葉片厚度及葉片數(shù)對離心式壓氣機(jī)效率的影響研究

盧廣超，李國祥，李延昭，王桂華，邵同林,司英杰

(1.山東大學(xué)　能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南　250061；2.康躍科技股份有限公司，山東 壽光　262718;3.機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 壽光　262718)

引言

離心式壓氣機(jī)主要是由葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼等部分組成。其中，葉輪作為做功單元，對于壓氣機(jī)效率有著十分重要的影響。葉輪將來自渦端的能量通過葉片傳遞給進(jìn)氣，因此葉片布置是否合理，對于壓氣機(jī)效率有著決定性的作用。葉片在傳遞能量的同時(shí)，占據(jù)了流動(dòng)空間，并增加了摩擦損失，葉片厚度和葉片數(shù)直接決定葉片占用空間的大小，并且對于流道內(nèi)的二次流情況也有很大的影響，因此對這兩者和壓氣機(jī)效率之間的關(guān)系進(jìn)行研究，并從流動(dòng)角度分析產(chǎn)生影響的原因，為實(shí)際生產(chǎn)過程中葉片數(shù)和葉片厚度的選擇提供了重要的理論支持，具有很大的參考意義。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于葉片數(shù)以及葉片厚度對于壓氣機(jī)效率和內(nèi)部流動(dòng)的影響有很多研究。Dean[1]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了二維“射流-尾跡(Jet-Wake)”模型理論，Johnson[2]利用這一模型分析了無葉擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)損失，此后Fowler[3]以及Bammert[4]對低轉(zhuǎn)速的離心葉輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，都觀察到葉輪出口的射流尾跡。國內(nèi)學(xué)者也做了大量的研究。孫志剛[5]通過研究發(fā)現(xiàn)了在流道中后段存在著強(qiáng)烈的葉表二次流、葉頂通道二次流以及葉頂泄漏二次流,并認(rèn)為射流尾跡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的根本原因在于葉片通道中機(jī)匣附近區(qū)域存在兩股反向流動(dòng)、強(qiáng)度較大的二次流渦流，在出口某一位置斜向沖撞；湯華[6]針對一臺(tái)高壓比離心式壓氣機(jī)進(jìn)行研究，對壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行分析，并討論了葉片厚度的選擇和分流葉片的布置方式對壓氣機(jī)性能的影響。陳杰等[7]研究發(fā)現(xiàn)隨著葉片數(shù)的增多，葉片所承受的載荷將會(huì)減小，葉背區(qū)域的分離趨勢減小，對于葉片通道內(nèi)的流動(dòng)有很大的改善。

本文基于前人研究的基礎(chǔ)針對某型號的車用廢氣渦輪增壓器的壓端，采用商用CFD軟件NUMECA進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，研究了不同流量和轉(zhuǎn)速工況下壓氣機(jī)等熵效率和葉片厚度以及葉片數(shù)之間的聯(lián)系，并對內(nèi)部流動(dòng)中產(chǎn)生的二次流和尾跡流的進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對葉片厚度和葉片數(shù)的變化如何引起的離心壓氣機(jī)效率損失進(jìn)行了理論分析。

1　計(jì)算模型及標(biāo)定

表1　離心壓氣機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

1.1　幾何模型

本文的研究對象為一臺(tái)車用渦輪增壓器的離心式壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)主要由無葉擴(kuò)壓器、轉(zhuǎn)子、和壓氣機(jī)蝸殼三部分構(gòu)成，首先通過ProE建立幾何模型，并通過NUMECA進(jìn)行前期幾何處理。該增壓器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和流量分別為100 000 r/min和0.19 kg/s，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.2　網(wǎng)格劃分

由于當(dāng)模擬計(jì)算達(dá)到收斂條件時(shí)，壓氣機(jī)內(nèi)部流場將處于穩(wěn)定狀態(tài)，在葉輪通道內(nèi)的每個(gè)流道內(nèi)部的流動(dòng)情況是一樣的，因此，當(dāng)壓殼周向不均勻并沒有對研究內(nèi)容產(chǎn)生影響很大時(shí)，為了兼顧計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確性，可以采用單流道的計(jì)算模型。由于本文的研究課題為葉片厚度和葉片數(shù)對壓氣機(jī)效率損失因素的影響，并沒有考察蝸殼對于內(nèi)部流動(dòng)的影響，滿足上述單流道計(jì)算條件，因此，采用了一對葉片之間的流道進(jìn)行了數(shù)值模擬。

