離心壓氣機非對稱有葉擴壓器拓穩(wěn)流動方法研究

佟鼎，田紅艷，劉欣源，何海龍，劉瑩，邢衛(wèi)東，吉建波，李廣瑞，賈曉亮

(1.中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術(shù)重點實驗室，天津 300400；2.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300130；3.中國人民解放軍駐616廠軍事代表室，山西 大同 037036)

內(nèi)燃機燃燒所釋放的總能量中，有25%～30%被排氣所帶走。渦輪增壓器利用這部分能量實現(xiàn)對進氣加壓，增加進氣密度，提高內(nèi)燃機各項性能指標。

隨著內(nèi)燃機強化程度的提高，所需求的渦輪增壓器壓比也不斷提高，提高壓比的直接效應就是葉輪進口馬赫數(shù)增大，從而使工作范圍變窄。傳統(tǒng)渦輪增壓離心壓氣機的穩(wěn)定工作范圍已不能滿足增壓內(nèi)燃機工作特性線的需求，因此，拓寬高壓比離心壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，已成為高壓比渦輪增壓技術(shù)的主要發(fā)展方向和關鍵問題之一[1-4]。高壓比離心壓氣機多采用有葉擴壓器，由于擴壓器通道內(nèi)布置了導流葉片，因此存在小攻角來流時旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象，相對于無葉擴壓器離心壓氣機，穩(wěn)定工作范圍更窄，因此，其流動穩(wěn)定性也得到國內(nèi)外研究學者的廣泛關注，并開展了大量的研究工作。Spakovszky[5]研究了擴壓器無葉段泄漏流對壓氣機的影響，結(jié)果表明葉輪出口泄漏流明顯減小了壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，并以此為基礎設計自適應邊界阻塞控制策略，使壓氣機效率提高1%。Ohta[6]研究了有葉擴壓器葉片前緣漩渦流動，結(jié)果表明，將擴壓器葉片前緣設計成偏向葉片底部的錐形，有利于控制葉片前緣漩渦，提高壓氣機的穩(wěn)定性。Hideaki[7]通過試驗研究了擴壓器安裝角及稠度對壓氣機性能的影響規(guī)律。林韻[8]探明了蝸殼非對稱結(jié)構(gòu)導致的離心壓氣機內(nèi)部流場非對稱性對壓氣機喘振的作用機理，建立了非對稱無葉擴壓器擴穩(wěn)設計準則，有效增大了離心壓氣機的工作范圍。

本研究針對有葉擴壓器離心壓氣機流動穩(wěn)定性的提升，通過蝸殼非對稱性對有葉擴壓器內(nèi)部流動的影響研究，改變蝸殼喉口處對應擴壓器葉片分布形式以及葉片的安裝角，提出了一種非對稱有葉擴壓器結(jié)構(gòu)，并詳細分析了有葉擴壓器內(nèi)部流動特性的變化，最終通過臺架試驗進行了驗證。

1 數(shù)值仿真模型的建立

圖1 離心壓氣機葉輪示意

研究對象為某高壓比離心壓氣機，葉輪外徑為176 mm，包括9支主葉片及9支分流葉片，幾何模型見圖1。

計算模型中包括葉輪、有葉擴壓器及蝸殼。有葉擴壓器及蝸殼流道見圖2。

計算采用CFX求解器；為揭示周向的影響，采用全周計算模型；計算采用Shear-Stress Transport湍流模型和一階迎風格式差分方法。

圖2 有葉擴壓器、蝸殼通道及葉片安裝角示意

進口邊界條件：軸向進氣，溫度298 K，壓力101 325 Pa。出口邊界條件：初始壓力，質(zhì)量流量。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初始壓力，每個轉(zhuǎn)速下均從大流量向小流量計算。當出口條件壓力響應不明顯時，采用質(zhì)量流量，直到壓比開始下降至接近壓氣機的失速點，當計算結(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，認為已到達喘振邊界。其收斂性判定依據(jù)有：全局殘差和各塊中殘差下降3個量級；進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。

圖3示出離心壓氣機有葉及無葉擴壓器級網(wǎng)格，其中葉輪網(wǎng)格330萬，擴壓器與蝸殼網(wǎng)格240萬。葉輪和蝸殼之間轉(zhuǎn)靜界面采用固結(jié)轉(zhuǎn)子法進行數(shù)據(jù)傳遞。

