進口端壁導(dǎo)葉對離心壓氣機特性影響研究

田紅艷，侯 康，佟 鼎，劉欣源

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院 國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實施工具工程技術(shù)研究中心，天津 300401；2.中國北方發(fā)動機研究所 柴油機增壓技術(shù)重點實驗室，天津 300400)

0 概述

離心壓氣機在航空航天、車輛動力及能源化工等方面都有著廣泛的應(yīng)用。隨著需求的強化，要求離心壓氣機滿足高壓比、高效率的同時，還要有較寬的流量范圍。關(guān)于提升離心壓氣機流量范圍的方法，除了對離心葉輪本體進行氣動葉型設(shè)計之外，蝸殼的機匣處理[1-5]、進氣預(yù)旋[6-7]等外部流動控制改進技術(shù)措施也是目前研究的熱點。進氣預(yù)旋是指采用導(dǎo)葉改變壓氣機進口氣流切向速度來重構(gòu)葉輪進口的速度三角形，從而影響離心壓氣機的特性。對于進氣預(yù)旋，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作。文獻[8-9]中采用粒子圖像測速儀測量了壓氣機進口處的速度場，結(jié)果表明采用切向進氣裝置能夠擴大壓氣機的流量范圍。文獻[10]中對帶有進氣預(yù)旋的單級離心壓縮機流動特性進行了仿真研究，研究表明在進口大預(yù)旋條件下，除蝸舌外的周向位置外，葉輪內(nèi)流動參數(shù)和主葉片受力趨于周向?qū)ΨQ分布。文獻[11]中以增壓器無葉擴壓離心壓氣機為研究對象，進行了壓氣機預(yù)旋導(dǎo)葉及擴壓器的重新設(shè)計，研究結(jié)果表明壓氣機進口預(yù)旋在保證壓氣機最高效率情況下，能夠使壓氣機的流量范圍拓寬16.7%。文獻[12]中對某軸流進口導(dǎo)葉渦輪增壓器開展了相應(yīng)的研究工作，指出負預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機效率下降4個百分點，而正預(yù)旋導(dǎo)葉使效率下降1個百分點的結(jié)論。文獻[13]中對軸向和徑向不同的導(dǎo)葉形式開展了研究工作，發(fā)現(xiàn)相同導(dǎo)葉葉片角度對壓比的影響基本相同。文獻[14]中試驗分析了軸向進氣導(dǎo)葉葉輪出口氣流角，得到了在進氣導(dǎo)葉影響下的葉輪出口氣流角分布規(guī)律。文獻[15]中針對高壓比壓氣機MAP需求，通過正負預(yù)旋導(dǎo)葉調(diào)節(jié)了壓氣機喘振/堵塞裕度。文獻[16]中提出了一種新型的預(yù)旋方法，在離心壓氣機進氣道內(nèi)壁設(shè)計了一排周向分布的孔，對輪緣附近的氣體進行預(yù)旋，結(jié)果表明該方法可以有效擴展壓氣機在各轉(zhuǎn)速下的工作范圍，增強壓氣機穩(wěn)定性。文獻[17]中對進氣預(yù)旋開展了相應(yīng)的研究工作，提出了一種有效提升壓氣機穩(wěn)定工作范圍的預(yù)旋結(jié)構(gòu)，并進行了仿真與試驗分析。文獻[18]中采用優(yōu)化算法優(yōu)化導(dǎo)向葉片，以降低壓縮機的質(zhì)量流量和功率并顯著提高效率。文獻[19]中討論了進口導(dǎo)葉對壓氣機和泵預(yù)旋的調(diào)節(jié)作用，指出進口導(dǎo)葉在葉輪進口誘導(dǎo)流體速度旋轉(zhuǎn)，正預(yù)旋可以減小葉輪內(nèi)的二次流和回流，改善非設(shè)計工況的性能，而一定的負預(yù)旋可以減小大流量下葉輪進口沖擊損失，但隨負預(yù)旋角度的增大，回流現(xiàn)象惡化，沖擊損失增大。同時進口導(dǎo)葉的截面形狀、與葉輪進口的軸向距離等也會影響壓氣機性能。文獻[20]中研究了軸流壓氣機近失速點性能與可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的影響規(guī)律，研究表明旋轉(zhuǎn)葉片向著葉片前緣吸力面方向可以推遲失速發(fā)生。

