無葉擴壓器寬度對壓氣機多工況性能影響的數(shù)值研究

楊曉琴++蘇鐵熊++李慶斌

摘 要：通過對壓氣機試驗測量值與Numeca軟件模擬計算值進行了對比，發(fā)現(xiàn)模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果相差較小，從而驗證了模擬計算壓氣機性能數(shù)據(jù)的可行性。而后對四種帶不同寬度無葉擴壓器壓氣機進行了數(shù)值模擬對比，并就擴壓器對壓氣機多工況性能影響進行了詳細分析，并結(jié)合流場分析得出了擴壓器寬度對壓氣機穩(wěn)定工作范圍的影響關(guān)系，為進一步優(yōu)化壓氣機性能及增壓器離心壓氣機無葉擴壓器的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：Numeca；壓氣機；擴壓器；多工況；數(shù)值模擬

引言

車用渦輪增壓器離心壓氣機主要由葉輪、擴壓器及壓氣機蝸殼三大件組成，擴壓器作為壓氣機的關(guān)鍵部件之一，它可使自葉輪出口流入擴壓器的流體動能降低，將動能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而達到增壓的效果。一般葉輪出口氣流的動能占葉輪對氣體所作功的20%～50%[1]，擴壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀對于動能轉(zhuǎn)化的影響較大，因此對擴壓器內(nèi)部氣體流動及其對壓氣機性能影響的研究至關(guān)重要。莫子高等研究了無葉擴壓器寬度對壓氣機性能的影響，結(jié)果表明，減小擴壓器寬度可以使擴壓器內(nèi)部氣流切向速度分布均勻，縮短了氣流路程，減小了摩擦損失[1]。

湯華等對某有葉擴壓器離心壓氣機無葉擴壓段型線對壓氣機性能影響進行了數(shù)值研究，研究表明，合理調(diào)整無葉擴壓段的收縮程度對減小擴壓器葉片入口損失有顯著影響[2]。馬超等研究了無葉擴壓器收縮角對壓氣機性能影響，研究表明采用較大的收縮角可以提高壓氣機性能，但過大的收縮角會犧牲壓氣機效率，在離心壓氣機擴壓器設(shè)計中要綜合考慮壓比和效率性能[3]。文獻[4]采用實驗手段研究了離心壓氣機7種不同無葉擴壓器設(shè)計，得出壓殼收斂角提高了壓氣機級性能以及葉輪性能但惡化了擴壓器的性能，過大的壓殼收斂角會惡化壓氣機性能。文獻[5-8]也對擴壓器的設(shè)計及優(yōu)化做了大量研究工作。

由于以往的研究基本只對設(shè)計轉(zhuǎn)速下的性能進行了分析，車用發(fā)動機大部分時間運行在非設(shè)計工況，因此很有必要對增壓器多工況性能進行分析研究，文章主要對不同擴壓器寬度值對壓氣機的全工況性能進行了數(shù)值分析，探索出擴壓器寬度對壓氣機全工況性能的影響。

1 研究對象

文章以某增壓器壓氣機為研究對象，該壓氣機采用無葉擴壓器結(jié)構(gòu)，壓氣機葉輪采用前傾后彎結(jié)構(gòu)，其子午面形狀如圖1所示，相關(guān)幾何尺寸見表1。文章系統(tǒng)地研究了擴壓器在2mm、2.6mm、3.21mm及3.85mm時對壓氣機的性能影響，如表2所示，嘗試探索出擴壓器寬度對壓氣機性能的非線性影響規(guī)律。

圖1 壓氣機基本尺寸

2 數(shù)值模擬及試驗驗證

計算采用FINE/Turbo軟件包，求解三維雷諾平均N-S方程組。FINE/Turbo 軟件包EURANUS求解器數(shù)值計算應(yīng)用格子中心有限體積法，空間采用添加人工粘性項的二階中心差分格式；計算采用三層多重網(wǎng)格結(jié)合變時間步長及殘差光順方法進行收斂加速，葉輪進口為全湍流，使用Spalart-All-maras。

一方程湍流模型進行紊流封閉，取壓氣機葉輪單通道進行模擬，通道邊界設(shè)置為周期性邊界條件，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的使用保證了整個網(wǎng)格的質(zhì)量，對近壁處的網(wǎng)格進行加密，葉輪及蝸殼拓撲第一層網(wǎng)格高度均為0.001mm，葉輪間隙處設(shè)置13個網(wǎng)格節(jié)點，為使網(wǎng)格滿足Spalart-Allmaras湍流模型計算要求，y+值控制在1～7之間。最終，蝸殼網(wǎng)格數(shù)目為1207069，如圖2；葉輪網(wǎng)格數(shù)目為1276608，如圖3。各壓氣機方案中葉輪及蝸殼的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)均保持一致，保證了分析結(jié)果的可信度。