對稱有葉擴壓器離心壓氣機數(shù)值仿真模型計算結(jié)果與臺架性能試驗結(jié)果的對比見圖4。

圖3 有葉擴壓器離心壓氣機級網(wǎng)格

圖4 CFD仿真模型的標定結(jié)果

從圖4可以看出，CFD較好地預測出了對應的高效率點和工作范圍。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。

2 仿真計算結(jié)果分析

通過CFD仿真分析研究蝸殼非對稱性對周向?qū)ΨQ有葉擴壓器出口流動的影響規(guī)律，針對喉口處非均勻流動特征改變?nèi)~片喉口處的葉片位置分布，最后通過葉片角度的調(diào)整進一步優(yōu)化擴壓器內(nèi)部的流動結(jié)構(gòu)，并進行內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)分析。

2.1 蝸殼非對稱性對對稱葉片擴壓器出口流動的影響

圖5 擴壓器上空間的標記點

為了分析有葉擴壓器內(nèi)的流動情況，取擴壓器中截面空間周向均布的17個點進行數(shù)據(jù)分析，標記點見圖5。

計算中，采用50 000 r/min為分析對象，擴壓器內(nèi)部壓力變化見圖6。

圖6 不同工況點總壓隨位置點的變化

由圖6可以看出擴壓器出口處總壓的變化情況，喉口位置對擴壓器出口處的壓力分布產(chǎn)生了影響，擴壓器葉片進一步規(guī)范了擴壓器內(nèi)氣流的流動。隨著流量的減小，在喉口位置出現(xiàn)一個明顯的高壓區(qū)，高壓區(qū)的位置逐漸向流動下游位置擴展。受流動影響，堵塞點壓力在3～6點有一個先減小后增加的過程。

圖7示出有葉擴壓器通道內(nèi)熵增的變化情況。由圖7可以看出，隨著流量的變小，高熵區(qū)在有葉擴壓器內(nèi)相對于喉口區(qū)域向下游發(fā)展，說明喉口的存在，引起了喉口位置與有葉擴壓器流道內(nèi)流動的變化，產(chǎn)生了較強的流動損失。當流量較大時，對應的喉口上游通道內(nèi)流動損失也很大，這是因為從葉輪出口處的氣流進入到蝸殼通道內(nèi)壓力比較高的位置，產(chǎn)生了強烈的逆壓梯度流動，并且從葉輪出口處流出的氣流在有葉擴壓器內(nèi)流動沿程較短，直接進入到蝸殼通道內(nèi)，在喉口處出現(xiàn)了強烈的摻混效應。隨著流量的減小，葉輪出口處氣流的相對速度變小，流體在擴壓器的沿程變長，喉口上游的流體將隨旋轉(zhuǎn)切向有一部分重新進入到喉口下游通道，從而使高熵區(qū)沿流動方向擴展。

圖7 不同工況有葉擴壓器內(nèi)熵增分布等值線圖

2.2 喉口葉片分布對壓氣機流動特性的影響

通過第2.1節(jié)的分析可以看出，蝸殼喉口的存在對擴壓器內(nèi)部流動產(chǎn)生了非常明顯的影響，由于氣流在擴壓器內(nèi)的壓力得到提升，并且隨著氣流在蝸殼內(nèi)的流動(蝸殼面積由小至大)，所以流體流動在蝸殼內(nèi)也是一個減速擴壓的過程。而對于蝸殼內(nèi)部的流動，理想狀態(tài)是不存在壓力突變的位置，壓力一旦產(chǎn)生突變，對流動會產(chǎn)生明顯的干擾作用，帶來不必要的摻混損失，影響壓氣機的效率與穩(wěn)定性?；谟嬎憬Y(jié)果，通過進一步調(diào)整喉口處葉片擴壓器的葉片分布形式，對喉口處壓力進行整合，使得蝸殼流道內(nèi)的壓力分布更加均勻。

圖8 喉口葉片分布改進形式方案示意

在對稱葉片式擴壓器的基礎上，保證葉片安裝角不變，調(diào)整喉口處的葉片分布，由于喉口位置葉片過于稀疏造成壓比下降[9]，因此將喉口對應兩支葉片更改為一支(見圖8)。