葉輪和擴(kuò)壓器之間存在轉(zhuǎn)靜關(guān)系，因此在計(jì)算前需要設(shè)置為轉(zhuǎn)靜子連接，因此在IGG模塊設(shè)置邊界定義時(shí)需要設(shè)為轉(zhuǎn)靜子交界面(ROT)，否則NUMECA將默認(rèn)為固體壁面(SOL)，同時(shí)為了保證網(wǎng)格塊之間數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，對于網(wǎng)格塊之間的交界面均設(shè)置應(yīng)盡量設(shè)置為完全匹配連接(CON)。對于無法完全匹配連接的面要設(shè)置為非匹配連接(SOL*)。整個(gè)計(jì)算模型的計(jì)算網(wǎng)格正交角度最大值小于50°，拓寬比最大值小于5，延伸比最大值不大于500，均達(dá)到NUMECA對于計(jì)算的要求。網(wǎng)格總數(shù)在790 000左右。整體網(wǎng)格和單流道網(wǎng)格如圖1所示。

圖1　整體網(wǎng)格和單流道網(wǎng)格示意圖

1.3　參數(shù)設(shè)置

對于整個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算前，需要在FINE/Turbo中對各個(gè)連接網(wǎng)格面進(jìn)行邊界設(shè)置。主要包括壓氣機(jī)進(jìn)口、蝸殼出口和整體壁面三個(gè)方面的設(shè)置。在進(jìn)口方面給定初始壓力，進(jìn)氣總溫以及進(jìn)氣方向(垂直于進(jìn)口邊界)，其中壓力和溫度根據(jù)不同工況下的原機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置；在出口方面也根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給定計(jì)算流量和初始壓力；對于壁面方面，要根據(jù)模擬工況繼續(xù)相應(yīng)工況的壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn)速設(shè)置，另外，還需要設(shè)置壓氣機(jī)流道的粗糙度，葉輪表面將粗糙度設(shè)為2 μm，壓殼流道將粗糙度設(shè)為4 μm。

由于整個(gè)計(jì)算模型在劃分網(wǎng)格時(shí)被分為葉輪和壓氣機(jī)蝸殼兩部分。因此在計(jì)算前需要對網(wǎng)格塊進(jìn)行分組，并進(jìn)行相應(yīng)的命名。流體介質(zhì)選擇理想氣體，由于本文考慮了粗糙度對于壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的影響，因此在湍流模型方面選擇了S-A(Extended Wall Function)，并進(jìn)行了上述粗糙度設(shè)置。離散格式采用二階Jameson中心格式，并采用四階時(shí)間推進(jìn)方法結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長和多重網(wǎng)格技術(shù)加快求解速度[8]，轉(zhuǎn)靜子交界面選擇了域平均設(shè)置。

2　模型驗(yàn)證及分析方案

2.1　模型驗(yàn)證

在進(jìn)行不同方案的模擬計(jì)算之前，需要對計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，為了驗(yàn)證上述參數(shù)設(shè)置的有效性，將壓氣機(jī)等熵效率的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間進(jìn)行了對比，如圖2所示，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)值之間的相對誤差均處于3%以內(nèi)，兩者比較相符，因此可以判定計(jì)算模型的結(jié)果用來進(jìn)行葉片厚度和葉片數(shù)對于壓氣機(jī)效率的影響研究是可行的。

2.2　不同葉片數(shù)和葉片厚度方案設(shè)置

首先對于原來的葉片厚度進(jìn)行了80%和60%減薄的數(shù)值模擬分析，并分別記為：1，0.8，0.6(下同)。對這三組葉片分別進(jìn)行不同工況下的計(jì)算分析。原機(jī)葉輪由帶分流葉片的前彎后掠葉片組成，共7對，本文在葉型不變的前提下，進(jìn)行了6對和8對葉片的計(jì)算分析，并對不同厚度葉片在葉片數(shù)變化時(shí)的影響也進(jìn)行了分析。

