葉片前緣前掠對(duì)離心壓氣機(jī)性能的影響

王憲磊,劉欣源,張強(qiáng),佟鼎,王依寧,趙洋

(1.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300400;2.廊坊舒暢汽車零部件有限公司,河北 廊坊 065000)

隨著離心壓縮機(jī)在石油化工、制冷系統(tǒng)、渦輪增壓器、微型燃?xì)廨啓C(jī)等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,用戶對(duì)其性能的要求也越來越高,因此,不斷提高離心壓縮機(jī)性能是研究人員面臨的問題。研究某些幾何特征對(duì)離心壓氣機(jī)性能的影響,進(jìn)而采取措施來提高離心壓氣機(jī)的效率和壓比,擴(kuò)大其穩(wěn)定工況范圍,是研究人員采用的重要方法[1]。

20世紀(jì)初期,葉片掠首先在軸流壓氣機(jī)中得到應(yīng)用,至今已進(jìn)行了很多相關(guān)研究。葉片掠效應(yīng)的早期研究是應(yīng)用葉片后掠來提高性能,Hah等[2]通過對(duì)跨聲速風(fēng)機(jī)研究發(fā)現(xiàn),葉片前掠和后掠對(duì)風(fēng)機(jī)效率影響不大,但前掠可以增加風(fēng)機(jī)的失速裕度,后掠則減小風(fēng)機(jī)的失速裕度。Jang等[3]通過葉片的彎、傾、掠對(duì)一個(gè)跨聲速軸流壓縮機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化,最優(yōu)的葉輪內(nèi)部流動(dòng)分離和激波強(qiáng)度減小,效率提高,其中葉片彎曲是提高葉輪效率最有效的方法。與軸流壓縮機(jī)相比,關(guān)于離心壓縮機(jī)葉片前緣掠的氣動(dòng)效應(yīng)的研究比較有限。Hazby等[4]研究得出,前掠可以使壓縮機(jī)的效率更高、穩(wěn)定工況范圍更寬,后掠與之相反。Krain等[5]則通過葉片前緣后掠得到了更高的效率和更大的堵塞流量。Ganes等[6]通過改變前掠角和后掠角,發(fā)現(xiàn)掠效應(yīng)與掠角大小有關(guān),前掠和后掠各有優(yōu)勢(shì)。Xu等[7]發(fā)現(xiàn)離心葉輪葉片前緣傾對(duì)葉輪的性能有很大影響,前傾和后傾均能提高葉輪的最高效率,但后傾得到的效率更高,前傾得到的穩(wěn)定工況范圍更大。

由上述研究可知,葉尖前掠和后掠在對(duì)壓氣機(jī)性能影響上的表現(xiàn)各不相同,葉尖前掠葉形對(duì)壓氣機(jī)壓比性能有顯著影響。本研究重點(diǎn)針對(duì)全工況范圍下壓氣機(jī)壓比性能的顯著提升[8-12],以標(biāo)定后的無傾掠離心葉輪為基礎(chǔ)研究對(duì)象,在離心葉輪葉片前緣處沿子午面弦長方向進(jìn)行葉尖前掠的葉形傾掠調(diào)整,通過詳細(xì)的CFD仿真分析,探明不同葉尖前掠角的葉輪對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部激波特性以及失穩(wěn)狀態(tài)下的內(nèi)部流動(dòng)分離特性變化的影響規(guī)律,揭示葉尖前掠葉形對(duì)壓氣機(jī)特性的影響機(jī)理,通過進(jìn)一步對(duì)前緣傾掠葉形優(yōu)化調(diào)整,實(shí)現(xiàn)離心壓氣機(jī)性能的提升。

1 數(shù)值仿真模型

本研究選取了具有完整試驗(yàn)數(shù)據(jù)的某高壓比增壓器離心壓氣機(jī)葉輪,葉輪具體參數(shù)見表1。該葉輪為傳統(tǒng)進(jìn)出口無掠葉形,用于初始CFD模型標(biāo)定,本研究CFD模型均參照此葉輪的模型網(wǎng)格尺度設(shè)置。模型包含了離心葉輪、無葉擴(kuò)壓器和蝸殼。為了保證計(jì)算模型的精度,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)壓氣機(jī)葉輪三維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行了標(biāo)定。