改進方案旨在改變喉口處的葉片分布形式，使葉片變得更加稀疏，這樣從葉輪出口位置流出的氣流在擴壓器通道內(nèi)的擴壓程度將得到降低，從而改變喉口下游位置的流動狀態(tài)。通過CFD仿真分析得到的50 000 r/min時壓氣機性能計算結(jié)果見圖9。

圖9 非對稱改進方案與對稱葉片擴壓器性能對比結(jié)果

從圖9可以看出，相比于對稱有葉擴壓器離心壓氣機，改進方案改變了喉口的葉片分布，從而增加了擴壓器的流通面積，所以壓氣機的堵塞流量發(fā)生了明顯的變化，而改進方案與對稱有葉擴壓器離心壓氣機的壓比在小流量區(qū)域差別不大,這就為進一步調(diào)整喉口處擴壓器葉片提供了充足的欲度。由于喉口處葉片分布的調(diào)整，流量特性發(fā)生了一定的變化，所以在大流量區(qū)域，改進方案較對稱有葉擴壓器效率有明顯的提升，在小流量區(qū)域二者差異不大。

由圖10可以看出，對于堵塞工況而言，兩種有葉擴壓器的近喉口的0°區(qū)域，擴壓器4個葉片處出現(xiàn)低壓區(qū)，其他葉片出口處壓力分布相對較均勻。非對稱改進方案堵塞流量要高于對稱葉片擴壓器，葉輪葉片出口速度相對較大，造成喉口區(qū)域上游流動分離略大，出現(xiàn)的低壓區(qū)要高于對稱葉片擴壓器。在最高效率點，二者之間的差別并不是特別大，對稱有葉擴壓器低壓區(qū)向蝸殼喉口下游位置擴展，雖然近喉口位置葉片分布不同，但是由于葉片出口氣流角的變化，流動在擴壓器內(nèi)部更均勻順暢，所以在最高效率區(qū)差別不特別明顯。在近喘振工況點時，對稱有葉擴壓器低壓區(qū)繼續(xù)向下游擴展，但是改進方案中針對喉口位置的改變使得喉口葉片處產(chǎn)生了分離，存在進一步優(yōu)化空間。

從計算結(jié)果來看，堵塞點已經(jīng)能夠得到流動范圍的拓寬，為了分析喘振工況點的流動情況，可以進一步結(jié)合流線分布分析擴壓器內(nèi)部的流動情況。

由圖11可以看出，改進方案在改動后的擴壓器單個葉片處出現(xiàn)了回流，進而造成擴壓器內(nèi)部流動失速。因而可以改變?nèi)~片安裝角，進一步優(yōu)化該區(qū)域內(nèi)的流動狀態(tài)。

圖11 非對稱改進方案與對稱葉片擴壓器近喘振點流線分布

2.3 喉口葉片角對壓氣機流動特性的影響

針對近喘振工況時擴壓器葉片的流動分離，調(diào)整喉口下游處葉片角，不改變該葉片進口安裝角(依然保持為60°)，改變出口葉片角(由24°降低為20°)，改進方案見圖12。

圖12 改進葉片角方案示意

通過圖13的壓比特性與效率特性的對比分析可以看出，相比于原始方案(進口60°，出口24°)，改進方案(進口60°，出口20°)在較大流量工況點壓比和效率都得到了明顯的提升；隨著流量的減小，達到的最高壓比和效率值差異不明顯；而到了較小流量工況點，改進方案的穩(wěn)定性以及性能也比原始方案要有明顯的改善。這說明葉片出口角的改變對特性的改善起到了較好的作用，證明了角度調(diào)整方案的可行性。

圖13 改變出口角后的壓氣機性能對比

圖14示出改變出口角后的壓氣機總壓分布對比。通過堵塞點壓力分布可以看出，相對于原始方案，在保證出口靜壓相同的計算條件下，改進方案的低壓區(qū)明顯減小，而低壓區(qū)向下游的擴展程度也得到了減弱，壓力分布變得更加均勻。這就解釋了在壓力特性中，改進方案能夠明顯提升大流量區(qū)域的壓比。在高效率點，兩種方案在壓力特性與損失特性上差異不大，所以在特性的表征上(壓力特性與效率特性)也沒有明顯的差別。當流量減小以后，低壓區(qū)出現(xiàn)在所調(diào)整葉片的下部，主要是葉輪葉片出口氣流角變化所致，對比于原始方案，改進方案低壓區(qū)明顯變小，所帶來的直接影響就是擴壓器內(nèi)的穩(wěn)定性得到了明顯的提升。為了更進一步分析近喘振點內(nèi)部流動情況，可以結(jié)合流線分布進行分析。