3　計(jì)算結(jié)果分析與討論

圖3　不同葉片厚度壓氣機(jī)效率隨流量的變化曲線

3.1　不同葉片厚度計(jì)算分析

圖3為轉(zhuǎn)速為100 000 r/min時(shí)，不同厚度葉片的壓氣機(jī)的效率隨流量的變化曲線，由該圖可以看出隨著葉片厚度的減小，壓氣機(jī)效率逐漸增加，但增加幅度逐漸減小。此外還可以看出較薄葉片壓氣機(jī)效率在大流量工況上有很大的改善，因此也可以判斷葉片的減薄會(huì)增大壓氣機(jī)堵塞點(diǎn)的流量值。這主要是由于葉片厚度的減小改善了葉輪出口處的流動(dòng)，尾跡損失減小，并且葉片厚度的減小也增大了流道的通道面積。

圖4為葉片厚度由1減至0.8時(shí)，壓氣機(jī)效率提高量在不同轉(zhuǎn)速下隨流量的變化曲線。圖5為葉片厚度由0.8減至0.6時(shí)，壓氣機(jī)效率提高量在不同轉(zhuǎn)速下隨流量的變化曲線。由兩圖可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，葉片厚度變化引起的效率提高量均隨著流量的增加而增大的趨勢。此外，隨著轉(zhuǎn)速的升高，效率提高量逐漸減小，這主要是由于同一流量在高低速工況下分別對應(yīng)偏小流量和偏大流量，因此這與效率隨流量的變化趨勢是一致的。

圖4　壓氣機(jī)效率提高量隨流量的變化曲線

圖5　壓氣機(jī)效率提高量隨流量的變化曲線

3.2　不同葉片數(shù)計(jì)算分析

圖6和7為壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速，葉片厚度為0.8，葉片數(shù)分別為6、7、8對時(shí)，壓氣機(jī)效率隨流量的變化曲線。由圖6可以看出，在本模型設(shè)置的粗糙度前提下，隨著葉片數(shù)的增多，壓氣機(jī)效率有所降低，這主要是由于葉片數(shù)的增加雖然可以改善葉輪內(nèi)的流動(dòng)，但是也增大了氣體與葉輪之間的摩擦面積，因此壓氣機(jī)效率損失增加。由圖7可以看出葉片數(shù)減少在效率改善的同時(shí)，又會(huì)引起壓比的降低，在本文中葉片數(shù)由8對減至6對時(shí)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況壓比由2.308減至2.283，并且也會(huì)造成葉片載荷的增加，從而縮短葉輪的使用壽命。

圖6　不同葉片數(shù)壓氣機(jī)效率隨流量的變化曲線

圖7　壓氣機(jī)壓比隨流量的變化曲線

圖8　壓氣機(jī)效率提高量隨流量的變化曲線

圖8為壓氣機(jī)在設(shè)定轉(zhuǎn)速下，葉片厚度由1減至0.8，葉片數(shù)分別為6、7、8對時(shí)，壓氣機(jī)效率提高量隨流量的變化趨勢。由該圖可以得到當(dāng)葉片數(shù)增加時(shí)，葉片厚度改變對于壓氣機(jī)效率影響也逐漸變大，這是由于葉片數(shù)越多，葉片厚度減小引起的流通面積的增大越明顯，對流動(dòng)情況的改善也更加明顯。

圖9和圖10分別為葉片數(shù)由8對變?yōu)?對和由7對變?yōu)?對時(shí)，三種厚度葉片的壓氣機(jī)效率提高量隨流量的變化曲線。由該圖可以看出，厚度較大的葉片的效率對于葉片數(shù)變化更加敏感，因此僅從效率方面來考慮的話，在滿足負(fù)荷強(qiáng)度的前提下，可以采用60%厚度的葉片，并適當(dāng)減小葉片數(shù)目，從而減少生產(chǎn)成本。