本文中針對進口端壁導(dǎo)葉對離心壓氣機特性影響開展了相應(yīng)的研究工作，分別討論了堵塞工況、最高效率工況和小流量工況下，正負預(yù)旋導(dǎo)葉對離心壓氣機性能的影響，給出了一種可以有效調(diào)節(jié)離心壓氣機性能的端壁導(dǎo)葉預(yù)旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式簡單，易于加工和安裝，具有較好的工程應(yīng)用價值。

1 數(shù)值仿真模型及標定

以某進口無導(dǎo)葉離心壓氣機為研究對象。幾何模型依據(jù)實物構(gòu)建，包括進口管路、葉輪、無葉擴壓器和蝸殼。壓氣機的葉輪由7支主葉片和7支分流葉片組成，計算區(qū)域劃分及葉輪如圖1所示。主要幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 計算區(qū)域及葉輪示意圖

表1 壓氣機主要幾何參數(shù)

采用全周葉輪通道網(wǎng)格和蝸殼進行計算，用TurboGrid對葉輪進行網(wǎng)格劃分，并進行周向網(wǎng)格復(fù)制，其他幾何部分在Workbench ICEM中進行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)量370萬，其中葉輪網(wǎng)格數(shù)量208萬，網(wǎng)格劃分示意圖見圖2。

圖2 離心壓氣機網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

仿真計算通過ANSYS-CFX求解，選用SST湍流模型，差分方法為一階迎風(fēng)格式，轉(zhuǎn)靜交界面為Stage速度平均處理。壓氣機進口溫度298 K，初始壓強為101 325 Pa。 固壁邊界條件為絕熱，無滑移條件。數(shù)值計算過程中壓氣機出口條件給定初始靜壓，由大流量工況向小流量計算，當出口靜壓條件響應(yīng)不明顯時改用質(zhì)量流量，直到接近壓氣機的失速點使殘差呈上升趨勢而計算結(jié)果的各個參數(shù)值無法收斂時停止計算，認為已達到離心壓氣機喘振工況。其收斂性判定依據(jù)：(1) 全局殘差和各仿真參數(shù)殘差下降3個量級；(2) 進出口流量相對誤差小于0.5%；(3) 效率和壓比特性收斂至定值或出現(xiàn)周期性震蕩。

為了驗證數(shù)值仿真模型的正確性，首先對進口無導(dǎo)葉離心壓氣機開展性能臺架試驗，壓氣機特性試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖3所示。從中可以看出在不同轉(zhuǎn)速下，數(shù)值模擬都能較為準確地預(yù)測出對應(yīng)的最高效率點和堵塞點位置，仿真結(jié)果的大流量工況的效率和壓比值略高。分析認為仿真性能與試驗結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因在于：一是數(shù)值仿真模型與真實試驗樣機的差異，仿真模型中的間隙，壁面設(shè)置為標準狀態(tài)，而真實的樣機存在加工偏差、壁面粗糙度等問題，會產(chǎn)生一定的誤差。二是仿真條件與真實試驗測量的差異，仿真時性能參數(shù)的計算依賴于計算域的選取，邊界條件可以按照理想狀態(tài)設(shè)定為絕熱壁面，但是實際測量時性能測點存在一定程度的不穩(wěn)定性，且壓氣機蝸殼、葉輪和潤滑油都有一定的熱量損失，同時在壓氣機性能試驗中測量參數(shù)的不均勻和波動都會造成測量的誤差，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在差異。但從整個工況來看，數(shù)值模擬都較好地預(yù)測出了對應(yīng)的高效率點和工作范圍，誤差在可接受范圍內(nèi)。之后的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。

圖3 壓氣機特性仿真和試驗結(jié)果對比

2 進口端壁導(dǎo)葉預(yù)旋結(jié)構(gòu)

2.1 進氣預(yù)旋原理

進氣預(yù)旋結(jié)構(gòu)一般布置在離心壓氣機葉輪進口前端，通過改變壓氣機進口氣流切向速度來重構(gòu)葉輪進口的速度三角形。

圖4 壓氣機葉輪進氣預(yù)旋速度三角形示意圖

2.2 進口端壁導(dǎo)葉預(yù)旋結(jié)構(gòu)

