離心壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計與流場仿真分析

任濟(jì)民， 梁前超， 賀 星，高海寧

(1. 海軍工程大學(xué) 艦船動力工程軍隊重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

微型燃?xì)廨啓C(jī)用途廣泛，可以在無人機(jī)、巡航導(dǎo)彈、坦克等軍用車輛中用作動力來源，也可以在電網(wǎng)中用作發(fā)電裝置[1]。微型燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件由離心壓氣機(jī)、燃燒室以及渦輪組成，其中離心壓氣機(jī)起到提供壓縮空氣的作用。離心壓氣機(jī)由葉輪和擴(kuò)壓器兩部分組成，其中葉輪旋轉(zhuǎn)對氣體做功，而擴(kuò)壓器則起到對氣體減速增壓的作用。離心壓氣機(jī)雖然內(nèi)部流動復(fù)雜，但單級增壓比高，因具有一體化結(jié)構(gòu)而易加工制造，并且穩(wěn)定工作范圍大[2]。為了使微型燃?xì)廨啓C(jī)推力或者效率滿足預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，人們對所需要的離心壓氣機(jī)性能提出了更高的要求。

離心式壓氣機(jī)的研究手段主要有兩種，一種是實(shí)驗(yàn)研究，另外一種是數(shù)值模擬計算。數(shù)值模擬計算具有成本低、周期短的優(yōu)點(diǎn)，但在仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性驗(yàn)證方面存在困難。隨著計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)的發(fā)展，網(wǎng)格劃分越來越精細(xì)，湍流模型設(shè)計越來越合理，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性得到了很大的提高。離心壓氣機(jī)的設(shè)計已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，設(shè)計方法不斷更新升級，葉輪的設(shè)計從二維研究向三維直曲面以及三維自由曲面發(fā)展，掠葉片技術(shù)、分流葉片技術(shù)、多葉輪串列技術(shù)[3-4]的應(yīng)用都對葉輪流場的改善起到了一定的作用。

帶分流葉片的離心壓氣機(jī)設(shè)計是目前市場上最常見、最廣泛的。分流葉片能有效地改善葉輪出口尾流和內(nèi)部流動情況，降低進(jìn)口氣流的沖擊損失，減小葉片自身厚度對氣流的阻礙[5]。本文設(shè)計的離心壓氣機(jī)模型均為帶分流葉片的模型，離心壓氣機(jī)的一維、二維設(shè)計和三維造型都可以借助CFD的方法快速生成[6]。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，對于軸流葉柵的稠度和離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器的稠度研究較多，而有關(guān)離心壓氣機(jī)葉輪葉片稠度研究的文獻(xiàn)相對較少。本文利用Vista CCD進(jìn)行一維計算，并運(yùn)用Bladegen進(jìn)行二維設(shè)計和三維造型，構(gòu)造出設(shè)計壓比為4.2，轉(zhuǎn)速為90 000 r/min的壓氣機(jī)模型，對離心壓氣機(jī)葉輪葉片稠度進(jìn)行分析，給出設(shè)計模型的最佳葉輪葉片數(shù)量。

1 葉輪氣動設(shè)計

1.1 葉輪初步設(shè)計

在通常情況下，對葉輪進(jìn)行氣動設(shè)計時首先要進(jìn)行一維計算，確定葉輪子午面基本輪廓。選用Vista CCD軟件做一維計算，給定葉輪部分結(jié)構(gòu)和氣體進(jìn)口總溫、進(jìn)口總壓、設(shè)計流量、壓比等參數(shù)，可輸出計算結(jié)果。一維計算沒有考慮擴(kuò)壓器總壓損失，所以壓比計算輸入值要在5以上，才能得到4.2的實(shí)際壓比。表1為計算給定參數(shù)。

表1 計算給定參數(shù)

1.2 葉輪二維、三維造型設(shè)計

將Vista CCD計算生成的結(jié)果傳遞到Bladegen，可計算得到葉輪的二維子午輪廓圖，如圖1所示。葉輪出口半徑與進(jìn)口半徑分別為62 mm和43.9 mm，葉輪出口高度為5.1 mm。