表1 離心壓氣機(jī)葉輪基本參數(shù)

離心壓氣機(jī)葉輪由8支長葉片與8支短葉片組成,三維模型及子午面見圖1。

圖1 離心壓氣機(jī)葉輪及子午面視圖

圖2示出計(jì)算所采用的葉輪及蝸殼網(wǎng)格模型。采用TurboGrid進(jìn)行葉輪網(wǎng)格劃分,并進(jìn)行周向的網(wǎng)格復(fù)制,其他幾何部分網(wǎng)格劃分在Workbench ICEM中進(jìn)行,總網(wǎng)格數(shù)為520萬,其中葉輪網(wǎng)格數(shù)為380萬。

性能試驗(yàn)和CFD仿真得到的壓氣機(jī)特性如圖3所示。

圖3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在各個(gè)轉(zhuǎn)速下,CFD能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出對(duì)應(yīng)的最高效率點(diǎn)和堵塞點(diǎn)位置。仿真結(jié)果的最大效率值比試驗(yàn)結(jié)果高約3個(gè)百分點(diǎn),壓比值略高。

從整個(gè)工況來看,在各個(gè)轉(zhuǎn)速下效率和壓比隨流量的變化趨勢(shì)基本一致,且誤差在可以接受的范圍內(nèi),證明選取的數(shù)值計(jì)算方法是可信的,在之后的研究均采用相同的網(wǎng)格模型尺度、計(jì)算方法及收斂判斷準(zhǔn)則,只是計(jì)算域的邊界條件設(shè)置有所不同。

2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

2.1 葉片前緣傾掠對(duì)壓氣機(jī)性能的影響

壓氣機(jī)主葉片前緣前掠對(duì)壓氣機(jī)性能和內(nèi)部流動(dòng)的影響不涉及分流葉片掠形問題。利用 Bladegen 軟件在進(jìn)口無掠葉形的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了3種不同前緣前掠角(5°,10°,15°)的離心壓氣機(jī),具體如圖4和圖5所示。

圖4 葉尖前掠子午面

圖5 葉尖前掠三維模型

為了驗(yàn)證葉尖前掠對(duì)葉輪最高等熵效率和壓比的提升效果,基于原型葉輪,分別對(duì)葉尖前掠角為5°,10°和15°的葉輪進(jìn)行三維建模,建立相應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格,保證擴(kuò)壓器、蝸殼幾何及網(wǎng)格與研究內(nèi)容一致。為了得到壓氣機(jī)的計(jì)算特性曲線,在70 000 r/min的轉(zhuǎn)速下,逐漸提高出口背壓,利用上一個(gè)背壓的收斂值作為下一個(gè)背壓的初場(chǎng),直至壓比出現(xiàn)下降或者全局收斂殘差波動(dòng)非常大時(shí)停止。通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn),且網(wǎng)格處理精度保持一致。性能試驗(yàn)和CFD仿真得到的壓氣機(jī)特性如圖6所示。

圖6 不同葉尖前掠角下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)不同葉尖前掠角模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)葉輪的流量范圍隨葉尖前掠角的增大而拓寬,壓比及效率也隨之增大。結(jié)果表明：在葉片前緣處沿子午面弦長方向進(jìn)行葉尖前掠處理,會(huì)使壓氣機(jī)的流量裕度、壓比及效率得到提升。

通過圖6壓比特性對(duì)比可以看出,隨著壓氣機(jī)前掠角的增加,在全工況范圍內(nèi),壓氣機(jī)的壓比都得到了一定程度的提升。通過效率對(duì)比結(jié)果可以看出,由于流量范圍的提升,所對(duì)應(yīng)峰值效率的流量點(diǎn)向大流量偏移,相較于無掠葉形,在大流量工況,峰值效率略有提升,在經(jīng)過峰值效率點(diǎn)以后的小流量工況,并不存在明顯的隨前掠角變化的有規(guī)律的趨勢(shì)。從仿真結(jié)果來看,前掠角為5°的葉形在小流量工況的效率要略優(yōu)于其他葉形。

為了分析造成上述性能變化的機(jī)理,下面將對(duì)葉輪內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1) 堵塞工況

