雙分流葉片跨聲速離心壓氣機流動特性仿真研究

劉貴升，佟鼎，李廣瑞，李晶晶，侯琳琳，花琳，莊麗

(中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室，天津 300400)

離心壓氣機在車用動力、航空航天等方面應用廣泛。目前高壓比跨聲速的離心式壓氣機葉輪廣泛采用分流葉片的型式，因為分流葉片可以改善進口氣流的阻塞情況，又增加了葉輪出口的滑移系數(shù)，能夠有效提升葉輪的工作性能。

國內(nèi)外對離心壓氣機分流葉片的研究工作主要集中在內(nèi)部流動特性仿真[1-5]、葉形優(yōu)化設計方法[6-10]以及流動測試[11-13]等方面，對多分流葉片結構離心壓氣機的研究目前較少。Hirotaka等[14]研究了在主葉片與分流葉片之間的通道內(nèi)再添加分流葉片的雙重分流葉片離心壓氣機設計方案，并進行了CFD仿真分析與內(nèi)部流場結構測量，得到了雙重分流葉片高壓比離心壓氣機內(nèi)部流動特征。Hideaki Tamaki等[15]在渦輪增壓高壓比離心壓氣機壓比提升設計過程中，提出了采用雙分流葉片結構的設計方法，結果表明雙分流葉片能夠有效增加壓比，改善進口激波分布。國內(nèi)學者柳子昂、葛寧[16]在Krain跨音速葉輪的基礎上提出一種雙重分流葉片離心葉輪的改進方法，并進行了數(shù)值仿真分析，結果表明新葉輪比單分流葉片葉輪的絕熱效率提高了1.6%，壓比相當，并增加了堵塞流量，擴大了穩(wěn)定工作范圍。

基于此，本研究以某高壓比跨聲速離心葉輪葉形為基礎，為了進一步強化其性能，開展了雙分流葉片葉形構建及內(nèi)部流動特性的仿真分析，為高壓比離心壓氣機葉輪性能優(yōu)化提供新的思路。

1 初始數(shù)值仿真模型及驗證

研究對象為具有完整試驗數(shù)據(jù)的某跨聲速離心壓氣機葉輪，后續(xù)的雙分流葉片葉形構建均以其為基礎。數(shù)值仿真幾何模型構建包括進口管路、葉輪、無葉擴壓器和蝸殼。原始壓氣機葉輪包含7支主葉片和7支分流葉片，計算區(qū)域劃分及葉輪見圖1。主要幾何參數(shù)見表1。

圖1 計算區(qū)域及葉輪示意

表1 壓氣機主要幾何參數(shù)

葉輪采用單通道，網(wǎng)格劃分采用TurboGrid進行，其他幾何部分在workbench ICEM中進行，總網(wǎng)格數(shù)為120萬，其中葉輪網(wǎng)格數(shù)為60萬。網(wǎng)格劃分示意見圖2。

圖2 初始壓氣機網(wǎng)格結構

計算采用CFX求解器，Shear-Stress Transport湍流模型，一階迎風格式差分方法，四階Runge-Kutta時間項處理方法迭代求解，轉靜交界面為stage。

進口邊界條件為軸向進氣，溫度298 K，壓力101 325 Pa；出口邊界條件為初始壓力、質(zhì)量流量；固壁邊界條件為絕熱，無滑移條件。

計算過程中采用出口條件給定初始壓力，每個轉速下均從大流量向小流量計算，當出口條件壓力響應不明顯時，采用質(zhì)量流量，直到壓比開始下降認為接近壓氣機的失速點；當計算結果中殘差呈上升趨勢、結果參數(shù)值無法收斂時停止計算，認為已到達喘振邊界。

圖3示出計算所得壓氣機級特性和試驗結果的比較。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在各個轉速下，CFD較為準確地預測出了對應的最高效率點和堵塞點位置。CFD結果的最大效率值比試驗結果高2%左右，壓比值略高。

圖3 原始壓氣機特性計算和試驗結果對比

偏差產(chǎn)生的主要原因是實際過程中蝸殼、葉輪和潤滑油都伴有一定的換熱損失，而實際數(shù)值模擬過程中的邊界條件設定的是絕熱壁面，這就導致了實際過程中能量損失，從而使得仿真過程中的絕熱效率要高于試驗值。但從整個工況來看，CFD較好地預測出了對應的高效率點和工作范圍。在各個轉速下，效率和壓比隨流量的變化趨勢基本一致，證明選取的數(shù)值方法是可信的，在之后研究均采用相同的網(wǎng)格模型尺度、計算方法及收斂判斷準則。