本研究中的進口端壁導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)是在文獻[16]中研究工作的基礎(chǔ)上提出的，將預(yù)旋導(dǎo)葉布置于壓氣機進口管路的端壁上，結(jié)構(gòu)更容易實現(xiàn)，選定兩種導(dǎo)葉，分別為正、負預(yù)旋30°，采用等長等靜葉出口角流型設(shè)計，同時由于空間結(jié)構(gòu)限制，選定周向?qū)~數(shù)目為10支，導(dǎo)葉葉片右側(cè)與壓氣機葉輪進口距離為 26 mm，導(dǎo)葉軸向長度為24 mm，葉高12 mm，具體結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 進口端壁導(dǎo)葉機構(gòu)示意圖

建立具有端壁進氣導(dǎo)葉的離心壓氣機幾何模型，建立數(shù)值仿真模型，為了保證數(shù)值仿真的一致性，網(wǎng)格尺度和前述標定模型保持一致。壓氣機進口端壁導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分見圖6。

圖6 壓氣機進口端壁導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分

3 仿真計算結(jié)果分析

3.1 壓氣機特性結(jié)果

針對建立的數(shù)值仿真模型進行計算，選定 70 000 r/min、80 000 r/min和90 000 r/min為計算對象，采用相同的收斂性判定準則進行性能計算。圖7是不同轉(zhuǎn)速情況下無預(yù)旋導(dǎo)葉和預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機仿真計算結(jié)果的對比圖。從流量-壓比的性能曲線可以看出，正預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機的阻塞流量和喘振流量向小流量方向偏移，負預(yù)旋導(dǎo)葉在流量特性上與正預(yù)旋剛好相反，使壓氣機特性向大流量工況偏移。以中間轉(zhuǎn)速80 000 r/min為例，存在正預(yù)旋導(dǎo)葉時，離心壓氣機堵塞流量偏移6.0%，喘振流量偏移14.4%。同樣在該運行轉(zhuǎn)速，存在負預(yù)旋導(dǎo)葉時，離心壓氣機堵塞流量偏移1.8%，喘振流量偏移4.0%。從流量-效率特性可以看出正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠提升離心壓氣機最高效率和小流量工況下的效率特性，低速時最高效率可提升0.5個百分點。負預(yù)旋導(dǎo)葉使離心壓氣機效率大幅度下降，最高效率最多可下降約4個百分點。

圖7 不同壓氣機轉(zhuǎn)速下仿真計算結(jié)果對比

3.2 內(nèi)部流動特性分析

為了探明離心壓氣機特性變化的產(chǎn)生機理，以80 000 r/min為研究對象，分析不同工況點(堵塞、最高效率、小流量工況)的內(nèi)部流動特性變化。

3.2.1 堵塞工況分析

圖8給出了無預(yù)旋導(dǎo)葉、負預(yù)旋導(dǎo)葉和正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機葉輪90%葉高的相對馬赫數(shù)分布。從圖中結(jié)果可以看出，對于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機，在葉輪主葉片和分流葉片吸力面存在高馬赫數(shù)區(qū)域，主葉片的前緣處有一道脫體曲線激波，這道激波的下半截伸向相鄰葉片的吸力面延伸，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǖ兰げ?，且大體上接近于正激波的形狀。由于進口預(yù)旋導(dǎo)葉的存在，激波的形態(tài)發(fā)生了較大的變化，負預(yù)旋導(dǎo)葉使激波增強，正預(yù)旋導(dǎo)葉可以降低主葉片前緣的激波強度。由于激波的增強帶來了額外的流動損失是流量-效率特性上負預(yù)旋導(dǎo)葉使效率降低的原因。在葉輪出口處，無預(yù)旋和預(yù)旋影響的離心壓氣機均存在低能流團，主要是受葉頂分離流動和出口分離流動影響產(chǎn)生的。正預(yù)旋和無預(yù)旋離心葉輪低能流團分布差異不大，負預(yù)旋進口的離心葉輪低能流團分布范圍略有降低。

圖8 堵塞工況葉輪90%葉高相對馬赫數(shù)分布

圖9為葉輪進口相對氣流角隨葉高位置(沿葉高由輪穀到輪蓋方向)的變化圖。由圖9可以看出，進口預(yù)旋導(dǎo)葉的存在明顯改變了葉輪進口60%葉高位置以上范圍的相對氣流角，這與導(dǎo)葉徑向高度相對應(yīng)。負預(yù)旋導(dǎo)葉使該區(qū)域氣流角絕對值增大，而正預(yù)旋作用相反，降低了進口相對氣流角的絕對值。葉片進口角為62°，從圖中可以看出正預(yù)旋能夠使得入流氣流沖角變小，從而帶來效率的提升。