圖2 壓氣機網(wǎng)格模型 圖3 葉輪網(wǎng)格模型

對壓氣機進口施加標況下絕對總壓、絕對總溫以及速度向量方向等邊界條件，壓氣機出口施加質(zhì)量流量邊界條件。固體壁面取不滲透、無滑移、絕熱的邊界條件，使通過固體壁面的質(zhì)量通量、動量通量及能量通量為零。判斷計算是否收斂，通常以下述幾個標準作為參考：全局殘差下降三個量級以上；收斂準則最重要的一個參數(shù)是進出口質(zhì)量流量，其相對誤差應(yīng)小于0.02%，且流量不再發(fā)生變化；對于定常計算，總體性能參數(shù)（效率，壓比，扭矩等）都應(yīng)當恒定，而不再隨迭代步數(shù)增加而變化。

壓氣機性能曲線的測取是在壓氣機特性試驗臺上完成的，試驗臺架增壓器轉(zhuǎn)速測量采用非接觸式磁電傳感器加二次儀表顯示，系統(tǒng)精度為0.2%；壓力測量采用電容式壓力傳感器；溫度測量采用鉑熱電阻，精度為0.2%；壓氣機進口流量采用雙紐線流量計進行測量，試驗臺各種溫度、壓力及轉(zhuǎn)速測量儀器儀表均在使用有效期內(nèi)，由于對試驗測試數(shù)據(jù)精度要求較高，對測試臺架開展了測量系統(tǒng)分析（MSA），文中MSA分析對象是針對1臺增壓器設(shè)計轉(zhuǎn)速下低、中、高三個流量點進行，相當于3個虛擬的對象，然后讓3位操作者針對每個虛擬對象重復測量3次，測量系統(tǒng)評估指標如表3所示，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)本測量系統(tǒng)在壓比測量精度方面高于效率測量值，壓比和效率測量的%SV值均小于19%，可區(qū)分的類別數(shù)均大于5，測量系統(tǒng)可信度較高。

圖4為設(shè)計轉(zhuǎn)速下擴壓器寬度為3.21mm時壓氣機數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比。模擬計算的最高效率點出現(xiàn)在相對流量0.75附近。由圖可見，壓氣機壓比模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，最高增壓比相差不超過0.5，變化小于2.5%，而最高效率模擬值與試驗相差為1%，且模擬值像是試驗測試值往右偏移了一小段距離。由此可以認為模擬計算結(jié)果具有較高的可信度，可用于不同壓氣機結(jié)構(gòu)的模擬性能對比。

3 結(jié)果分析

如圖5、圖6所示，當擴壓氣器寬度由2mm增加至2.6mm時，各轉(zhuǎn)速下壓比值均呈增長趨勢，峰值效率分別增長6.05%，4.99%，3.08%；繼續(xù)增加擴壓器寬度至3.21mm，在中、低轉(zhuǎn)速其壓比值與2.6mm相差不大，而在高速下，其壓比開始下降，且隨著流量的增大，下降幅度越大，而峰值效率較2.6mm寬度時在、低、中速分別增長1.46%，0.23%，在高速下降1.1%；當擴壓器寬度為3.85mm時，各轉(zhuǎn)速下的壓比較3.21mm時均出現(xiàn)下降，轉(zhuǎn)速越高，下降幅度越大，各轉(zhuǎn)速峰值效率較3.21mm寬度時分別降低4.65%，5.81%及7.48%。endprint

圖5 壓氣機多工況壓比模擬值對比

圖6 壓氣機多工況效率模擬值對比

可見，隨著擴壓器寬度的增加，壓比出現(xiàn)了先增長后降低的趨勢，而效率隨著擴壓器寬度的增加有向低速性能傾斜的趨勢，如擴壓器寬度為3.21mm時，低速性能最好，但隨著擴壓器寬度繼續(xù)增加壓氣機性能出現(xiàn)惡化，綜上所述，對于一個固定的葉輪出口葉高值，總存在一個合適的擴壓器寬度，其壓氣機綜合性能最佳。

