葉片后彎角對(duì)車(chē)用離心壓氣機(jī)性能的影響

楊柳 童士寅++沈紅節(jié) 劉金龍++侯偉++孟紅霞

摘要： 對(duì)比分析了6種不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)性能的試驗(yàn)與仿真結(jié)果.在驗(yàn)證了ANSYS CFX軟件用于壓氣機(jī)性能模擬分析中的可靠性后，采用數(shù)值模擬方法對(duì)3種不同葉片后彎角的葉輪進(jìn)行了性能計(jì)算，得到了相關(guān)轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)特性曲線.仿真結(jié)果表明：在不改變壓氣機(jī)出口靜壓時(shí)，在一定的葉片出口角范圍內(nèi)，葉片后彎角的增加使兩條特性曲線均向小流量方向偏移，但近喘振點(diǎn)邊界得到了拓展，使得壓氣機(jī)的流量范圍變得更寬；在小流量區(qū)域內(nèi)，葉片后彎角的增大能夠改善壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀況，提高葉輪工作效率；而在大流量區(qū)域內(nèi)，較大的葉片后彎角會(huì)使葉輪的流通特性降低，葉輪的工作效率反而會(huì)降低；適當(dāng)增加葉片后彎角可以增大壓氣機(jī)工作范圍，使壓氣機(jī)效率和流道內(nèi)的流動(dòng)均得到提高和改善.

關(guān)鍵詞：

渦輪增壓器； 離心壓氣機(jī)； 葉片后彎角； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TH 311文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Influence of Blade Backward Curved Angle on the

Performance of Vehicle Centrifugal Compressor

YANG Liu1， TONG Shiyin2， SHEN Hongjie3， LIU Jinlong1， HOU Wei4， MENG Hongxia3

（1.School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai 200093，China； 2.Technical Center of SAIC Motor Corporation Limited， Shanghai 200001，China；

3.Commercial Vehicle Technical Center of SAIC Motor Corporation Limited， Shanghai 200438， China；

4.Fengcheng Hexin Machinery Co.， Ltd.， Fengcheng 118100， China）

Abstract：

In this paper，results from compressor performance experiments and simulation at six speeds were compared.After the reliability verification of the application of ANSYS CFX to compressor performance simulation，the impeller with 3 kinds of backward curved angles were numerically simulated.The compressor characteristic curves at different speeds were obtained.The results showed that with no changes of the outlet static pressure，increasing the blade backward curved angle resulted in the movement of two characteristic curves towards the direction of small flow rate within the range of investigated outlet blade angles.However，the boundary near the surge point expanded，which enlarged the flow rate range of the compressor.In the region of small flow rate，increasing the blade backward curved angle could improve the internal flow of the compressor and the impeller efficiency.At high flow rate，larger blade backward curved angle caused reduced circulation characteristics of the impeller and thus decreased its efficiency.Appropriately increasing the blade backward curved angle could enlarged the working range of the compressor and improve its efficiency and flow in the passages.

Keywords：

turbocharger； centrifugal compressor； blade backward curved angle； numerical simulation

隨著環(huán)境污染問(wèn)題的日益加重，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的排放要求變得越來(lái)越高.渦輪增壓技術(shù)作為一種節(jié)能減排的手段，能夠有效地提高能源利用率以及減少有害尾氣的排放.目前，美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，中小型車(chē)用柴油機(jī)、重型柴油機(jī)中增壓器的采用率分別達(dá)到80%、100%，渦輪增壓技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)得到廣泛的運(yùn)用[1].

壓氣機(jī)葉輪是渦輪增壓器的重要部件，是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鲃?dòng)能和位能的部件.因此，葉輪結(jié)構(gòu)特征在很大程度上反映了壓氣機(jī)整體性能的好壞.離心式壓氣機(jī)的性能受其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的影響非常大.為了設(shè)計(jì)出滿足性能要求的壓氣機(jī)，很多學(xué)者對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)（如前傾角、葉頂間隙、葉片數(shù)、主分流葉片參數(shù)、葉片厚度、擴(kuò)壓器收縮角等）進(jìn)行了研究[2-5]，并得到了很多有用的結(jié)論.由于葉輪出口后彎有利于提高葉輪效率，并且可獲得更寬廣的流量范圍，因此，在渦輪增壓器中，特別是在葉輪尺寸較小的車(chē)用渦輪增壓器中，普遍采用一定的后彎角度.

