可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉在兩級(jí)同軸離心壓氣機(jī)上的應(yīng)用

張申，吳孟龍，范俊巖，辛軍

(奕森科技(上海)有限公司，上海 201703)

0 引言

離心壓氣機(jī)相對(duì)于其他類型的壓氣機(jī)，具有單級(jí)壓比高、效率高、流量范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工機(jī)械、燃?xì)廨啓C(jī)、汽車渦輪增壓以及氫燃料電池空壓機(jī)等方面。

氫燃料電池是通向汽車零排放道路上的重要一步，氫燃料電池壓氣機(jī)要求流量大、效率高、流量范圍寬廣、壽命長(zhǎng)、無(wú)油、低噪聲，離心壓氣機(jī)被認(rèn)為是氫燃料電池最有前途的增壓方式之一[1]。空壓機(jī)功耗占?xì)淙剂想姵剌o助系統(tǒng)總功耗的90%，約占電池總輸出功率的13%，提升壓氣機(jī)效率對(duì)提升氫燃料電池系統(tǒng)效率非常重要[2]。

可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉(Variable Inlet Guide Vanes，VIGV),通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)旋，可以在不降低壓氣機(jī)最高效率的前提下，通過(guò)移動(dòng)壓氣機(jī)性能Map，使效率島中心位于不同工況點(diǎn)，進(jìn)而提高原非設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率[3]。

本文作者為兩級(jí)同軸離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)了可變進(jìn)氣導(dǎo)葉，用CFD的方法做了整級(jí)仿真，并獲取了可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣導(dǎo)葉可以有效提升目標(biāo)工況(壓氣機(jī)非設(shè)計(jì)點(diǎn))效率，最高提升1.6%。

1 研究模型

1.1 兩級(jí)離心壓氣機(jī)

圖1為某公司現(xiàn)有的電動(dòng)兩級(jí)壓氣機(jī)，低、高壓離心壓氣機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)運(yùn)行，每一級(jí)壓氣機(jī)均由葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器、蝸殼構(gòu)成，低壓壓氣機(jī)蝸殼出口通過(guò)管道直接連接到高壓壓氣機(jī)進(jìn)口。低、高壓壓輪直徑均為60 mm，葉輪均為9大葉片+9小葉片的結(jié)構(gòu)。

圖1 兩級(jí)離心壓氣機(jī)

相對(duì)于單級(jí)離心壓氣機(jī)，這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)可以使設(shè)計(jì)點(diǎn)落在最佳比轉(zhuǎn)速附近，提升設(shè)計(jì)點(diǎn)效率，并抵消軸向力。但兩級(jí)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)會(huì)降低壓氣機(jī)整機(jī)高效工作范圍；連接兩級(jí)壓氣機(jī)的彎管會(huì)造成高壓壓氣機(jī)進(jìn)氣畸變，這也對(duì)效率和工作范圍產(chǎn)生負(fù)面作用。

該壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)和某應(yīng)用項(xiàng)目工作點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1，應(yīng)用項(xiàng)目的工況點(diǎn)偏離現(xiàn)有壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)，故效率有待提高。文中目的是通過(guò)為兩級(jí)離心壓氣機(jī)分別設(shè)計(jì)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉，提升該工況點(diǎn)效率。同時(shí)證明可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)葉在擴(kuò)展兩級(jí)同軸離心壓氣機(jī)高效率工作范圍的可行性。

表1 兩級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)

1.2 可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉

1.2.1 可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)葉原理

進(jìn)氣導(dǎo)葉可以對(duì)離心壓氣機(jī)進(jìn)氣產(chǎn)生節(jié)流和預(yù)旋作用。葉輪進(jìn)、出口速度三角形如圖2、圖3所示。

圖2 壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口速度三角形示意

圖3 壓氣機(jī)葉輪出口速度三角形示意

由速度三角形可知，正預(yù)旋可以減小葉輪進(jìn)氣攻角，改善喘振點(diǎn)附件進(jìn)氣條件，惡化堵塞點(diǎn)附近進(jìn)氣條件，使工作范圍向小流量方向移動(dòng)。同時(shí)正預(yù)旋會(huì)降低壓氣機(jī)扭速和葉片對(duì)氣體的輸入功，從而降低壓比，故正預(yù)旋使壓氣機(jī)Map向小流量、低壓比方向移動(dòng)，如公式(1)。反之，反預(yù)旋使壓氣機(jī)Map向大流量、高壓比方向移動(dòng)。對(duì)于兩級(jí)離心壓氣機(jī)，可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉還能夠調(diào)節(jié)兩級(jí)壓氣機(jī)載荷和壓比的分配，使低、高壓壓氣機(jī)更好地協(xié)同工作。此外，導(dǎo)葉還具有整流作用，削弱高壓壓氣機(jī)由于進(jìn)氣道彎管引起的進(jìn)氣畸變，進(jìn)一步改善壓氣機(jī)性能。

