離心壓氣機(jī)葉輪出口氣體流動演變規(guī)律數(shù)值仿真研究

徐思友，佟鼎，潘麗麗，張繼忠，趙力明，韓琦，王曉滕，張冬梅

(1.中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)，天津 300400； 2.中國人民解放軍總裝備部裝甲兵軍事代表局，北京 100851)

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離心壓氣機(jī)葉輪出口氣體流動演變規(guī)律數(shù)值仿真研究

徐思友1，佟鼎1，潘麗麗1，張繼忠1，趙力明1，韓琦2，王曉滕1，張冬梅1

(1.中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)，天津 300400； 2.中國人民解放軍總裝備部裝甲兵軍事代表局，北京 100851)

采用全三維仿真計算方法，針對離心壓氣機(jī)葉輪出口位置，進(jìn)行了氣體流動演變規(guī)律研究。研究結(jié)果表明：相同轉(zhuǎn)速下，隨著流量的減小，葉輪出口絕對氣流角增加，且增加的范圍主要集中在葉輪流道中心以下區(qū)域，葉頂區(qū)域變化不明顯；相同轉(zhuǎn)速下，葉輪出口總壓比呈逐漸增加趨勢；相同轉(zhuǎn)速下，流量的減小使得葉輪頂部的效率損失減小而主流區(qū)的效率損失增加，壓氣機(jī)的最終效率取決于間隙流和主流流動損失的耦合作用。

離心壓氣機(jī)； 葉輪； 出口絕對氣流角； 流動分布

渦輪增壓器離心壓氣機(jī)的氣動部件主要由進(jìn)氣道、葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼組成。擴(kuò)壓器、蝸殼內(nèi)的流場受葉輪出口條件的影響，同時也通過葉輪出口位置反作用于葉輪內(nèi)部的流場。因此離心壓氣機(jī)葉輪出口的流動情況不僅決定了葉輪自身性能的優(yōu)劣，還會極大地影響葉輪下游部件的氣動性能。

針對離心葉輪出口流動，Dean[1]首先提出了“射流-尾跡”模型，并被Eckardt等[2]使用熱線測速系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，從而使得該模型得到了進(jìn)一步的推廣。Pinarbasi[3]使用熱線測速儀發(fā)現(xiàn)閉式離心葉輪的出口流動不均勻，也得到了“射流-尾跡”特征，但并沒有發(fā)現(xiàn)流動分離。Fahua Gu[4]等對變工況離心壓氣機(jī)葉輪出口軸向速度分布不均對擴(kuò)壓器、蝸殼流場的影響進(jìn)行了研究，研究表明，由于葉輪軸向速度不均造成下游擴(kuò)壓器與蝸殼內(nèi)部流場復(fù)雜，更易發(fā)生失速。相比較國外，國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)相對較少。楚武利[5]等采用熱線測速儀對離心葉輪出口測量時發(fā)現(xiàn)，隨著流量的減小，輪盤側(cè)會出現(xiàn)倒流。李學(xué)臣[6]等對離心葉輪出口區(qū)域流動分布進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，得到了葉輪出口流動的非均勻特征。還有很多研究工作主要集中在離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器和蝸殼內(nèi)部的流動[7-16]。

本研究采用數(shù)值仿真分析的方法，研究了離心壓氣機(jī)葉輪出口氣體流動演變規(guī)律，為開展壓氣機(jī)葉輪關(guān)鍵參數(shù)對葉輪出口流動的控制影響規(guī)律研究提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 計算模型及計算工況點(diǎn)的選取

1.1 計算模型

選取具有完整試驗(yàn)數(shù)據(jù)的J122增壓器離心壓氣機(jī)葉輪作為研究對象，葉輪出口半徑為61 mm，由8支長葉片和8支短葉片組成(見圖1)。

為了保證計算模型的精度，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行三維數(shù)值計算模型的標(biāo)定，計算網(wǎng)格模型見圖2，總網(wǎng)格數(shù)為115萬，蝸殼網(wǎng)格數(shù)66萬。