圖9 堵塞工況葉輪進口相對氣流角隨葉高位置變化

圖10是葉輪進口相對速度隨葉高位置的變化圖。從圖10中可以看到，預(yù)旋導(dǎo)葉在改變了葉輪進口相對氣流角的同時，也改變了進口的相對速度分布，相比于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機，負預(yù)旋導(dǎo)葉使進口速度增加，正預(yù)旋導(dǎo)葉則降低了進口的速度分布。速度的增加使得堵塞流量增加，這與壓比-流量特性上預(yù)旋導(dǎo)葉的作用相對應(yīng)，負預(yù)旋導(dǎo)葉增加了堵塞流量，而正預(yù)旋導(dǎo)葉使堵塞流量略有降低。

圖10 堵塞工況葉輪進口相對速度隨葉高位置變化

3.2.2 最高效率工況分析

從流量-效率變化曲線(圖7)可以看出，對于分析對象80 000 r/min，相比于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機，正預(yù)旋導(dǎo)葉可以使壓氣機最高效率有所提升，而負預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機效率明顯下降。下面將從內(nèi)部流動特性分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

圖11給出了最高效率工況葉輪子午面靜熵分布。從圖11可以看出，高熵區(qū)主要位于葉輪葉頂部分，影響范圍約占子午通道面積的1/5,從葉輪進口一直延伸至葉輪出口，這說明在最高效率工況，造成通道內(nèi)流動損失的主要原因在于葉頂間隙泄露和主流道流動。對比3種情況，負預(yù)旋導(dǎo)葉造成葉輪通道流道損失最大，正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機葉輪最小。

圖11 最高效率工況葉輪子午面靜熵分布

圖12是最高效率工況葉輪表面的靜熵分布。葉輪表面的靜熵主要體現(xiàn)流體與葉輪表面的摩擦損失的大小，從圖12中可以看出，葉輪表面的高熵區(qū)主要位于葉輪進口吸力面葉頂處，隨著葉高的降低，流體速度降低，摩擦損失變小。相比于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心葉輪，負預(yù)旋導(dǎo)葉離心葉輪葉頂高熵區(qū)峰值及區(qū)域明顯增大，而正預(yù)旋導(dǎo)葉所起作用剛好相反，能夠有效降低葉輪葉頂部分的高熵區(qū)域。結(jié)合圖11的分析結(jié)果，可以清晰地解釋預(yù)旋導(dǎo)葉在流量-效率上所體現(xiàn)的變化趨勢。

圖12 最高效率工況葉輪表面靜熵分布

造成效率特性變化原因主要是進口導(dǎo)葉所起的作用。圖13給出了最高效率工況葉輪進口相對氣流角隨葉高位置變化情況，與堵塞點分布相類似(圖9)，進口預(yù)旋導(dǎo)葉改變了葉輪進口60%葉高位置以上范圍的相對氣流角，負預(yù)旋導(dǎo)葉使該區(qū)域氣流角絕對值增大，而正預(yù)旋降低了進口相對氣流角的絕對值，從而使葉輪進口氣流沖角與葉輪設(shè)計值相對應(yīng)，使效率得到了提升。

圖13 最高效率工況進口相對氣流角隨葉高位置變化

3.2.3 小流量工況分析

對于小流量工況，從離心壓氣機的特性曲線(圖7)可以明顯看出， 正預(yù)旋導(dǎo)葉帶來了壓氣機穩(wěn)定性的明顯提升。圖14是小流量工況葉輪子午面流線分布曲線。從圖14中可以看出，離心壓氣機在接近喘振工況時，葉輪通道內(nèi)產(chǎn)生了大面積的回流區(qū)域，回流區(qū)域基本占了子午通道面積的1/3，葉輪通道逆壓流動和間隙泄漏結(jié)合效應(yīng)明顯。負預(yù)旋與無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機內(nèi)部流動類似，流動情況惡劣，壓氣機葉輪子午通道內(nèi)部存在兩個明顯的回流渦團，分別存在于壓氣機進口和中后部的位置。而正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機內(nèi)部流動情況略優(yōu)于上述二者，葉輪進口渦團的延伸擴展趨勢得到了明顯的抑制，葉輪中后部雖流動紊亂，但沒有形成明顯的渦旋。

