機(jī)匣引氣再循環(huán)拓寬壓氣機(jī)工作范圍的仿真研究

吳春雨，王銀燕，楊傳雷，王賀春

哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

機(jī)匣引氣再循環(huán)拓寬壓氣機(jī)工作范圍的仿真研究

吳春雨，王銀燕，楊傳雷，王賀春

哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

高壓比離心式壓氣機(jī)高效率工作范圍窄，喘振裕度低。為了拓寬其高效工作范圍，將機(jī)匣引氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用于高壓比離心式壓氣機(jī)。采用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行仿真研究，對各結(jié)構(gòu)尺寸對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行對比。結(jié)果表明，引氣再循環(huán)系統(tǒng)使該離心壓氣機(jī)各轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作范圍平均拓寬13%以上，喘振裕度最大增加11%。抽吸槽與分流葉片的距離在引氣再循環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸中對離心壓氣機(jī)性能影響最大，其次是抽吸槽的寬度，其余結(jié)構(gòu)尺寸對其影響較小。引氣再循環(huán)使壓氣機(jī)葉輪入口相對馬赫數(shù)分布更加均勻，減弱葉片前緣局部高馬赫數(shù)的現(xiàn)象，使葉片入口正攻角減小，抑制了葉片表面邊界層的分離。

高壓比離心壓氣機(jī)；引氣再循環(huán)；喘振裕度；抽吸槽；分流葉片

近年來，國外船用柴油機(jī)高功率密度技術(shù)發(fā)展迅速，對渦輪增壓器的增壓比提出了更高的要求。離心壓氣機(jī)增壓比提高后，穩(wěn)定運(yùn)行范圍變窄，無法滿足內(nèi)燃機(jī)增壓的寬流量范圍要求，所以增大高壓比離心壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的研究非常重要［1-4］。

機(jī)匣引氣再循環(huán)技術(shù)是被動流動控制拓寬離心壓氣機(jī)工作范圍的一種技術(shù)。Amman［5］將機(jī)匣處理從軸流壓氣機(jī)發(fā)展到離心壓氣機(jī)上；Fisher［6］的試驗(yàn)表明：引氣再循環(huán)對壓氣機(jī)流量的影響是拓寬其工作范圍的根本原因；Ishida［7-8］的研究表明：引氣再循環(huán)中抽氣槽位置對低速離心壓氣機(jī)性能影響較大；清華大學(xué)［9-10］利用機(jī)匣處理方法對壓氣機(jī)非對稱流場進(jìn)行了有效控制。

本文采用數(shù)值模擬方法，以某型最高壓比為5．2的離心壓氣機(jī)為對象，研究了引氣再循環(huán)各結(jié)構(gòu)尺寸對壓氣機(jī)性能的影響和引氣再循環(huán)拓寬壓氣機(jī)工作范圍的作用。

1 數(shù)值模擬方法

本文所研究的壓氣機(jī)幾何尺寸如表1所示。數(shù)值計(jì)算采用NUMECA商業(yè)軟件，選擇S-A湍流模型，求解三維雷諾平均Navier-Stokes方程，采用當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長、多重網(wǎng)格和殘差光順加速收斂。

表1 離心壓氣機(jī)葉輪和擴(kuò)壓器的主要尺寸

計(jì)算區(qū)域選擇包含主葉片、分流葉片和葉片擴(kuò)壓器的通道，采用AutoGrid5模塊對離心壓氣機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，選擇ZR Effect功能生成引氣再循環(huán)網(wǎng)格，如圖1、2所示。固壁選擇無滑移、絕熱邊界；進(jìn)口邊界給定總溫、總壓；出口邊界大流量工況給定靜壓，小流量工況給定流量；計(jì)算步數(shù)600，全局殘差低于10－4且進(jìn)出口參數(shù)基本不變時(shí)，判斷計(jì)算收斂。

圖1 壓氣機(jī)葉片單通道網(wǎng)格

圖2 壓氣機(jī)葉片子午面網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果及分析

引氣再循環(huán)的主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示，其中a為抽吸槽與分流葉片之間的距離，b為抽吸槽的寬度，c為回流通道的高度，d為回流通道直徑，e為回流槽出口與分流葉片的距離，f為回流槽的出口直徑。設(shè)定初始結(jié)構(gòu)尺寸如下：a＝13 mm、b＝2 mm、c＝8 mm、d＝8 mm、e＝36 mm、f＝8 mm。選擇計(jì)算工況為612 r／s等轉(zhuǎn)速線，依次改變6個(gè)主要參數(shù)的大小，得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)對離心壓氣機(jī)性能的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4～9所示。