計算采用Sparlart-Allmaras湍流模型，使用二階中心格式空間差分方法和四階Runge-Kutta時間項(xiàng)處理方法迭代求解，采用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂。

進(jìn)口邊界條件：軸向進(jìn)氣，溫度298 K，壓強(qiáng)100 kPa。

出口邊界條件：質(zhì)量流量、初始壓力。

固壁邊界條件：絕熱，無滑移條件。

計算過程中采用出口條件給定質(zhì)量流量，壓比開始下降時認(rèn)為接近壓氣機(jī)的失速點(diǎn)。每個轉(zhuǎn)速下均從大流量向小流量計算，當(dāng)計算結(jié)果中殘差呈上升趨勢，結(jié)果參數(shù)值無法收斂時停止計算，認(rèn)為已到達(dá)喘振邊界。收斂性判定依據(jù)：

①全局殘差和各塊中殘差下降3個量級；

②進(jìn)出口流量相對誤差小于0.5%，效率和壓比收斂至定值或出現(xiàn)小范圍的周期性振蕩。

由性能試驗(yàn)和CFD計算得到的壓氣機(jī)特性見圖3。對比可以發(fā)現(xiàn)，在各個轉(zhuǎn)速下，CFD計算較為準(zhǔn)確地預(yù)測出了對應(yīng)的最高效率點(diǎn)和喘振點(diǎn)位置。CFD結(jié)果的最大效率值比試驗(yàn)結(jié)果高2%左右，壓比略有下降。但從整個工況來看，CFD計算較好地預(yù)測出了對應(yīng)的高效率點(diǎn)和工作范圍。在各個轉(zhuǎn)速下，效率和壓比隨流量的變化趨勢基本一致，且誤差在可以接受的范圍內(nèi)，證明選取的數(shù)值方法是可信的。

1.2 計算工況點(diǎn)的選取

為分析壓氣機(jī)葉輪出口流動特征的變化規(guī)律，計算工況點(diǎn)從標(biāo)定好的壓氣機(jī)MAP圖中提取(見圖4)。圖4示出的6個工況點(diǎn)(OP1～OP6)涵蓋了低轉(zhuǎn)速與中高轉(zhuǎn)速下的高效點(diǎn)、堵塞點(diǎn)和喘振點(diǎn)的流動變化情況。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 子午出口

2.1.1 平均絕對氣流角

圖5示出了6個特征工況點(diǎn)葉輪出口子午平均絕對氣流角變化規(guī)律(圖中h/H值為0代表葉輪輪緣，1代表葉輪輪轂)。從圖中可以看出，在同一轉(zhuǎn)速下，沿葉高增加方向(從葉根到葉頂方向)，除根部邊界層區(qū)域外，葉輪出口的氣流角整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；最大流量點(diǎn)(OP1，近堵塞工況)，葉輪出口中葉展以下區(qū)域(5%～40%葉高區(qū)域)葉輪出口氣流角變化平緩，變動幅值較小，從50%葉高開始至90%葉高，氣流角快速增加；隨著流量減小(OP2)，近根部的氣流角變化平緩區(qū)減小，沿葉高方向同樣呈快速增加趨勢，但增加梯度較大流量時減?。浑S著流量進(jìn)一步減小，葉輪出口氣流角沿葉高方向變化更為平緩。從平均值來看，葉輪出口絕對氣流角隨著流量的減小而逐漸增加。在葉頂區(qū)域，90%～100%葉高區(qū)域，葉輪出口氣流角非常大，流動表現(xiàn)為橫向流動，在該區(qū)域間隙流的影響起到了主導(dǎo)作用，因而在該區(qū)域流量的變化對氣流角分布和數(shù)值影響不明顯。

2.1.2 絕對馬赫數(shù)