圖9　壓氣機(jī)效率提高量隨流量的變化曲線

圖10　壓氣機(jī)效率提高量隨流量的變化曲線

3.3　內(nèi)部流場分析

為了便于觀察，對不同厚度的葉片在0.25 kg/s流量時(shí)的50%葉高B2B平面進(jìn)行流動(dòng)分析。圖11和12分別為葉片數(shù)為7對，葉片厚度為1，在設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速，流量為0.25 kg/s的50%葉高B2B平面的熵值分布和二次流分布示意圖。圖13和14分別為葉片數(shù)為7對，葉片厚度為0.6，轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，流量為0.25 kg/s時(shí)的50%葉高B2B平面的熵值分布和二次流分布示意圖。由圖11和13對比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉片厚度減小時(shí)，葉輪出口處和壓殼內(nèi)的高熵值區(qū)域明顯減少，也就意味著效率損失更小。由圖12和14對比可以發(fā)現(xiàn)，由于葉片壓力面和吸力面之間存在壓力差，因此在葉輪出口處氣體形成二次流區(qū)域。此外，由于葉輪通道內(nèi)存在兩個(gè)反向二次流渦流，并在出口處發(fā)生沖撞，進(jìn)而與二次流區(qū)域發(fā)生混合，造成尾跡損失。但是該區(qū)域在葉片厚度減為0.6時(shí)明顯縮小，并且對于下游流動(dòng)——?dú)怏w在擴(kuò)壓器和壓殼內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生的不利影響也減弱，因此葉片厚度減小時(shí)，效率會(huì)有所改善。

圖11　葉片厚度為1時(shí)50%葉高B2B平面熵值分布圖

圖12　葉片厚度為1時(shí)50%葉高B2B平面二次流分布圖

圖13　 葉片厚度為0.6時(shí)50%葉高B2B平面熵值分布圖

圖14葉片厚度為0.6時(shí)50%葉高B2B平面二次流分布圖

圖15　葉片數(shù)為6對時(shí)50%葉高B2B平面馬赫數(shù)及二次流分布圖

圖16　葉片數(shù)為8對時(shí)50%葉高B2B平面馬赫數(shù)及二次流分布圖

圖17　葉片數(shù)為6對時(shí)50%葉高B2B平面熵值分布

圖18葉片數(shù)為8對時(shí)50%葉高B2B平面熵值分布

圖15和16分別為葉片數(shù)為6對和8對，葉片厚度為0.8，轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，流量為0.25kg/s時(shí)，50%葉高B2B平面的馬赫數(shù)分布及二次流情況。圖17和18分別為葉片數(shù)為6對和8對，轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，流量為0.25 kg/s時(shí)，50%葉高B2B平面的熵值分布情況。由圖15和16的對比可以發(fā)現(xiàn)，6對葉片的葉輪流道內(nèi)的兩個(gè)反向二次流渦流的渦核距離更大，更靠近葉輪出口，并且沖撞區(qū)域也更大，因此效率損失較8對葉片的葉輪要大，但是兩圖的相對馬赫數(shù)分布對比可以發(fā)現(xiàn)，8對葉片的葉輪出口氣體速度更快，因此在無葉擴(kuò)壓器和蝸殼段所產(chǎn)生的摩擦損失也更大，如圖17和18所示的熵值分布也很好的說明了這一點(diǎn)。加之葉片數(shù)目的增加加大了氣體與葉輪之間的摩擦面積，進(jìn)一步增大了摩擦損失，因此葉片數(shù)變化對于壓氣機(jī)效率的影響需要考慮粗糙度等多個(gè)因素，在實(shí)際生產(chǎn)中，也應(yīng)該根據(jù)多方面的因素進(jìn)行最優(yōu)化方案的選擇。

4　結(jié)論

1)隨著葉片厚度的增加，壓氣機(jī)效率有所降低，但衰減幅度逐漸減小，這主要是由于葉片厚度的增加，會(huì)擴(kuò)大尾跡二次流區(qū)域，并對擴(kuò)壓器和壓殼內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生不利的影響，效率損失增加。

2)在恒定轉(zhuǎn)速下，葉片厚度變化引起的效率提高量隨著流量的增加而增大；在恒定流量下，葉片厚度變化引起的效率提高量隨著轉(zhuǎn)速的升高而逐漸降低，這兩者在本質(zhì)上是一致的。

3)葉片數(shù)目的減小意味著葉輪通道擴(kuò)大，導(dǎo)致流道內(nèi)的二次流渦流沖撞區(qū)域擴(kuò)大，更靠近葉輪出口，從而造成的效率損失增加，但是由于減小了摩擦損失，因此壓氣機(jī)效率有所改善，但壓比有所降低，并且氣體載荷也增大。

4)在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行葉片數(shù)和葉片厚度的合理配合，從而達(dá)到降低成本和提高生產(chǎn)效率的目的。

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