圖1 葉輪子午面輪廓圖

由于葉輪轉(zhuǎn)速高，載荷大，為使葉輪能夠達(dá)到一定強(qiáng)度，在葉輪的Blade-to-Blade視圖中，對葉片進(jìn)行了加厚處理，如圖2所示。葉片加厚之后Blade-to-Blade視圖如圖3所示，葉根處最大厚度為2.9 mm。葉片為扭葉片造型。由于葉輪的體積、流道較小，前后掠型對葉輪流道通流環(huán)境影響小，所以并沒有對葉輪采用掠型設(shè)計。

圖2 葉片厚度分布圖

(a) 葉根 (b) 25%葉高

(c) 75%葉高 (d) 葉頂

圖3 葉片Blade-to-Blade視圖

將葉輪葉片Blade-to-Blade模型進(jìn)行徑向疊積后，生成了三維仿真模型。接下來對模型的子午輪廓進(jìn)行微調(diào)，使用三維流場來分析檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。對壓氣機(jī)的設(shè)計有三個要求：(1)具有良好的氣動性能；(2)設(shè)計模型方便加工制造；(3)葉輪要具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度與硬度。

1.3 葉輪葉片稠度對氣動性能影響分析

為了探究葉輪葉片稠度對葉輪性能的影響，并且尋求最佳的葉輪葉片數(shù)目，利用Bladegen分別建立帶6、7、8、9、10、11、12個主葉片和分流葉片的模型。網(wǎng)格利用TurboGrid軟件構(gòu)造。為了使單通道計算域內(nèi)網(wǎng)格密度保持一致，減小網(wǎng)格數(shù)量對結(jié)果的影響，葉輪的單通道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別設(shè)置為50萬、42萬、37.5萬、33.3萬、30萬、27萬、25萬。其中，帶9個葉片的葉輪模型和單通道網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 9葉片葉輪模型和單通道網(wǎng)格

邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)口總壓為101 325 Pa；葉輪轉(zhuǎn)速為90 000 r/min；葉輪出口氣流量為0.9 kg/s；計算模型為k-ε模型。對上述所有葉輪進(jìn)行CFX仿真分析，處理結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。圖5為設(shè)計轉(zhuǎn)速下葉片數(shù)量與葉輪效率的關(guān)系，圖6、圖7為設(shè)計轉(zhuǎn)速下葉片數(shù)量與出口靜壓、出口總壓的關(guān)系。

圖5 葉片數(shù)量與葉輪效率的關(guān)系

圖6 葉片數(shù)量與出口靜壓的關(guān)系

圖7 葉片數(shù)量與出口總壓的關(guān)系

由圖5至圖7可知，隨著葉片數(shù)量的增加，葉片效率、出口靜壓、出口總壓都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。圖8為6葉片葉輪、9葉片葉輪和12葉片葉輪的壓力面、吸力面壓力分布圖。由圖8可知，葉片數(shù)目越少，壓力面與吸力面的壓差越大，因而氣體流動分離現(xiàn)象越嚴(yán)重，導(dǎo)致效率、靜壓、總壓都下降。此外葉片數(shù)目過少會使流道邊界增厚，并且增加單個葉片的載荷。而葉片數(shù)量過多，則會增加摩擦損失，還會阻塞氣體流入進(jìn)氣口，使得效率下降。因此葉輪需要設(shè)置合理的葉片數(shù)目來提高效率。在本文設(shè)計的葉輪中，對葉片數(shù)目為9的葉輪進(jìn)行 CFX計算，葉輪的效率為89.2%，入口平均靜壓為86 619.3 Pa，出口平均靜壓為190 345 Pa，總壓為532 649 Pa，葉輪出口靜壓占比為35.9%。