圖6示出了6個特征工況點(diǎn)葉輪出口子午絕對馬赫數(shù)分布規(guī)律。從圖中可以看出，在50 000r/min時，不同流量工況點(diǎn)葉輪出口馬赫數(shù)在中葉展以下區(qū)域基本相同，維持在0.6附近，并且隨著流量減小，葉輪出口馬赫數(shù)呈小幅減小趨勢；但在葉頂區(qū)域則出現(xiàn)了較為明顯的差別，并且隨著流量的減小，平均馬赫數(shù)逐漸升高。在70 000r/min時，葉輪出口馬赫數(shù)與50 000r/min時相似，在中葉展以下區(qū)域，馬赫數(shù)隨流量減小而減小，而在葉頂區(qū)域，馬赫數(shù)則隨著流量減小而增加。造成這種現(xiàn)象的原因在于，隨著流量減小，葉片流道內(nèi)的間隙流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，間隙渦導(dǎo)致葉頂區(qū)域的平均速度降低。

2.1.3 熵

圖7示出了6個特征工況點(diǎn)葉輪出口子午平均熵的分布規(guī)律。從圖中可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，流量較大時，葉輪根部區(qū)域的流動損失相對較小，但是沿葉高增加方向(除根部區(qū)域)流動損失則快速增加，尤其在小流量時，葉輪出口從葉根到葉頂?shù)牧鲃訐p失量明顯高于大流量工況。

2.1.4 總壓比

圖8示出了6個特征工況點(diǎn)葉輪出口子午平均總壓比的分布規(guī)律。從圖中可以看出，在低轉(zhuǎn)速時，隨著流量的減小，葉輪出口總壓比從根部到頂部整體呈增加趨勢，且變化較為平緩，與MAP圖中低轉(zhuǎn)速時壓氣機(jī)性能曲線變化比較平緩的趨勢相對應(yīng)。在高轉(zhuǎn)速時，隨著流量的減小，壓氣機(jī)壓比快速增加(OP4到OP5)，表現(xiàn)為在大流量區(qū)壓比曲線較陡。而隨著工況從最高效率點(diǎn)繼續(xù)向小流量工況變化，葉輪中葉展以下的總壓比變化趨于平緩，差別主要存在于葉輪近頂部區(qū)域。

2.1.5 絕對速度

圖9示出了6個特征工況點(diǎn)葉輪出口子午平均絕對速度的分布規(guī)律。從圖中可以看出，隨著流量的減小，壓氣機(jī)葉輪出口的絕對速度并未呈現(xiàn)明顯減小的規(guī)律。在50 000r/min時，隨著流量的減小，40%葉高以下區(qū)域葉輪出口的絕對速度呈減小趨勢；而在70%葉高以上區(qū)域，隨著流量的減小，葉輪出口絕對速度呈逐漸增加，使得葉輪出口平均速度整體變化不大。隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，葉輪出口速度分布保持著與低轉(zhuǎn)速時相近的變化規(guī)律。

2.1.6 周向速度

圖10示出了6個特征工況點(diǎn)葉輪出口子午平均周向速度的分布規(guī)律。從圖中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著流量的減小，葉輪出口周向速度分量整體呈增加趨勢，表現(xiàn)為橫向流動效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；轉(zhuǎn)速的提高使得葉輪出口周向速度快速升高，且最大周向速度所處位置向中葉展推移，對應(yīng)更強(qiáng)的間隙渦效應(yīng)，間隙渦渦團(tuán)向中葉展遷移，渦邊緣相應(yīng)向中葉展延伸。

2.2 葉輪出口截面

2.2.1 絕對氣流角

圖11示出了6個特征工況下葉輪出口截面上的絕對氣流角分布云圖。由50 000r/min下的3個工況(OP1，OP2，OP3)計算結(jié)果可知，葉輪出口氣流方向非常不均勻。在葉頂區(qū)域，由于間隙流的影響，氣流偏轉(zhuǎn)明顯，橫向流動特征顯著；間隙流的強(qiáng)度隨著流量的減小而增加，并且影響的區(qū)域向根部拓展，使得葉輪出口的絕對氣流角增加明顯。70 000r/min下葉輪出口截面上的絕對氣流角分布規(guī)律與50 000r/min時類似，由此可知，在選取的6個工況條件下，影響葉輪出口截面上的絕對氣流角分布的主要因素是間隙流強(qiáng)度，轉(zhuǎn)速的影響并不明顯。