圖3 引氣再循環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸示意

圖4 同a值的壓比與流量變化曲線圖

圖5 不同a值的效率與流量變化曲線

從圖4和5可以看出，經(jīng)過機(jī)匣引氣再循環(huán)改造后的壓氣機(jī)，抽吸槽與分流葉片之間的距離a對壓氣機(jī)性能影響較大。經(jīng)過改造后，壓比和效率都會較以前要低，堵塞線的位置變化不大，而喘振線都左移，喘振裕度增大。綜合圖4和5，以效率優(yōu)先的原則，a值取15 mm較為合適。據(jù)文獻(xiàn)［5-6］的研究成果，抽吸槽的寬度b對壓氣機(jī)的性能影響也較大，圖6和7為計(jì)算結(jié)果。從圖6和7中可以看出，抽吸槽寬度b的變化對壓氣機(jī)的壓比和效率也有較大的影響。等轉(zhuǎn)速的壓比和效率會下降，特別是效率下降較大，達(dá)到3個(gè)百分點(diǎn)。堵塞線幾乎不變，喘振線均左移。由于增加了機(jī)匣引氣其喘振裕度也承之增大。本文依次對另個(gè)4個(gè)參數(shù)也進(jìn)行了仿真計(jì)算研究，圖8和9是不同的回流通道高度c以壓氣機(jī)的影響變化曲線。從圖中可以看出，c值的變化對壓氣機(jī)性能影響不大。同樣，對回流通道直徑d、回流槽出口與分流葉片的距離e、回流槽的出口直徑f進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果同樣顯示其值對壓氣機(jī)性能影響較小。

圖6 不同b值的壓比與流量變化曲線

圖7 不同b值效率與流量變化曲線

綜上研究表明，機(jī)匣引氣再循環(huán)技術(shù)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，抽吸槽與分流葉片之間的距離a和抽吸槽的寬度b對壓氣機(jī)性能影響較大，是機(jī)匣引氣再循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。而其他4個(gè)參數(shù)對壓氣機(jī)性能影響較小，可依據(jù)加工難易進(jìn)行調(diào)整。

圖8 不同c值的壓比與流量變化曲線

圖9 不同c值的壓比與流量變化曲線

通過以上仿真研究表明，機(jī)匣引氣的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化為：a＝15 mm，b＝3 mm，c＝8 mm，d＝8 mm，e＝36 mm，f＝8 mm。為了對比機(jī)匣引氣改造后的性能影響，在各等轉(zhuǎn)速線下，從堵塞流量邊界到喘振流量邊界進(jìn)行了仿真計(jì)算，繪制的壓氣機(jī)特性線如圖10所示，圖11為無引氣再循環(huán)下的壓氣機(jī)特性線圖。

圖10 具有引氣再循環(huán)結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)特性

圖11 不具有引氣再循環(huán)結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)特性

由圖10和11可以看出，采用引氣再循環(huán)后，壓氣機(jī)喘振邊界整體左移，各轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作范圍增加，低轉(zhuǎn)速和中間轉(zhuǎn)速時(shí)，喘振裕度和穩(wěn)定工作范圍的提升明顯；各轉(zhuǎn)速下效率稍有下降，但不超過2%；壓氣機(jī)壓比在低轉(zhuǎn)速和中間轉(zhuǎn)速下降不明顯，高轉(zhuǎn)速壓比下降較大，最大壓比由5．2降為5．07。引氣再循環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸是在中間轉(zhuǎn)速612 r／s時(shí)選擇的，該轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍由1．402 kg／m3到1．794 kg／m3提升為1．281 kg／m3到1．796 kg／m3，喘振裕度提升10．4%，壓比下降約為0．05，效率平均下降約2%。

為了較好地說明機(jī)匣引氣再循環(huán)技術(shù)對壓氣機(jī)性能的影響，本文對壓氣機(jī)在612 r／s工況下的內(nèi)部流場進(jìn)行了研究，圖12為引氣再循環(huán)壓氣機(jī)和無引氣再循環(huán)壓氣機(jī)相對馬赫數(shù)的對比圖。

圖12 離心壓氣機(jī)相對馬赫數(shù)分布

從圖12可以看出，相同工況點(diǎn)，引氣再循環(huán)的壓氣機(jī)入口馬赫數(shù)較小，且入口馬赫數(shù)分布更均勻，采用引氣再循環(huán)后離心壓氣機(jī)的入口速度三角形發(fā)生變化，由于引氣再循環(huán)的回流作用使入口流量增大，入口絕對速度增大，在牽連轉(zhuǎn)速不變的情況下，相對速度增大，葉片入口的正攻角變小。