基于上述，可以通過(guò)調(diào)節(jié)可變進(jìn)氣導(dǎo)葉，將效率島中心移動(dòng)到原先的非設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近，進(jìn)而達(dá)到提升該工況點(diǎn)效率的目的。

(1)

式中：π為壓氣機(jī)壓比；k為氣體比熱容比；R為理想空氣氣體常數(shù)；T01為壓氣機(jī)進(jìn)口總溫；U1、U2分別為葉輪進(jìn)、出口葉片線速度；C1、C2分別為葉輪進(jìn)、出口絕對(duì)速度；θ1、θ2分別為葉輪進(jìn)、出口絕對(duì)速度與軸向、徑向的夾角。

1.2.2 可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)葉設(shè)計(jì)

基于某直翼型，為低、高壓壓氣機(jī)分別設(shè)計(jì)了進(jìn)氣導(dǎo)葉。導(dǎo)葉翼型和截面如圖4(a)所示，VIGV與壓氣機(jī)葉輪的工作狀態(tài)如圖4(b)所示。低、高壓導(dǎo)葉的葉片數(shù)均為9片，周向均勻分布，采用相同的葉型，葉片可以繞貫穿葉片弦線中心的徑向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)葉尾緣與葉輪前緣的最小距離為導(dǎo)葉最大弦長(zhǎng)的1倍，足夠大的該間距可以減小導(dǎo)葉尾跡對(duì)下游葉輪的影響；導(dǎo)葉的最大直徑與葉輪進(jìn)口葉尖直徑之比為1.4。

圖4 VIGV葉型及與壓氣機(jī)葉輪組合狀態(tài)

2 仿真方法

2.1 計(jì)算模型

基于有限體積法的CFD軟件，利用雷諾平均N-S方程的SST模型對(duì)兩級(jí)離心壓氣機(jī)整級(jí)做了仿真。葉輪部分選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，導(dǎo)葉和蝸殼流道部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，圖5為仿真計(jì)算模型。

圖5 計(jì)算模型

2.2 邊界條件

進(jìn)氣條件選用壓力入口，給定環(huán)境的總溫總壓，出口為流量出口，給定所需流量。轉(zhuǎn)靜交界面采用混合面法處理。計(jì)算轉(zhuǎn)速為100 000 r/min。規(guī)定導(dǎo)葉預(yù)旋方向與轉(zhuǎn)速相反時(shí)，開(kāi)啟角度為正，反之為負(fù)。低壓導(dǎo)葉分別取-10°、-5°、0°、10°、20°，高壓導(dǎo)葉分別取0°、10°、20°、30°、40°。共計(jì)算了25個(gè)低、高壓VIGV角度組合方案和1個(gè)無(wú)VIGV方案，邊界條件見(jiàn)表2。

表2 邊界條件

3 仿真結(jié)果

3.1 整體結(jié)果

圖6和圖7分別為CFD得到的壓氣機(jī)整機(jī)效率、壓縮比隨VIGV角度的變化曲線。

圖6 等熵效率隨VIGV角度的變化

圖7 壓比隨VIGV角度的變化

在該項(xiàng)目需求的轉(zhuǎn)速、流量工況點(diǎn)下，隨著VIGV角度的增大，壓氣機(jī)壓比上升，等熵壓縮效率先上升后下降。低壓導(dǎo)葉角度到達(dá)20°之后，效率迅速下降，高壓導(dǎo)葉角度達(dá)到20°后，升壓速度變緩。帶VIGV的壓氣機(jī)在低壓VIGV角度大于-10°，高壓VIGV角度大于0°的條件下，壓比均高于不帶VIGV的壓氣機(jī)。帶VIGV壓氣機(jī)的效率最高高于無(wú)VIGV壓氣機(jī)1.6%。