圖14 小流量工況葉輪子午面流線分布

與圖14內(nèi)部流動情況相對應(yīng)，圖15所示為葉輪子午面湍動能分布。湍動能是衡量湍流強度的指標。從圖15中可以看出，負預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機葉輪內(nèi)部湍動能最強，無預(yù)旋次之，正預(yù)旋最弱，這說明正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠有效改善小流量工況點離心壓氣機的穩(wěn)定性。圖16是小流量工況葉輪子午面靜熵分布云圖。流動損失與葉輪內(nèi)部流動狀態(tài)息息相關(guān)，從前述結(jié)果來看，由于葉片葉頂處的流動狀態(tài)變差，導(dǎo)致了流動損失的加劇。

圖15 小流量工況葉輪子午面湍動能分布

圖16 小流量工況葉輪子午面靜熵分布

圖17是小流量工況葉輪進口相對氣流角隨葉高位置變化圖。受進口回流渦團的影響，氣流角相比于之前工況變化較大，對應(yīng)回流區(qū)域內(nèi)(≥80%葉高位置)相對氣流角絕對值先增加后減小。在導(dǎo)葉影響區(qū)域內(nèi)(≥60%葉高位置)，正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機進口氣流角絕對值最小，因而有效地改善了離心壓氣機的穩(wěn)定性。

圖17 小流量工況葉輪進口相對氣流角隨葉高位置變化

4 試驗驗證

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析可以看出，壓氣機進口布置正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠使性能整體向小流量區(qū)域偏移并提升其最高效率，負預(yù)旋導(dǎo)葉使性能變差。因此，針對正預(yù)旋導(dǎo)葉進行了樣件加工，為了保證進口狀態(tài)的可對比性，同樣加工了無導(dǎo)葉的進口連接管，樣件實物如圖18所示。

圖18 進口端壁正預(yù)旋導(dǎo)葉與無導(dǎo)葉裝置樣件

將正預(yù)旋導(dǎo)葉與無導(dǎo)葉裝置分別安裝至渦輪增壓器離心壓氣機入口，分別進行性能試驗及結(jié)果的對比分析。離心壓氣機樣件如圖19所示。

圖19 離心壓氣機試驗樣件

試驗時通過外氣源提供空氣進入燃燒室燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣以驅(qū)動渦輪，從而帶動離心壓氣機旋轉(zhuǎn)。從壓氣機大流量端開始數(shù)據(jù)采集，直至接近壓氣機的喘振工況。每一等轉(zhuǎn)速線需測量不少于6個工況點，測試點除喘振點外，其他工況點需穩(wěn)定3 min～5 min后再采集參數(shù)。試驗對比結(jié)果如圖20所示。

圖20 離心壓氣機性能對比結(jié)果

通過圖20的進口端壁正預(yù)旋導(dǎo)葉與無導(dǎo)葉離心壓氣機的性能對比結(jié)果可以看出，離心壓氣機的MAP整體向小流量偏移，在偏小流量工況下的壓氣機效率得到了明顯的提升。以壓比2.3時為例，無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機流量范圍0.23 kg/s～0.53 kg/s,具有正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機流量范圍0.19 kg/s～0.52 kg/s,流量范圍擴大率為10%。以流量0.25 kg/s為例，效率由78%提升至80%。所得試驗結(jié)果基本與仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

(1) 正預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機的阻塞流量和喘振流量向小流量方向偏移，可有效提升離心壓氣機的穩(wěn)定性。而負預(yù)旋導(dǎo)葉在流量特性上與正預(yù)旋剛好相反，使壓氣機特性向大流量工況偏移。

(2) 正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠提升離心壓氣機最高效率和小流量工況下的效率特性，依據(jù)仿真結(jié)果可以看出低速時離心壓氣機最高效率可提升0.5個百分點。負預(yù)旋導(dǎo)葉使離心壓氣機效率大幅度下降，最高效率最多可下降約4個百分點。

(3) 進口預(yù)旋導(dǎo)葉的存在明顯改變了葉輪進口的相對氣流角。正預(yù)旋能夠使得入流氣流沖角變小，從而帶來效率的提升；負預(yù)旋會使壓氣機效率特性變差。

(4) 從研究結(jié)果來看，雖然正預(yù)旋導(dǎo)葉使離心壓氣機堵塞流量略有降低，但是效率和穩(wěn)定性提升顯著，可以作為調(diào)整離心壓氣機特性的有效手段。