2.2.2 總壓比

圖12示出了6個特征工況下葉輪出口截面上的總壓比云圖分布。從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下葉輪出口截面上的總壓比分布具有相似的變化規(guī)律；同一轉(zhuǎn)速下，在大流量時，葉輪內(nèi)的總壓升產(chǎn)生效應(yīng)主要來源于近根部的葉輪對空氣做功，隨著流量的減小，葉輪對空氣的做功能力逐漸增強(qiáng)并起主導(dǎo)作用。

2.2.3 總效率

圖13示出了6個特征工況下葉輪出口截面上流動總效率云圖分布。從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下葉輪出口截面上的總效率分布具有相似的變化規(guī)律；同一轉(zhuǎn)速下，在大流量時，葉輪內(nèi)的效率損失主要來源于葉頂區(qū)域，在中葉展以下區(qū)域具有非常高的流動效率，隨著流量的減小，葉頂效率損失減弱，而近根部效率損失增加。

3 結(jié)論

a) 葉輪出口的氣流角在間隙流作用下呈現(xiàn)不均勻分布特征，并且葉輪出口葉頂區(qū)域具有非常大的絕對氣流角，表現(xiàn)為明顯的橫向流動特征，間隙流是這種流動特征的主導(dǎo)因素；

b) 在相同轉(zhuǎn)速下，隨著流量的減小，葉輪出口絕對氣流角增加，增加幅度可達(dá)到50%；增加的范圍主要集中在葉輪流道中心以下區(qū)域；葉頂區(qū)域變化不明顯；

c) 等轉(zhuǎn)速線上的相同工況下，轉(zhuǎn)速的變化對于葉輪出口的絕對氣流角影響不明顯，在最高效率點(diǎn)處，不同轉(zhuǎn)速時對應(yīng)的壓氣機(jī)葉輪出口絕對氣流角基本相同；

d) 相同轉(zhuǎn)速下，葉輪出口的總壓比呈逐漸增加趨勢，其中葉頂區(qū)域的總壓比可增加40%左右，而近根部區(qū)域的總壓比變化并不明顯；轉(zhuǎn)速的提高使得相同工況下葉輪出口壓比整體升高，但壓比分布形態(tài)基本相同；

e) 葉輪內(nèi)的間隙流特征是決定葉輪內(nèi)部流動效率的主要因素，在相同轉(zhuǎn)速下，流量的減小使得葉輪頂部的效率損失減小而主流區(qū)的效率損失增加，壓氣機(jī)的最終效率決定于間隙流和主流流動損失的耦合作用。

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[編輯：潘麗麗]

Numerical Simulation on Gas Flow Characteristics of Centrifugal Compressor Impeller Exit

XU Si-you1, TONG Ding1, PAN Li-li1, ZHANG Ji-zhong1, ZHAO Li-ming1,HAN Qi2, WANG Xiao-teng1, ZHANG Dong-mei1

(1.China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China； 2.The Armored Forces Military RepresenLative Bureau of the PLA General Equipment Headquarters，Beijing 100851，China)

Three dimensional simulation of gas flow characteristics at the centrifugal compressor impeller exit was conducted.The results show that the impeller outlet absolute flow angle increases with the decrease of mass flow rate at the same rotating speed and the increase inclination occurs mainly in the area below the center of impeller flow passage and less in blade tip area.In addition, the total pressure ratio shows the increase trend and the efficiency loss decreases at blade tip and increases in main flow zone due to the decrease of mass flow rate.The final efficiency of compressor depends on the coupling effect of tip clearance flow and main flow.

centrifugal compressor； impeller; outlet absolute flow angle; flow distribution

2014-11-20；

2015-04-02

柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C330103110C33)

徐思友(1977—)，男，副研究員，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)增壓技術(shù);xuzhenghang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.005

TK421.8

B

1001-2222(2015)02-0023-05