帶VIGV方案最高效率點(diǎn)的仿真結(jié)果與無(wú)VIGV仿真結(jié)果見(jiàn)表3，帶VIGV方案壓比高于無(wú)VIGV方案0.14，效率高于無(wú)VIGV方案1.6%。其中，兩者低壓機(jī)性能差異較小，高壓級(jí)效率差異較大，前者效率高于后者3.7%。

表3 無(wú)VIGV與帶VIGV方案仿真性能對(duì)比

3.2 流場(chǎng)分析

由文中可知，在涉及項(xiàng)目的工況點(diǎn)下，帶VIGV方案壓氣機(jī)性能優(yōu)于不帶VIGV壓氣機(jī)，其主要性能差異在于高壓級(jí)的變化，文中選取兩算例的高壓級(jí)壓氣機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1 高壓級(jí)進(jìn)氣截面流場(chǎng)分析

由于高壓壓氣機(jī)進(jìn)氣口前彎管的存在，高壓氣機(jī)存在進(jìn)氣畸變。圖8為兩算例高壓級(jí)進(jìn)口截面速度矢量圖，無(wú)VIGV壓氣機(jī)高壓級(jí)進(jìn)口存在3個(gè)旋渦，帶VIGV壓氣機(jī)高壓級(jí)進(jìn)口截面流動(dòng)矢量沿預(yù)旋方向均勻分布，無(wú)旋渦和分離存在。

圖8 高壓壓氣機(jī)進(jìn)口截面速度矢量

圖9為兩算例高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口截面總壓云圖。無(wú)VIGV方案的進(jìn)口的高壓區(qū)偏向一側(cè)，而帶VIGV方案的進(jìn)口截面總壓沿沿周向基本均勻分布。這是由于高壓級(jí)的進(jìn)氣導(dǎo)葉不僅起了預(yù)旋作用，還起到了整流作用。

圖9 高壓壓氣機(jī)進(jìn)口截面總壓云圖

3.2.2 葉輪內(nèi)流動(dòng)分析

圖10為兩方案高壓壓氣機(jī)葉輪50%葉高的葉片載荷分布。帶VIGV方案前緣附近載荷高于無(wú)VIGV方案，根據(jù)可控?cái)U(kuò)散葉型原理[4]，葉片前緣附近邊界層最薄，具有最好的做功條件，適宜承擔(dān)更高載荷；帶VIGV方案在葉片中部載荷更低，葉片中部附面層較厚，降低載荷有利于推遲邊界層分離。

圖10 高壓壓氣機(jī)50%葉高葉片載荷分布

文中葉輪存在分流葉片載荷過(guò)低、與主葉片載荷相差過(guò)大的問(wèn)題，這會(huì)增加出口摻混損失，降低效率。帶VIGV方案分流葉片載荷更高，緩解了該問(wèn)題，即帶VIGV方案對(duì)葉片載荷的分布進(jìn)行了一定的優(yōu)化，是效率得以提升的原因之一。

熵增是表征流動(dòng)混亂程度的參數(shù)，高熵增伴隨更高的損失。圖11為兩方案高壓壓氣機(jī)葉輪50%葉高截面的靜熵分布，帶VIGV方案高熵區(qū)域面積更小，這得益于該方案葉片中部更小的載荷。

圖12為兩方案高壓壓氣機(jī)葉輪子午面平均靜熵，帶VIGV方案的高壓壓氣機(jī)進(jìn)口附近熵值更低，這得益于上游導(dǎo)葉的整流作用。

圖11 高壓壓氣機(jī)50%葉高熵值云圖

圖12 高壓壓氣機(jī)子午面平均熵值

4 結(jié)論

文中為氫燃料電池的兩級(jí)同軸離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)了可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)葉，并用CFD的方法獲取了在某非設(shè)計(jì)工況條件下，壓氣機(jī)性能隨可調(diào)導(dǎo)葉角度的變化規(guī)律，結(jié)果表明：

(1)隨正預(yù)旋角度的增加，壓氣機(jī)提升，效率先提升后降低。

(2)相對(duì)于無(wú)VIGV的壓氣機(jī)，帶VIGV壓氣機(jī)壓比提高0.14，效率提升1.6%。壓比的提升在于VIGV反預(yù)旋而提升的扭速；效率的提升源于VIGV的整流作用以及對(duì)葉片載荷的合理調(diào)整。

(3)增加可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)葉是提高兩級(jí)離心壓氣機(jī)高效率范圍的有效方法。