圖7示出了 4 種方案在堵塞工況下 95%葉高截面相對(duì)馬赫數(shù)(Ma)分布云圖。在葉輪通道中存在兩道明顯激波,每個(gè)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,為通道激波,并大體上接近于正激波的形狀。脫體曲線激波的上半段為外伸激波,一直伸向葉片列的右上方。分流葉片前緣的吸力面同樣存在一道通道激波。通過圖7可以看出,主葉片前緣的脫體激波強(qiáng)度隨著前掠角的增加得到了一定程度的改善,分流葉片的通道激波同樣得到了一定程度的降低。葉片前緣前掠在堵塞工況下對(duì)葉頂附近激波強(qiáng)度有明顯減弱趨勢(shì),相比于無掠葉形,前掠能夠有效減少由激波帶來的損失,對(duì)應(yīng)的效率特性也印證了這種特征。

圖7 堵塞工況下95%葉高相對(duì)Ma云圖

由于葉頂間隙流與激波過后的亞聲速氣流摻混,對(duì)分流葉片兩側(cè)氣流造成影響,使得分流葉片兩側(cè)形成大范圍的低能流團(tuán)。低能流團(tuán)主要附著在分流葉片兩側(cè),對(duì)通道下游形成氣流堵塞。隨著前掠角的增大,分流葉片壓力面?zhèn)刃纬傻牡湍芰鲌F(tuán)強(qiáng)度明顯減弱,這也能夠?qū)Χ氯髁康脑黾悠鸬揭欢ǖ淖饔?。由此可?主葉片前掠對(duì)葉頂間隙泄漏流也有所改善,并且這種改善效果隨掠角的增加而增強(qiáng)。

圖8示出堵塞工況葉輪子午面的熵增分布圖。從圖8中可以看出熵的演變規(guī)律,高熵區(qū)在葉輪中部位置以后,由葉頂區(qū)域逐漸向葉輪通道內(nèi)擴(kuò)展。雖然通道激波損失隨著前掠角的增加而增強(qiáng),但是通過激波損失估算公式可估算出激波損失在葉輪總損失中占比非常小,而葉輪通道內(nèi)的流動(dòng)損失是總體損失的主要部分。從馬赫數(shù)的分析結(jié)果可以看出,低能流團(tuán)主要附著在分流葉片兩側(cè),所對(duì)應(yīng)的熵增分布也說明了這一點(diǎn)。從總體熵增分布情況來看,隨著前掠角的增加高,熵區(qū)減少,因此,所對(duì)應(yīng)的離心壓氣機(jī)效率是升高的。

圖8 堵塞工況下子午面靜熵分布

圖9示出堵塞工況下無掠和前掠葉形95%葉高湍動(dòng)能云圖。湍動(dòng)能是衡量湍流強(qiáng)度和湍流混合能力的重要指標(biāo),通過計(jì)算結(jié)果可以看出,對(duì)于目標(biāo)跨聲速離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng),在葉輪通道葉頂區(qū)域膨脹發(fā)展以后,湍流強(qiáng)度在葉輪出口處達(dá)到最大,這部分區(qū)域主要分布在主葉片壓力面和分流葉片的吸力面之間。結(jié)合圖7該葉高處的馬赫數(shù)分布可以進(jìn)一步分析,對(duì)于跨聲速離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng),通道激波對(duì)間隙渦的發(fā)展具有重要的影響。激波表現(xiàn)為強(qiáng)間斷和大的逆壓梯度,波前的流體膨脹和波后的流體壓縮會(huì)加速間隙渦的破裂,從而使得間隙泄漏的效應(yīng)在葉片后半部分達(dá)到最大,從而間隙泄漏流動(dòng)與激波作用相互結(jié)合,使得二次流的發(fā)展在此區(qū)域得到增強(qiáng),湍流強(qiáng)度增加。從計(jì)算結(jié)果來看,隨著前掠角的逐漸增加,湍流強(qiáng)度能夠得到一定程度的降低,這是因?yàn)榍熬壡奥邮谷~片葉頂軸向弦長變長,葉片單位長度負(fù)荷減小,因而更不易發(fā)生失速,降低了這部分效應(yīng)與間隙泄漏的結(jié)合。