通過圖15近喘振點流線分布可以看出，通過調(diào)整葉片角，喉口處對應葉片的回流區(qū)得到了減弱，從而對小流量工況點起到了明顯的改善作用。

圖14 改變出口角后的壓氣機總壓分布對比結(jié)果

圖15 角度改進方案與原始角度擴壓器近喘振點流線分布

3 試驗驗證

通過CFD仿真結(jié)果可以看出，通過對對稱有葉擴壓器喉口處葉片分布和角度的調(diào)整，可以進一步優(yōu)化有葉擴壓器離心壓氣機的性能，本節(jié)對最終調(diào)整分布和角度的方案進行了臺架性能試驗的驗證。

試驗原理圖見圖16。壓氣機渦輪端由氣源提供動力，通過氣源提供空氣進入燃燒室燃燒，為渦輪提供高溫高壓燃氣。渦輪轉(zhuǎn)速主要是通過渦輪進口流量、壓力和溫度來調(diào)節(jié)。試驗控制臺顯示參數(shù)穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)。測試過程一般從壓氣機大流量端開始，根據(jù)實際需要保持一定的流量間隔，逐漸減小流量，直到接近壓氣機的喘振流量工況。

為了完成對比，針對對稱有葉擴壓器及優(yōu)化的非對稱有葉擴壓器離心壓氣機進行了壓氣機性能試驗測量，對稱葉片擴壓器及非對稱葉片擴壓器試驗樣件見圖17。性能對比試驗結(jié)果見圖18。

1—雙扭線流量計；2—流量計壓差傳感器；3—壓氣機入口溫度壓力傳感器；4—轉(zhuǎn)速傳感器；5—待測壓氣機；6壓氣機出口溫度壓力傳感器；7—電動排氣控制閥；8—電動微調(diào)閥；9—渦輪；10—機油濾清器；11—回油泵；12—機油泵；13—換熱器；14—機油箱；15—燃燒室；16—燃油流量計；17—點火及切斷裝置；18—燃油調(diào)節(jié)閥；19—燃油箱；20—燃油泵；21—進氣流量計；22—進氣調(diào)節(jié)閥；23—進氣旁通閥；24—風機。圖16 試驗原理圖

圖17 對稱葉片擴壓器及非對稱葉片擴壓器試驗樣件

圖18 壓氣機性能對比試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果上看，相比于對稱有葉擴壓器，非對稱有葉擴壓器在高壓比區(qū)域優(yōu)勢比較明顯，高轉(zhuǎn)速區(qū)域喘振流量和堵塞流量都有一定的變化，整體的流量范圍得到了拓寬。以50 000 r/min為例，原始對稱有葉擴壓器壓氣機流量范圍為1.18～1.53 kg/s，改進之后為1.16～1.548 kg/s，整體流量范圍拓寬10.86%。

4 結(jié)論

a) 蝸殼喉口的存在對葉片式擴壓器出口的流動產(chǎn)生了強烈的影響，高壓區(qū)隨著流量的減小逐漸向喉口位置下游擴展，帶來的流動損失分布也基本一致；

b) 整體特性上，改變喉口處的葉片分布能夠使流量范圍變寬，能夠擴大流動的堵塞流量，但是在小流量工況點存在明顯的流動分離；可通過葉片分布的改變擴大離心壓氣機的流動范圍，但是擴壓器內(nèi)的流動分離和損失加??；

c) 通過葉片角分布的調(diào)整可以看出，改變喉口處的葉片角分布能夠提升流動的穩(wěn)定性，降低流動損失，能夠有效提升壓氣機的穩(wěn)定流動范圍，尤其對提升小流量工況點的特性有明顯的幫助；

d) 針對對稱有葉擴壓器及優(yōu)化的非對稱有葉擴壓器離心壓氣機進行了壓氣機性能試驗測量對比，對比結(jié)果表明，在高壓比區(qū)域，非對稱有葉擴壓器較對稱葉片式擴壓器離心壓氣機流量范圍提升10%左右。