Gurney襟翼在離心壓縮機(jī)葉輪上的數(shù)值研究*

王 梟 饒 杰 李鎮(zhèn)杉 朱曉農(nóng) 常 超

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽省通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.重慶美的通用制冷設(shè)備有限公司）

0 引言

離心壓縮機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中重要的動設(shè)備，在化工、制冷等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。而葉輪作為離心壓縮機(jī)的核心部件，其氣動性能成為衡量壓縮機(jī)設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)。如何設(shè)計(jì)出高壓比、高效率的葉輪，是人們一直關(guān)注的問題。

Gurney 襟翼，即在翼型尾緣垂直于氣流方向的窄板，高度很低，可以改善翼型升阻力系數(shù)和失速迎角等特性，最初多用于航空領(lǐng)域[1-5]，而后衍生到風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域[6-8]，軸流通風(fēng)機(jī)上亦有應(yīng)用[9-13]。Gurney 襟翼在上述領(lǐng)域均是通過對翼型升阻特性的影響，進(jìn)一步改善飛行器、風(fēng)力機(jī)或軸流通風(fēng)機(jī)的氣動特性。但由于做功機(jī)理不同，以及流道和葉片形狀等方面相差較大，目前Gurney襟翼在離心壓縮機(jī)葉輪上的研究還較少。

本文針對離心壓縮機(jī)葉輪，采用Gurney襟翼設(shè)計(jì)，通過CFD 方法[14-18]計(jì)算了不同襟翼高度對葉輪氣動性能的影響，為Gurney 襟翼在離心壓縮機(jī)葉輪上的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 Gurney襟翼設(shè)計(jì)

在離心壓縮機(jī)葉片出口壓力面處增設(shè)Gurney 襟翼，襟翼設(shè)計(jì)如圖1所示，三維效果圖如圖2所示。

圖1 Gurney襟翼設(shè)計(jì)圖Fig.1 The design of the Gurney flaps

圖2 Gurney襟翼三維效果圖Fig.2 The 3D model of the Gurney flaps

襟翼形狀為圓弧狀，圓弧半徑與葉輪出口半徑一致，襟翼寬度與葉片出口寬度一致，襟翼厚度為0.5mm。

2 計(jì)算方法

采用CFD方法對葉輪流場進(jìn)行計(jì)算。對葉輪流體域采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在壁面處采用棱柱網(wǎng)格加密，并在葉片和襟翼處進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格總數(shù)為402萬，如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 The computational mesh

采用有限體積法對三維N-S方程進(jìn)行求解，流場進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口采用靜壓出口，壁面采用絕熱壁面。通過對控制方程進(jìn)行迭代計(jì)算，得到流場中壓力、溫度、密度等物理量，通過質(zhì)量平均的方式，得到觀察面的總壓、總溫等信息，依據(jù)下式對葉輪壓比和效率進(jìn)行求解。

式中，ε 為壓比；p1為葉輪進(jìn)口絕對總壓；p4為擴(kuò)壓器出口絕對總壓，這是因?yàn)樵鲈O(shè)襟翼后，葉輪出口流場分布不均，而無葉擴(kuò)壓器的出口流動已基本均勻穩(wěn)定，因此采用無葉擴(kuò)壓器出口絕對總壓進(jìn)行計(jì)算；ηpol為多變效率；κ 為介質(zhì)比熱比，本文介質(zhì)為空氣，κ=1.4；T1為葉輪進(jìn)口熱力學(xué)總溫；T4為無葉擴(kuò)壓器出口熱力學(xué)總溫。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 葉輪氣動性能

原葉輪記為葉輪0，閉式葉輪，葉輪進(jìn)口為常溫常壓，設(shè)計(jì)流量為1.033kg/s，設(shè)計(jì)壓比為1.8，葉輪轉(zhuǎn)速為33 000rpm，葉輪直徑為180mm，葉片總數(shù)為18，采用長短葉片均勻分布，葉輪出口角為60°，為后向葉輪。襟翼高度對應(yīng)的圓心角分別為0.5°，1.0°和1.5°，分別記為葉輪0.5、葉輪1.0 和葉輪1.5。計(jì)算葉輪壓比和效率如圖4和圖5所示。