本文首先采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，使用ANSYS CFX軟件對(duì)某型號(hào)渦輪增壓器壓氣機(jī)的典型工況進(jìn)行模擬仿真，再與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證邊界條件、網(wǎng)格劃分及使用該軟件的可靠性.在此基礎(chǔ)上，建立兩個(gè)不同后彎角葉片的參數(shù)化新葉輪模型，并在相同邊界條件下進(jìn)行模擬計(jì)算，比較設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓比和效率特性曲線，以分析葉輪葉片后彎角對(duì)壓氣機(jī)性能的影響.

1數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

本文采用商用計(jì)算流體軟件ANSYS CFX進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算時(shí)選用SIMPLE方法，求解不可壓縮時(shí)均采用NS方程.選定湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模

型，進(jìn)、出口邊界條件根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)數(shù)據(jù)給定.固體壁面的邊界條件為絕熱無(wú)滑移邊界，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁區(qū)域進(jìn)行處理，將靜止部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重合面設(shè)置為“Frozen Rotor”，以實(shí)現(xiàn)兩種不同坐標(biāo)系下各參數(shù)的互相轉(zhuǎn)變.

根據(jù)某機(jī)械制造有限公司提供的壓氣機(jī)葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器和壓氣機(jī)蝸殼的設(shè)計(jì)圖，使用UG軟件建立相應(yīng)的三維模型，并提取計(jì)算所需的流道模型.綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量、質(zhì)量以及模型的復(fù)雜性，使用ANSYSICEM軟件以及Turbogrid軟件對(duì)提取的流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.蝸殼流道部分采用ANSYSICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分.蝸殼三棱柱網(wǎng)格數(shù)為249 802，四面體網(wǎng)格數(shù)為735 306.因?yàn)槿~輪是全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故采用周期性網(wǎng)格，部分采用Turbogrid軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分.葉輪三棱柱網(wǎng)格數(shù)為7 134，六面體網(wǎng)格數(shù)為81 362，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)總計(jì)1 073 604.

圖1為利用UG軟件建模生成的壓氣機(jī)三維模型，圖2為利用ANSYSICEM軟件劃分得到的擴(kuò)壓器及蝸殼四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格透視圖和網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)據(jù)圖，圖3為利用Turbogrid軟件劃分得到的葉輪六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格透視圖和網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)據(jù)圖.在圖2、3的網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)據(jù)圖中，xo為表示網(wǎng)格質(zhì)量好壞的無(wú)量綱數(shù)，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的好壞進(jìn)行評(píng)判時(shí)，xo在0.3以上就可以滿足求解要求，如圖2（b）、3（b）所示，兩部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上，可滿足計(jì)算精度要求.

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)該款車(chē)用渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研

究.試驗(yàn)在北京理工大學(xué)自行研制的渦輪增壓器

壓氣機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行.圖4為壓氣機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，圖5為試驗(yàn)臺(tái)原理圖[6].

將試驗(yàn)得到的6個(gè)轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)性能曲線分別與相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.圖6為壓氣機(jī)流量壓比、流量效率特性對(duì)比，

此處僅選取了轉(zhuǎn)速編號(hào)為1～4時(shí)的結(jié)果，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為100 000、120 000、140 000和160 000 r·min-1.

從圖6（a）可看出，轉(zhuǎn)速、流量相同時(shí)，計(jì)算得到的壓比稍大于試驗(yàn)值，但流量壓比曲線的走勢(shì)基本相同，計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合較好，最大誤差在15%以下；從圖6（b）可以看出，轉(zhuǎn)速、流量相同時(shí)，計(jì)算得到的效率大于試驗(yàn)值，流量效率曲線的走勢(shì)基本相同，計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合較好，最大誤差在10%以下.從以上對(duì)比可以得出，本文采用的數(shù)值模擬方法計(jì)算的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明該模擬方法、選用的邊界條件均具有一定的合理性和準(zhǔn)確性.