(a) 6葉片葉輪

(b) 9葉片葉輪

(c)12葉片葉輪

圖8 葉輪壓力面、吸力面壓力分布圖

2 擴(kuò)壓器的設(shè)計

由CFX軟件仿真得到葉輪的平均出口氣流角為30°，葉輪出口平均速度為355 m/s。由于葉輪出口溫度較高，所以出口速度并沒有超過聲速。葉輪出口靜壓為185 309 Pa，總壓為532 649 Pa。由以上出口參數(shù)可知葉輪出口氣流具有高溫、高速、高壓等特點(diǎn)，且具有不均勻性，這使擴(kuò)壓器與葉輪的匹配存在一定的難度。

2.1 擴(kuò)壓器模型的建立

氣體在流出葉輪到進(jìn)入擴(kuò)壓器之前流經(jīng)的一段區(qū)域可以看作無葉擴(kuò)壓區(qū)域。無葉擴(kuò)壓區(qū)域是葉輪和擴(kuò)壓器之間的緩沖段，不能太大，否則會增加摩擦損失。有葉擴(kuò)壓器有導(dǎo)流的作用，總壓恢復(fù)效率高于無葉擴(kuò)壓器。有葉擴(kuò)壓器的幾種常見且成熟的類型有翼型擴(kuò)壓器、楔形擴(kuò)壓器、管式擴(kuò)壓器等。

本次設(shè)計選用NACA翼型擴(kuò)壓器，擴(kuò)壓器入口安裝角和出口氣流角保持一致。本次設(shè)計選取的無葉擴(kuò)壓段長度為9 mm。有葉擴(kuò)壓器的葉片數(shù)為18個，周向長度設(shè)計為葉輪高度的0.3～0.45。如果葉片過短，則起不到擴(kuò)壓效果，如果葉片過長，則會增加摩擦損失。最終設(shè)計擴(kuò)壓器出口半徑為95 mm。

利用Bladegen軟件完成擴(kuò)壓器的建模。將擴(kuò)壓器葉片高度設(shè)計為沿著氣體流向逐漸增高的形式，如圖9所示，以提高擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓效果。擴(kuò)壓器進(jìn)口處高度為5.1 mm，出口高度為9 mm，這樣的設(shè)計使氣體的通流面積增加得更多，擴(kuò)壓效果更好。

圖9 擴(kuò)壓器截面與三維模型

和葉輪網(wǎng)格建立方式相同，選用ATM Optimized方法，利用TurboGrid軟件建立擴(kuò)壓器的網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為32萬。利用CFX軟件將葉輪與擴(kuò)壓器模型放置在一起進(jìn)行計算，如圖10所示。邊界條件如下：入口總壓為101 325 Pa；出口流量為0.9 kg/s；轉(zhuǎn)速為90 000 r/min；計算模型為k-ε模型。

圖10 壓氣機(jī)網(wǎng)格模型

2.2 擴(kuò)壓器氣動分析

經(jīng)過CFX仿真計算分析，葉輪的出口壓力為413 235 Pa，壓氣機(jī)整機(jī)效率為77.67%，達(dá)到了設(shè)計要求。

壓氣機(jī)子午面的靜壓和總壓分布如圖11所示。氣體由葉輪進(jìn)入擴(kuò)壓器時減速增壓，靜壓上升，但葉輪和擴(kuò)壓器之間存在嚴(yán)重的摩擦損失，而且擴(kuò)壓器不做功，所以氣體總壓下降。

圖11 靜壓、總壓子午面分布圖

壓氣機(jī)子午面速度分布如圖12所示。氣體速度在葉輪出口處驟然升高，超過聲速，產(chǎn)生激波，波后靜壓明顯升高。氣體流進(jìn)擴(kuò)壓器后，在通流面積增加時受到擴(kuò)壓器導(dǎo)流的作用，速度逐漸降低。

圖12 子午面速度分布圖

由于擴(kuò)壓器葉片靜止不動，沿葉高方向擴(kuò)壓器壓力分布基本相同。圖13給出擴(kuò)壓器不同葉高處壓力分布圖，葉片前緣有一小片高壓區(qū)域，這是由于氣體從葉輪流出，在進(jìn)入擴(kuò)壓器之前與葉片前緣發(fā)生了碰撞，使得局部氣體壓力升高。