4 流場分析

圖7所示為不同方案設(shè)計轉(zhuǎn)速小流量點下周向平均絕對速度流線分布，擴壓器寬度為2mm及2.6mm時，擴壓器內(nèi)還直觀地發(fā)現(xiàn)回流，而當擴壓器寬度增加至3.21mm時，擴壓器內(nèi)靠近輪緣一側(cè)開始出現(xiàn)回流，回流區(qū)域約占通道寬度的1/3，隨著擴壓器寬度繼續(xù)增大，擴壓器內(nèi)回流占據(jù)了整個通道的大部分區(qū)域，極大地影響了壓氣機的穩(wěn)定性。

圖8為設(shè)計工況小流量工況下擴壓器入口（葉輪出口）截面及擴壓器出口截面展向方向周向平均絕對速度徑向分量分布，絕對速度徑向分量Vr小于零意味著擴壓器內(nèi)存在回流，可以看出，在靠近輪緣區(qū)域，各種方案下均存在一定程度的回流，擴壓器寬度較小時，對葉輪出口參數(shù)影響很小，以擴壓器寬度為3.85mm時回流最強，這與上圖7絕對速度流線圖相對應(yīng)。由于通道內(nèi)每個截面流量一定，輪緣側(cè)速度降低導致3.85mm擴壓器輪轂一側(cè)加速。如圖9所示，從出口位置截面可以看出，各方案下徑向速度相差較大，擴壓器寬度越小，擴壓能力越低，大部分流體動能沒有轉(zhuǎn)化成壓力能，由于流體切向速度分量只與徑向位置有關(guān)，因此小擴壓器壓氣機在小流量工況時，徑向速度分量較小，絕對速度更傾向于徑向方向，使壓氣機工作更為穩(wěn)定。圖10為靠近擴壓器出口某一位置處絕對氣流角分布，可見隨著擴壓器寬度的增加，絕對速度更傾向于切向方向，在氣流動能不足以克服在擴壓器中形成的壓力梯度時，流體不能流出擴壓器，從而在流量還相對較大時就發(fā)生失速，甚至喘振。

（a）2.0mm （b）2.6mm

（c）3.21mm （d）3.85mm

圖7 不同寬度擴壓氣機絕對速度流線分布

圖8 擴壓器入口展向絕對速度徑向分量變化

5 結(jié)束語

（1）采用較寬的的擴壓器，可以將葉輪出口的氣流動能充分地轉(zhuǎn)化為壓力能，能有效提高壓氣機壓比，但擴壓器寬度增長到一定程度后，高速壓比開始降低，繼續(xù)增加擴壓器寬度，擴壓器中流體分流損失增大，導致壓氣機各轉(zhuǎn)速壓比均出現(xiàn)下降。

（2）采用較寬的的擴壓器后，低速效率得到一定程度的提升，壓氣機效率島向低速傾斜，但過大的擴壓器寬度會導致壓氣機性能惡化，甚至低于小擴壓器寬度的性能，此外，隨著擴壓器寬度的增加，在小流量時，壓氣機穩(wěn)定性下降，喘振流量增大。

參考文獻

[1]莫子高，史建軍，關(guān)旭，等.無葉擴壓器寬度對壓縮機性能影響的實驗驗證[J].流體機械，2004，32（1）：1-3.

[2]高麗敏，劉波，王歡.無葉擴壓器對離心壓縮機流場及性能影響的數(shù)值研究[J].中國機械工程，2008，19（17）：2098-2102.

[3]湯 華，杜建一，初雷哲，等.無葉擴壓段型線對離心壓氣機性能的影響[J].工程熱物理學報，2006，27（6）：959-961.

[4]A. Jaatinen-Varri et al. "Experimental study of centrifugal compressor vaneless diffuser width". Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27 （4）：1011-1020.

[5]馬超，劉云崗，朱智富，等.無葉擴壓器收縮角對車用離心壓氣機性能影響的數(shù)值研究[J].車用發(fā)動機，2010，4：11-15

[6]馬超，王航，劉云崗，等.小流量下離心壓氣機無葉擴壓器數(shù)值模擬及流動分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2010，10：13-16.

[7]陳乃興，黃偉光，等.無葉擴壓器離心式壓氣機內(nèi)漩渦運動的數(shù)值研究[J].1999，3：155-160

[8]Adachi， Y.； Otsuki， A.； Bantle， K.； and Miyake， Y.， "Performance Improvement of a Vaneless Diffuser of Centrifugal Compressor"（1992）. International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 145.

作者簡介：楊曉琴（1983-），女，湖南衡陽人，中北大學機械與動力工程學，碩士研究生，主要研究方向：動力機械性能與增壓技術(shù)。endprint