由此可知引氣再循環(huán)減弱了葉片表面的邊界層分離，拓寬了離心壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍，增大了其喘振裕度。

3 結(jié)論

1）采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸，引氣再循環(huán)壓氣機(jī)穩(wěn)定工作平均拓寬13%以上，喘振裕度最大增大11%，最大壓比稍有下降，效率下降值低于2%。

2）引氣再循環(huán)中抽吸槽與分流葉片的距離和抽吸槽的寬度對壓氣機(jī)性能影響較大，其余引氣再循環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸對壓氣機(jī)性能影響較小。各轉(zhuǎn)速下，引氣再循環(huán)對壓氣機(jī)性能的影響程度不同。一種引氣再循環(huán)尺寸，難以在各個(gè)轉(zhuǎn)速下全面提高壓氣機(jī)性能。

3）引氣再循環(huán)的壓氣機(jī)入口相對馬赫數(shù)降低，且分布更均勻，葉片入口正攻角變小，葉片表面的邊界層分離減弱，可以拓寬壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。

［1］盧家玲．軸流壓氣機(jī)機(jī)匣處理及其機(jī)理研究［D］．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007：2-5．

［2］郭宮達(dá)．壓跨聲速離心壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)流動控制研究［D］．北京：清華大學(xué)，2009：5-12．

［3］楊名洋．內(nèi)燃機(jī)高壓比離心式壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)非對稱流動控制［D］．北京：清華大學(xué)，2011：12-15．

［4］徐偉，王彤，谷傳綱．抽吸孔數(shù)目對孔式機(jī)匣處理方式效果的影響［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（18）：121-129．

［5］AMMAN C A，NORDENSEN G E，SKELLENGER G D．Casing modification for increasing the surge margin of a cen-trifugal compressor in an automotive turbine engine［J］．Journal of Engineering for Power，1975，97：329-336．

［6］FISHER F．Application of map width enhancement devices to turbocharger compressor stages［J］．SAE Transactions，1989，97（6）：1303-1310．

［7］ISHIDA M，SAKAGUCHI D，UEKI H．Optimization of inlet ring groove arrangement for suppression of unsteable flow in a centrifugal impeller［C］／／Proceedings of GT2005 ASME Turbo Expo 2005：Power for Land，Sea and Air．Reno，USA，2005：35-43．

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［9］YANG Mingyang，ZHENG Xinqian，ZHANG Yangjun．Sta-bility improvement of high-pressure ratio turbocharger cen-trifugal compressor by asymmetric flow control-part I：non-axisymmetric flow in centrifugal compressor［C］／／Proceed-ings of ASME Turbo Expo 2010：Power for Land，Sea and Air．Glasgow，UK，2010：1891-1902．

［10］YANG Mingyang，ZHENG Xinqian，ZHANG Yangjun．Stability improvement of high-pressure ratio turbocharger centrifugal compressor by asymmetric flow control-part II：non-axisymmetric self-recirculation casing treatment［J］．Journal of Turbomachinery，2012，135（2）：0210071-0210078．

Simulation on expanding steady working range of centrifugal compressor
by self-recirculation casing treatment

WU Chunyu，WANG Yinyan，YANG Chuanlei，WANG Hechun
College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Numerical simulation method is adopted to simulate and research self-recirculation casing treatment（SRCT）on expanding the scope of steady work of high-pressure-ratio centrifugal compressor，and increase the compressor surge margin．Contrast the influences which are caused by structure sizes of the SRCT on the perform-ance of compressor．The results showed that SRCT makes the compressor stable operating range broaden more than 13%in average on all kinds of speed，and the surge margin has increased by 11%at most．Among the structure si-zes，the distance between the bleed slot and the splitter blade has the largest effect on the performance of centrifu-gal compressor，followed by the bleed slot width，others have less affect．SRTC makes the distribution of the com-pressor impeller inlet relative Mach number more uniform，weakens the phenomenon of local high Mach number of blade leading edge，decreases the positive incidence of blade inlet，and inhibits separation of the blade surface boundary layer．

high-pressure-ratio centrifugal compressor；self-recirculation casing treatment；surge margin；bleed slot；splitter blade

TK442

A

1009-671X（2014）03-0069-04

10．3969／j．issn．1009-671X．201308009

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009-671X．201308009．html

2013-08-30．

日期：2014-06-05．

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAF01B01）．

吳春雨（1988-），男，碩士研究生；

王銀燕（1961-），女，教授，博士生導(dǎo)師．

楊傳雷，E-mail：heuylz＠163．com．