2) 最高效率工況

圖10示出4 種方案最高效率工況下95%葉高相對(duì)馬赫數(shù)云圖。通過計(jì)算結(jié)果可以看出,在主葉片前緣均存在一道斜激波,同時(shí)在通道下游存在大范圍的低速能團(tuán)。隨著前緣掠角增大,主葉片前緣附近產(chǎn)生的斜激波強(qiáng)度有所增強(qiáng),這主要是因?yàn)榍奥咏堑脑黾釉斐啥氯髁吭黾?對(duì)應(yīng)的最高效率點(diǎn)向大流量偏移,對(duì)于內(nèi)部流體工質(zhì)其相對(duì)速度是增加的,所以相對(duì)馬赫數(shù)略有提高。對(duì)應(yīng)的大范圍低速能團(tuán)主要分布在分流葉片的兩側(cè),隨著前掠角的增加,分流葉片吸力面低能流團(tuán)逐漸減弱,而壓力面的低能流團(tuán)得到增強(qiáng),這主要是因?yàn)榍奥邮谷~頂軸向弦長增大,主葉片的葉間泄漏效應(yīng)沿葉展向下游擴(kuò)展。

圖11示出最高效率工況葉輪子午面的熵增分布圖。對(duì)于所計(jì)算的4種工況,高熵區(qū)在葉輪中部位置,從總體熵增分布情況來看,隨著前掠角的增加,高熵區(qū)的分布區(qū)減少,因此,所對(duì)應(yīng)的離心壓氣機(jī)效率略有升高。

圖11 最高效率工況下子午面靜熵分布

由于壓氣機(jī)氣流經(jīng)歷了擴(kuò)壓過程,真實(shí)流動(dòng)很復(fù)雜。黏性和復(fù)雜的幾何形狀引起各種形式的二次流,并表現(xiàn)為不同的渦系,由此形成的流動(dòng)有很強(qiáng)的三維性和有旋性,因此分析壓氣機(jī)內(nèi)部的二次流變化特征能夠進(jìn)一步揭示內(nèi)部氣流的流動(dòng)狀態(tài)。沿葉輪通道流動(dòng)方向,劃分近似與主流方向垂直的4個(gè)截面(A—D),如圖12所示。

圖12 通道截面劃分示意

圖13示出了最高效率工況葉輪內(nèi)部選定截面的流線圖譜。根據(jù)流線狀態(tài)可以看出,在葉輪進(jìn)口處近葉根部分出現(xiàn)通道渦,該通道渦靠近主葉片吸力面,沿流動(dòng)方向逐漸減弱擴(kuò)散并消失。該通道渦隨著前掠角的增加而逐漸增強(qiáng),主要是由于葉輪前掠角增加,使得葉輪沿徑向距離增加,進(jìn)而該部分流動(dòng)出現(xiàn)較大的速度梯度,造成了流動(dòng)的分離。

圖13 最高效率工況葉輪內(nèi)部不同截面流線圖譜

隨著流動(dòng)在葉輪通道內(nèi)的進(jìn)一步發(fā)展,在葉頂附近形成較強(qiáng)的間隙渦,無掠角的情況下可以非常明顯看到間隙渦的發(fā)展,隨著前掠角的增加,間隙泄漏現(xiàn)象得以緩解和改善。在近葉輪出口位置4 種葉輪截面二次流的渦結(jié)構(gòu)相同,說明前緣前掠對(duì)二次流產(chǎn)生的影響已經(jīng)消除。通過以上分析得出,葉片前緣前掠對(duì)葉輪內(nèi)部二次流的影響主要集中在葉頂間隙泄漏流及通道渦的重新分布上,對(duì)葉輪出口影響較小,前掠能夠改善泄漏渦的形態(tài),但是也帶來了進(jìn)口通道渦的增強(qiáng),這部分分析將為自由掠葉形設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的依據(jù)。

3) 小流量工況

圖14和圖15示出了小流量工況葉輪內(nèi)部流線圖和葉輪進(jìn)口流線圖,結(jié)合對(duì)比壓氣機(jī)壓比特性和效率特性,可知壓氣機(jī)在小流量工況整體內(nèi)部流動(dòng)特征無特異化差別,流動(dòng)狀態(tài)基本類似,說明葉片前掠主要影響了壓氣機(jī)的偏大流量工況的特性。