2離心壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)

為了研究葉片后彎角對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，本文采用CFturbo旋轉(zhuǎn)機(jī)械專業(yè)建模軟件設(shè)

計(jì)了一個(gè)普通壓氣機(jī)葉輪.其建模的一般過(guò)程是

通過(guò)給定設(shè)計(jì)點(diǎn)的流量、壓比、轉(zhuǎn)速等設(shè)計(jì)參數(shù)，以及輪轂和葉輪出口直徑、寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，初步生成葉輪子午流道造型，采用貝塞爾曲線調(diào)整子午型線，然后根據(jù)一定的選取原則對(duì)葉片的進(jìn)出口安裝角、包絡(luò)角以及葉片厚度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最終得到具體的三維結(jié)構(gòu)模型.

根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)原則[7-8]，得到葉輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.保持葉片厚度、葉片前傾角、葉片前緣幾何形狀不變，通過(guò)調(diào)整葉片得到不同的后彎角度.本文選取葉片后彎角分別為22°、25°、28°的三種方案進(jìn)行研究.

3控制方程的建立

建立控制方程的通用形式以便于

對(duì)各守恒方程進(jìn)行分析，并且可以利用同一程序?qū)?/p>

各守恒方程進(jìn)行求解.若用φ表示通用變量，則各控制方程均可以表述成

（ρφ）t+div（ρVφ）=div（Γgradφ）+S

（1）

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)；V為速度矢量.

式（1）中各項(xiàng)按順序分別為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng).

將式（1）展開(kāi)，可以得到

（ρφ）t+（ρuφ）x+（ρvφ）y=

xΓφx+

yΓφy+zΓφz+S

（2）

式中：u、v、w分別為速度矢量V在x、y、z方向上的分量；φ可以代表u、v、w等求解變量.

對(duì)于特定的方程，φ、Γ和S具有特定的形式.表2給出了三個(gè)符號(hào)與各守恒方程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，

其中：μ為動(dòng)力黏度；Si表示微元體上x(chóng)、y、z三個(gè)方向所受體積力；xi表示x、y、z三個(gè)方向；

ST為流體內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，簡(jiǎn)稱黏性耗散項(xiàng)；

P為流體微元體上所受壓力；k為傳熱系數(shù)；c為比熱容；T為溫度.

表2通用控制方程中符號(hào)的具體形式

Tab.2Specific symbols in the general governing equation

符 號(hào)連續(xù)方程動(dòng)量方程能量方程

φ1uiT

Γ0μkc

S0-Pxi+SiST

將各守恒方程通用化，即將所有控制方程經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理后使方程中的因變量、時(shí)變

項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)形式，然后將式（1）

等號(hào)右邊的其余各項(xiàng)合并處理定義為源項(xiàng)，從而

化簡(jiǎn)為通用微分方程.這樣，只需要考慮通用微分方程式（1）的數(shù)值解，編寫(xiě)求解該式的源程序，就可以求解不同類型的流體流動(dòng)及傳熱問(wèn)題.

4葉片后彎角對(duì)離心壓氣機(jī)性能的影響

在轉(zhuǎn)速為130 000 r·min-1和邊界條件相同時(shí)，進(jìn)、出口邊界分別選定為總壓0.1 MPa和出口靜壓為0.17 MPa.在給定條件下，三種葉片后彎角葉輪模型的計(jì)算結(jié)果如表3所示.從表中可以看出，在邊界條件相同時(shí)，三種葉片后彎角模型的總壓比基本相同.相比于原葉輪，葉片后彎角減小至22°時(shí)，質(zhì)量流量提高4.25%，效率降低1.36%；葉片后彎角增加至28°時(shí)，質(zhì)量流量降低3.38%，效率提高0.95%.由此可以得出，當(dāng)葉輪出口靜壓不變時(shí)，增大葉片后彎角度能夠提高壓氣機(jī)的工作效率，但會(huì)降低壓氣機(jī)工作時(shí)的質(zhì)量流量.

