹道顶点工况由于载荷较小,转速较小,变形量最小,扭矩损失也相对最小。落点工况则介于两者之间。原因是炮口点对应弹丸出膛后的最高转速,离心载荷最大,叶片形变量显著大于其他工况,气动外形的偏离程度更严重,导致气流驱动效率的降幅更明显。
多数工况下,叶片变形后扭矩呈下降趋势,这是由于高转速下形变量过大,叶片扭矩程度过高,由于几何畸变,气流在叶片吸力面提前发生分离。这不仅减小了驱动涡轮旋转的升力,还由于失速涡的存在,增加了额外的形状阻力,从而在合力矩上表现为净扭矩的剧烈衰减。且离心力导致的叶片扭转使气流不再沿设计角度入射,导致叶片表面的压差包络面积大幅收缩。但弹道顶点工况出现了微小的扭矩上升,这一特殊现象的原因可能是:弹道顶点对应弹丸飞行的最低转速,叶片形变量极小,且形变方向恰好小幅优化了局部气动外形,但该优化效应仅在低载荷下体现。
炮口点是引信涡轮发电机的高负荷启动阶段,此时变形导致的扭矩降幅超过25%,会直接造成发电功率的大幅衰减,该工况下的扭矩衰减可能导致发电机无法维持在设计电压下工作,甚至导致高空高速环境下引信电源的启动失败或断电。
2.3 变形影响机理讨论
结合以上结果,分析叶片变形影响气动性能的机理。离心力以高转速为激励源,是叶片径向伸长、扭转变形的主导载荷,其通过改变叶尖间隙与转子旋转惯量,构成变形对效率的间接作用通道;气动载荷体系中,来流马赫数驱动的气动压力诱发叶片轴向弯曲,而压力分布不均带来的气动扭矩则直接改变叶片攻角,二者共同通过恶化气动外形、诱发气流分离,形成变形对效率的直接衰减路径;材料特性的低弹性模量作为结构响应的放大因子,显著增强了上述载荷作用下的位移响应。叶片离心变形引发的几何畸变,直接导致入流角、出流角偏离模型基础值,破坏了气流在叶片表面的顺畅附着,成为气动压差收缩、驱动力矩下降的重要中间环节,也印证了入流角、出流角对涡轮气动性能的关键影响。
该耦合机制表明,叶片变形是“外部载荷激励-结构力学响应-气动性能衰减”的链式过程,其中离心载荷的主导作用与低模量材料的放大效应,是引信涡轮叶片变形的核心控制要素,为后续涡轮结构的载荷优化、材料选型、刚度强化协同设计提供了的理论依据。
3 结论
本文通过建立一套完整的顺序气动-结构耦合仿真流程,对120mm迫弹引信涡轮发电机在典型亚音速弹道工况下的动态特性进行了研究,得出以下结论:
1)变形源头识别:明确了引信涡轮叶片的变形主要由高转速产生的离心载荷引起,气动风载荷的影响相对微弱。
2)性能退化机理:引信涡轮叶片在弹道风载下会发生不可忽视的气动弹性变形,离心载荷诱导的叶片几何畸变会改变其有效气动外形与局部攻角,压缩气动压差的做功效率,最终导致气动扭矩损失;本研究工况下,变形后的扭矩降幅最高达26.6%,证实刚性叶片假设会在性能预测中引入显著误差。
3)工程意义:在开发基于柔性材料的微型涡轮时,应重点校验离心力载荷下的结构刚度,而非单纯考虑气动力强度。
结果表明,为了实现引信涡轮发电机的高精度性能预测、优化设计以及可靠性评估在设计和分析阶段必须考虑气动载荷与结构变形之间的耦合效应。将耦合分析纳入设计闭环,或进行基于变形预测的预变形设计补偿,是提升产品性能与可靠性的潜在途径。研究仍存在局限性:一是未考虑温度与载荷的耦合效应,而相关试验表明温度会加速叶片材料老化[27],后续可拓展“热-气动-结构”三场耦合分析;二是仿真结论尚未经实弹试验验证,需通过试验进一步明确实际工况下的性能偏差。对于更高精度的动态特性分析,双向瞬态流固耦合结合滑动网格法为更优方法,未来工作可进一步探索双向瞬态流固耦合以捕捉更动态的相互作用,并考虑材料非线性、温度效应以及疲劳损伤对叶片长期性能的影响。