圖14 小流量工況葉輪內(nèi)部流線圖

圖15 小流量工況葉輪進(jìn)口流線圖

綜上所述,通過對(duì)不同葉尖前掠角度葉形的壓氣機(jī)性能仿真計(jì)算及內(nèi)部流場(chǎng)特性的分析,考慮到葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素,為實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)性能的進(jìn)一步提升,以葉尖前掠10°的葉輪為模型,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

2.2 基于葉片前緣傾掠的葉形優(yōu)化

通過主葉片前緣進(jìn)口掠型的結(jié)果分析可知,壓氣機(jī)葉輪前緣前掠能夠一定程度上改善壓氣機(jī)的特性,能夠增加壓氣機(jī)的壓比和堵塞流量,在一定程度上改善壓氣機(jī)的效率。為進(jìn)一步優(yōu)化葉輪進(jìn)口流動(dòng)特性,在葉尖前掠10°的葉輪模型基礎(chǔ)上,采用自由掠葉形改善葉輪內(nèi)部流動(dòng)特性,具體措施如圖16所示。

圖16 主葉片前緣自由掠葉形示意

以葉片葉尖前掠10°葉形為優(yōu)化基礎(chǔ),將主葉片子午面進(jìn)口進(jìn)行波形處理,通過BladeGen軟件逐層調(diào)節(jié)葉片的角度分布及厚度分布,從而得到本節(jié)研究的自由掠葉形葉輪模型。

采用如圖16所示的自由掠葉形的出發(fā)點(diǎn)在于通過前緣自由掠葉形改變前緣激波形態(tài),以更加適應(yīng)進(jìn)口的流動(dòng),降低流動(dòng)損失。由前文的分析可知,前緣前掠葉形在最高效率點(diǎn)損失在前緣葉頂處明顯增強(qiáng),因此擬采用前緣自由掠優(yōu)化該部分。

自由掠、前緣前掠葉形和無掠葉形壓比和效率特性曲線對(duì)比如圖17和圖18所示。從圖中可以看出,自由掠葉形相較于前緣前掠葉形在性能上又得到一定程度的改善。在全工況范圍內(nèi)壓比提升,隨著轉(zhuǎn)速的提高,壓比提升更加明顯,效率在中低轉(zhuǎn)速得到了一定程度的提升。而在高轉(zhuǎn)速70 000 r/min,中小流量工況時(shí),自由掠葉形的效率較前緣前掠葉形要高,而在堵塞流量工況時(shí)自由掠葉形的效率比前緣前掠葉形低。對(duì)于流量范圍,自由掠葉形在中低轉(zhuǎn)速與前緣前掠葉形堵塞流量相當(dāng),而在高轉(zhuǎn)速下,堵塞流量略有下降。從穩(wěn)定性層面來看,自由掠葉形的流動(dòng)穩(wěn)定性更好,所以在小流量的工況點(diǎn)表現(xiàn)更優(yōu),帶來的喘振流量能夠向小流量方向偏移。

圖18 自由掠、前緣前掠葉形和無掠葉形效率特性曲線對(duì)比

特性的變化印證了前述的研究內(nèi)容：采用前緣前掠能夠增加葉片的做功面積,帶來了壓比和穩(wěn)定性的提升,前緣自由掠葉形的采用,更加適應(yīng)進(jìn)口的流動(dòng),降低流動(dòng)損失,進(jìn)而帶來效率的提升。

為了進(jìn)一步分析內(nèi)部流動(dòng)情況,針對(duì)70 000 r/min最高效率工況點(diǎn),對(duì)比自由掠葉形與前緣前掠葉形葉輪內(nèi)部流動(dòng)情況。