圖13 擴(kuò)壓器10%、50%、90%葉高壓力分布圖

2.3 擴(kuò)壓器性能對比

本文設(shè)計的擴(kuò)壓器葉片葉高逐漸增加，和普通的葉高不變的擴(kuò)壓器相比，出口面積增大。為了分析該擴(kuò)壓器的性能，建立了普通的擴(kuò)壓器模型，該模型葉片形狀(如圖14所示)和本文的設(shè)計葉片相同，但是葉高沒有變化。將該模型與9葉片葉輪配合，運(yùn)用CFX軟件對該模型進(jìn)行數(shù)值仿真，邊界條件的設(shè)置與本文設(shè)計的壓氣機(jī)保持相同。

圖14 普通擴(kuò)壓器截面與三維模型

經(jīng)過CFX計算，普通型壓氣機(jī)效率為77.2%，略低于設(shè)計型的壓氣機(jī)，圖15為子午面各項(xiàng)參數(shù)對比圖。由靜壓分布對比圖可知，具有普通型擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)出口壓力大約為270 000 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計型擴(kuò)壓器的出口壓力，這說明本文設(shè)計的擴(kuò)壓器模型能有效提高壓氣機(jī)的擴(kuò)壓能力。由速度分布對比圖可以看出，擴(kuò)壓器的變化并不會影響葉輪內(nèi)部的流場，氣體在葉輪出口處速度驟然升高，存在激波增壓過程，但設(shè)計型的擴(kuò)壓器模型在出口處速度較小，減速增壓效果較好。氣體進(jìn)入葉輪后，總壓處于下降狀態(tài)，CFX計算結(jié)果顯示普通型擴(kuò)壓器出口總壓為444 200 Pa，設(shè)計型擴(kuò)壓器出口總壓為456 153 Pa，后者的損失較小，效率較高。

(a) 普通型(左)和設(shè)計型(右)擴(kuò)壓器靜壓分布圖

(b) 普通型(左)和設(shè)計型(右)擴(kuò)壓器速度分布圖

(c) 普通型(左)和設(shè)計型(右)擴(kuò)壓器總壓分布圖

圖15 子午面各項(xiàng)參數(shù)對比圖

圖16為普通型擴(kuò)壓器與設(shè)計型擴(kuò)壓器50%葉高的速度分布對比圖。設(shè)計型的擴(kuò)壓器尾緣存在大面積的低流速區(qū)域， CFX計算結(jié)果顯示， 設(shè)計型擴(kuò)壓器出口速度為341 m/s，普通型擴(kuò)壓器出口速度為520 m/s。普通型擴(kuò)壓器葉片前緣吸力面和壓力面處都存在一小部分高速區(qū)域，氣體減速效果不好，而設(shè)計型擴(kuò)壓器僅在壓力面處存在高速區(qū)域，速度分布較均勻。

圖16 50%葉高的普通型(左)和設(shè)計型(右)擴(kuò)壓器速度分布圖

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用數(shù)值仿真的方法，對離心壓氣機(jī)的葉輪和擴(kuò)壓器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得到如下結(jié)論：

1)本文所優(yōu)化設(shè)計的離心壓氣機(jī)從一維計算，到二維輪廓設(shè)計，再到三維徑向疊積，壓比達(dá)到4.2，滿足了設(shè)計要求。

2)葉輪需要合理的葉柵稠度來提高效率，本文設(shè)計的葉輪最佳葉片數(shù)目為9，可以在保證葉輪效率的同時減小摩擦損失。

3)葉高逐漸增加的翼型擴(kuò)壓器相比于普通的翼型擴(kuò)壓器，其通流面積增加得更多，并且導(dǎo)流效果更好，增壓作用更強(qiáng)。氣體在設(shè)計型擴(kuò)壓器中流動更均勻，流動損失更小。