出，當(dāng)葉片后彎角增大時(shí)，兩條曲線均向小流量方向偏移，但近喘振點(diǎn)邊界得到了拓展，使得壓氣機(jī)流量范圍更寬.從圖7（a）可以看出，葉輪出口后彎角減小后最高效率小于原葉輪，而葉輪后彎角增大后最高效率與原葉輪的相差不大.小流量區(qū)域的效率高于原葉輪，說(shuō)明葉片后彎能夠改善小流量區(qū)域的流動(dòng)狀況；流量大于

0.11 kg·s-1時(shí)，效率隨葉輪后彎角增大而減小.這是由于葉片后彎角增大時(shí)，出口處相對(duì)于徑向的氣流角也會(huì)增大，使得葉輪的流通特性降低，所以在大流量時(shí)，后彎角小的葉輪的效率反而會(huì)高些.從圖7（b）可看出，相同流量時(shí)，葉片后彎角最大的葉輪壓比最小.這是由于隨著后彎角增大，葉片對(duì)氣體的做功能力降低；壓比相同時(shí)，葉片后彎角最大的葉輪流量最小，這從側(cè)面說(shuō)明葉輪的流通能力隨著葉片后彎角增大而降低.

圖8為三種不同后彎角葉片，在進(jìn)口總壓為0.10 MPa、出口靜壓為0.17 MPa時(shí)葉輪出口截面速度分布.從圖中可以看出，隨著葉片后彎角減小，葉輪出口截面上的高速流體區(qū)域增大，由此在擴(kuò)壓器中產(chǎn)生的摻混損失也增大.這是后彎角減小時(shí)壓氣機(jī)整體效率不高的一個(gè)原因.

5結(jié)論

本文在原參數(shù)化葉輪模型基礎(chǔ)上，并在驗(yàn)證

數(shù)值模擬可靠性的前提下，建立了兩個(gè)葉片后彎

角不同的新葉輪，采用數(shù)值模擬方法分析了葉輪葉片后彎角對(duì)壓氣機(jī)性能的影響.在出口靜壓及葉輪其他幾何尺寸不變的前提下得出以下結(jié)論：

（1） 當(dāng)葉片后彎角增大時(shí)，流量效率和流量壓比曲線均向小流量方向偏移，但近喘振點(diǎn)邊界得到了拓展，使得壓氣機(jī)的流量范圍更寬.

（2） 葉片后彎可改善小流量區(qū)域的流動(dòng)狀況，但在大流量時(shí)，后彎角小的葉輪效率反而高些.

（3） 隨著葉片后彎角減小，葉輪出口截面上的高速流體區(qū)域增大，由此在擴(kuò)壓器中產(chǎn)生的摻混損失也增大.

參考文獻(xiàn)：

[1]張然治，任繼文.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)現(xiàn)狀及市場(chǎng)預(yù)測(cè)[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，1997（2）：1-9.

[2]汪創(chuàng)華，劉靜，姚瑞鋒，等.離心葉輪長(zhǎng)、短葉片參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)性能影響分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34（2）：270-273.

[3]彭森，楊策，馬朝臣，等.前傾角對(duì)離心壓氣機(jī)葉輪性能的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，45（2）：250-253.

[4]杜建一，湯華，趙曉路，等.葉頂間隙對(duì)離心壓氣機(jī)性能影響的研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2006，27（4）：583-585.

[5]陳山，楊策，楊長(zhǎng)茂，等.幾何參數(shù)對(duì)離心葉輪強(qiáng)度和氣動(dòng)性能影響的研究[J].流體機(jī)械，2012，40（3）：21-26.

[6]馬超，劉云崗，朱智富，等.無(wú)葉擴(kuò)壓器收縮角對(duì)車(chē)用離心壓氣機(jī)性能影響的數(shù)值研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010（4）：11-15.

[7]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].大同：兵器工業(yè)第七零研究所，1997.

[8]鄒滋祥，汪慶桓.渦輪增壓器的系列化設(shè)計(jì)、計(jì)算和性能試驗(yàn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991.