如圖19所示,根據(jù)葉片前緣掠型特性,沿葉高方向劃分4個(gè)等值面,分析葉片前緣的流動(dòng)特征。

圖19 沿流道方向等值面示意

圖20示出了4個(gè)等值面馬赫數(shù)分布情況(自由掠與前緣前掠對(duì)比)。從圖中可以看出,隨著葉高的降低,馬赫數(shù)降低。相比于前緣前掠葉形,在相同葉高等值面上,自由掠葉形的激波強(qiáng)度都明顯降低。到50%葉高以下,自由掠葉形進(jìn)口速度已經(jīng)低于1馬赫。說明采用自由掠葉形能夠改善進(jìn)口的激波形式,有效地改進(jìn)了葉輪進(jìn)口的流動(dòng)狀態(tài)。

圖20 流道內(nèi)不同葉高面相對(duì)馬赫數(shù)分布等值線圖

圖21示出兩種葉形壓力面與吸力面靜熵的分布形態(tài)。從靜熵的分布來看,兩種葉形在壓力面分布形式基本一致,自由掠葉形葉輪在輪中部的靜熵略低于前緣前掠葉形。差異主要體現(xiàn)在吸力面,吸力面氣流流速更大(可以從馬赫數(shù)的分布看出),由于自由掠葉形能夠改善葉片前緣上部的激波形態(tài),所以從熵增情況來看,該位置的靜熵值要更低,流動(dòng)損失更小,在效率特性上能夠帶來改善和提升。

圖21 兩種葉形壓力面與吸力面靜熵分布

從圖17壓比特性的變化可以看出自由掠葉形能夠明顯帶來壓比的提升,葉輪出口總壓是衡量的表征因素。圖22示出了兩種葉形出口的總壓分布情況。從總壓分布情況來看,在壓力分布形式上,二者基本是一致的。

圖22 兩種葉形葉輪出口總壓分布

圖23示出兩種葉形60%葉高載荷分布的對(duì)比情況,總體上能夠反映自由掠葉形特性的改進(jìn)情況。在進(jìn)口位置,葉片吸力面表面靜壓突變,自由掠葉形要更低,表明激波強(qiáng)度降低;對(duì)于出口位置靜壓,自由掠葉形略微高于前緣前掠葉形,表明前緣自由掠葉形可以在一定程度上提升壓比。

圖23 兩種葉形60%葉高載荷分布對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成氣動(dòng)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,開展了離心壓氣機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和樣件加工,進(jìn)而進(jìn)行了兩種葉形葉輪的性能試驗(yàn)對(duì)比分析。圖24示出前緣自由掠葉形葉輪的子午面圖及厚度分布。

圖24 葉輪厚度分布

在進(jìn)行葉輪工程化應(yīng)用之前,需要對(duì)葉輪厚度分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)優(yōu)化后的葉輪模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算(見圖25),以測(cè)試該葉輪在標(biāo)況轉(zhuǎn)速下的自振頻率及整體應(yīng)力分布情況是否符合工程設(shè)計(jì)要求。

圖25 模態(tài)計(jì)算

通過計(jì)算可知,單葉片的倍頻比為3.8(大于3.5),其自振頻率符合工程設(shè)計(jì)要求。整體葉輪的應(yīng)力分布情況如表2所示,可見設(shè)計(jì)值均符合要求。因此,該葉輪設(shè)計(jì)方案可進(jìn)行工程化應(yīng)用。

表2 葉輪應(yīng)力分布

加工樣件和試驗(yàn)臺(tái)架如圖26所示。從圖27和圖28壓氣機(jī)性能試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可以看出,在全工況范圍內(nèi),采用自由掠葉形的離心壓氣機(jī)性能全部得到改善,在65 000 r/min轉(zhuǎn)速下,壓比提升約4%,流量范圍提升約4%,最高等熵效率提升了0.2%。

圖28 效率性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

a) 隨著壓氣機(jī)葉輪前緣前掠角的增加,在全工況范圍內(nèi),壓氣機(jī)的壓比和堵塞流量都得到了一定程度的提升,峰值效率得到一定的改善;

b) 采用前緣自由掠葉形更加適應(yīng)進(jìn)口的流動(dòng),改善了葉輪進(jìn)口的激波形態(tài),降低了流動(dòng)損失,從而帶來效率的提升;

c) 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：在全工況范圍內(nèi),采用自由掠葉形葉輪的離心壓氣機(jī)性能全部得到改善,在65 000 r/min轉(zhuǎn)速下,壓比提升約4%,流量范圍提升約4%,最高等熵效率提升了0.2%。