2 雙分流葉片葉輪的構建及模型建立

為了進一步改善原型離心壓氣機的性能，以提升其壓比和堵塞流量為目標，采用雙分流葉片的葉輪構型方式。主要措施是降低主葉片數(shù)目，能夠使進口導風輪處葉輪喉道面積增加，改善進口堵塞，同時在兩主葉片之間增加一支短分流葉片，增加葉輪出口的滑移系數(shù)，使葉輪在中后部對氣流的做功能力加強，從而使壓比進一步提升。這樣，長分流葉片可以抑制主葉片壓力面的流動分離，減小了流體加速對主葉片的影響，短分流葉片又可以分別抑制主葉片吸力面和大分流葉片壓力面的流動分離。

基于上述考慮，葉片數(shù)的選取以主葉片數(shù)目小于7片，總葉片數(shù)目大于14片為原則，在原始葉輪7+7葉片數(shù)及葉形的基礎上，選定5+5+5和6+6+6的兩種雙分流葉片數(shù)目，建立相應的葉輪模型。其中雙分流葉片較大的葉片與原始葉輪相同，較小葉片進口位置為主葉片前緣位置的35%。三種葉輪相關參數(shù)和模型示意見表2和圖4。

表2 三種葉輪相關參數(shù)對比

從表2可以看出，相比于原型葉輪1，葉輪2和葉輪3喉道面積有明顯的增加，葉輪2總葉片表面積小于葉輪1，葉輪3總葉片表面積要大于葉輪1。

針對已經(jīng)建立的葉輪葉形，建立仿真模型，葉輪網(wǎng)格劃分采用與初始單分流葉片相同的網(wǎng)格尺度，以保證仿真模型的一致性。網(wǎng)格劃分示意見圖5。

三種葉輪的仿真計算采用相同的蝸殼通道，計算方法和收斂判斷準則保持一致。

3 仿真結果分析

3.1 性能分析

圖6示出三種離心壓氣機葉輪的性能曲線對比。從圖6可以看出，相比于葉輪1(7+7)，葉輪2(5+5+5)和葉輪3(6+6+6)的堵塞流量略有提升，壓比提升較為顯著，隨著流量的減小，葉輪3的壓比提升更高。從效率特性來看，葉輪2整體效率分布要優(yōu)于其他兩種葉輪，最高效率提升約2%。

圖6 三種葉輪壓氣機特性對比

3.2 內(nèi)部流動特性分析

為了詳細分析內(nèi)部流動特性變化趨勢所產(chǎn)生的機理，選定73 000 r/min轉速線中堵塞點和最高效率點為研究對象，詳細分析壓氣機葉輪內(nèi)部流動特性。

3.2.1堵塞工況

圖7示出堵塞工況三種葉輪90%葉高相對馬赫數(shù)分布云圖。通過圖7可以看出，原始葉輪1在主葉片與主葉片，主葉片與分流葉片之間各存在一個通道激波，主葉片之間激波外延逐漸形成脫體激波。在采用雙分流葉片以后(葉輪2與葉輪3)，主葉片與主葉片間激波強度得到有效降低，葉輪2主葉片與分流葉片間的通道激波強度最弱。由于堵塞工況所對應的氣流來流馬赫數(shù)增大，背壓相對變小，葉片前緣的脫體激波離葉片距離減小，逐漸變?yōu)樾奔げǎ唏R赫區(qū)域增大導致了壓氣機進入堵塞狀態(tài)。因此從激波狀態(tài)來看，葉輪2堵塞效果改善最為明顯，這也能夠清晰地揭示流量壓比特性曲線所表征出來的特點。

圖7 堵塞工況三種葉輪90%葉高相對馬赫數(shù)分布云圖

從圖7還可以看出，葉輪1中由于葉頂間隙流與激波過后的亞聲速氣流摻混，對分流葉片兩側氣流造成影響，使得分流葉片兩側形成大范圍的低能流團。低能流團主要附著在分流葉片兩側，對通道下游形成氣流堵塞，損失增大。當采用雙分流葉片以后，葉輪中后部的低能流團得到了有效抑制。

圖8示出堵塞工況三種葉輪90%葉高面熵增分布。由圖8可以更加明顯地看出，在該葉高處，內(nèi)部的流動損失取決于葉輪中后部低能流團的分布，采用雙分流葉片使得這部分的流動特征較葉輪1的單分流葉片得到了明顯的改善，但葉輪2和葉輪3之間差異并不明顯。

圖9示出堵塞工況三種葉輪90%葉高主葉片表面靜壓分布。由于分流葉片前緣對流體的加速和造成的流動堵塞區(qū)域影響到了主葉片壓力面，導致20%～40%處主葉片壓力面靜壓下降，這種現(xiàn)象在三種葉輪中都明顯存在，經(jīng)過這段區(qū)域以后，在葉輪中后部均勻加載。采用雙分流葉片后，葉片數(shù)目的增加使得主葉片主要做功區(qū)域載荷得到了降低。分流葉片能夠分擔主葉片載荷，有助于改善葉輪的結構特性和可靠性。

圖8 堵塞工況三種葉輪90%葉高面靜熵分布

圖9 堵塞工況三種葉輪90%葉高主葉片表面靜壓分布

3.2.2最高效率工況

圖10示出最高效率工況三種葉輪子午面靜壓分布。從圖10可以看出，從壓氣機葉輪進口到出口，葉輪子午面靜壓逐步提升，三種葉輪隨著葉片總數(shù)的增加，出口靜壓提升幅度增大。

圖10 最高效率工況三種葉輪子午面靜壓分布

圖11示出最高效率工況三種葉輪出口總壓分布。從圖11可以看出，葉輪1單分流葉片的出口總壓峰值出現(xiàn)在主葉片壓力面和分流葉片吸力面之間，在主葉片吸力面和分流葉片壓力面之間靠近輪轂處亦存在較大區(qū)域的高壓區(qū)。對于雙分流葉片結構，葉輪2和葉輪3的出口總壓分布類似，但與葉輪1存在一定區(qū)別，分布相對均勻，在長分流葉片壓力面和短分流葉片吸力面之間為峰值高壓區(qū)域，整體均值差異并不明顯，所以與圖6壓比特性上所表現(xiàn)出來的特征一致，在最高效率點，隨著總葉片數(shù)的增加，壓比升高。

圖11 最高效率工況三種葉輪出口總壓分布

圖12示出最高效率工況三種葉輪90%葉高相對馬赫數(shù)分布云圖。由圖12可見，與堵塞工況相比，該工況下激波形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，三種葉輪主要是在主葉片里面葉頂前緣的位置存在一道斜激波，葉輪1激波向主葉片吸力面下游擴展劇烈。葉輪2和葉輪3形態(tài)類似，不同的是葉輪3長葉片吸力面前緣激波強度略高于葉輪2。與堵塞點類似的是，葉輪由于葉頂間隙流與激波過后的氣流摻混，對分流葉片兩側氣流造成影響，使得分流葉片兩側形成大范圍的低能流團。低能流團主要附著在分流葉片兩側，對通道下游形成氣流堵塞，損失增大。當采用雙分流葉片以后，葉輪中后部的低能流團得到了有效抑制。這部分流動也是葉輪內(nèi)部流動損失的主要來源。

圖12 最高效率工況三種葉輪90%葉高相對馬赫數(shù)分布云圖

圖13示出最高效率工況三種葉輪90%葉高面熵增分布。在該葉高處，可以明顯看出內(nèi)部流動損失取決于葉輪中后部低能流團的分布，葉輪1內(nèi)部主要高熵區(qū)位于主葉片壓力面和分流葉片吸力面之間，采用雙分流葉片后這部分的流動特征相比葉輪1的單分流葉片得到了明顯的改善，葉輪2和葉輪3之間差異并不明顯。并且由于葉輪3整體表面積要大于葉輪2和葉輪1，因此其表面的摩擦損失要更高，所以在整體效率特性的表征上(圖6)葉輪2要優(yōu)于葉輪1和葉輪3。

圖13 最高效率工況三種葉輪90%葉高靜熵分布云圖

4 結論

a) 采用雙分流葉片結構能夠改善堵塞工況的流動，降低主葉片前緣激波強度和葉片表面載荷，改善效果明顯；

b) 隨著總葉片數(shù)的增大，整體壓比特性改善，但是較多的葉片會帶來更多的表面摩擦流動損失，使效率下降。