圖4 葉輪壓比Fig.4 The pressure ratio of the impeller

圖5 葉輪效率Fig.5 The efficiency of the impeller

從圖4 可以看出，增設(shè)襟翼后，葉輪壓比有了較大提高。Gurney襟翼的增設(shè)，造成葉片出口角增大，從而使葉輪壓比增加。從圖4 可以看出，襟翼高度越大，壓比增加越高，但隨著襟翼高度的增加，壓比增加的速率逐漸降低。

從圖5可以看出，除去小流量點(diǎn)（0.6kg/s）和阻塞流量點(diǎn)（1.2kg/s），葉輪0.5效率均高于葉輪0，而葉輪1.0和葉輪1.5則表現(xiàn)不佳，甚至出現(xiàn)效率降低的情況。在設(shè)計(jì)點(diǎn)處，則是葉輪0.5效率最高，葉輪1.0和葉輪1.5效率比原模型低，且襟翼高度越大，效率降低越多。而即使葉輪1.0和葉輪1.5效率有所降低，但實(shí)際仍保持有較高的水平。

整體來看，增設(shè)Gurney襟翼后，葉輪壓比得到一定的提高，且隨襟翼高度增加而增加，效率則是先增加后降低。葉輪0.5 對比葉輪0 出現(xiàn)較大的壓比和效率提升，對原葉輪氣動性能的改善較為顯著。

3.2 葉輪出口壓力分布

葉輪出口截面處的壓力分布如圖6所示。

圖6 葉輪出口截面壓力分布Fig.6 The pressure distribution of the impeller exit section

從圖6 可以看出，增設(shè)Gurney 襟翼后，擴(kuò)壓器出口壓力有了大幅提高，這主要是由于襟翼與葉片夾角處壓力的提高，使葉輪出口壓力提高，并進(jìn)一步提高了下游的壓力。受夾角處高壓區(qū)域的影響，葉片吸力面低壓區(qū)有收縮趨勢，壓力面高壓區(qū)則有擴(kuò)張趨勢，且以夾角處為葉片壓力最高點(diǎn)。隨襟翼高度的增加，襟翼與葉片夾角處的壓力逐漸增大，下游的壓力梯度也逐漸增大，需要更長的擴(kuò)壓段才能使流動均勻穩(wěn)定。

3.3 葉輪出口相對馬赫數(shù)分布

葉輪出口截面處的相對馬赫數(shù)分布如圖7所示。

圖7 葉輪出口截面相對馬赫數(shù)分布Fig.7 The relative Mach number distribution of the impeller exit section

從圖7 可以看出，原葉輪出口截面處，馬赫數(shù)分布比較均勻，未出現(xiàn)明顯的低馬赫數(shù)區(qū)域。增設(shè)Gurney襟翼后，葉輪0.5變化較小，而葉輪1.0和葉輪1.5在葉片尾緣以及葉輪出口下游，均出現(xiàn)明顯的低馬赫數(shù)區(qū)域，且隨襟翼高度的增加，低馬赫數(shù)區(qū)域范圍逐漸增大。表明Gurney 襟翼的增設(shè)，對葉輪出口流場產(chǎn)生了一定的影響，須謹(jǐn)慎對待。此外，增設(shè)Gurney 襟翼后，葉輪內(nèi)部流場未出現(xiàn)明顯的低馬赫數(shù)區(qū)域，表明葉輪內(nèi)部流動狀況較好，受襟翼影響較小。

4 結(jié)論

通過對比分析Gurney襟翼對離心壓縮機(jī)葉輪氣動性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）在葉片出口壓力面增設(shè)Gurney 襟翼，可以有效提高葉輪壓比。

2）適當(dāng)高度的Gurney襟翼，可以提高葉輪效率，但超過一定范圍后，效率會降低。

3）增設(shè)Gurney 襟翼使得葉片吸力面低壓區(qū)收縮，壓力面高壓區(qū)擴(kuò)張，襟翼與葉片夾角處壓力較高，需校核其對葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，此外下游壓力梯度增大，需要更長的擴(kuò)壓段才能使流動均勻穩(wěn)定。

4）增設(shè)Gurney襟翼使葉輪出口出現(xiàn)局部低馬赫數(shù)區(qū)域，而葉輪內(nèi)部流場則受影響較小。

綜上所述，Gurney 襟翼在離心壓縮機(jī)葉輪上有較大應(yīng)用空間，但具體參數(shù)的選擇，仍有待于進(jìn)一步的工作。并且由Gurney襟翼帶來的葉輪強(qiáng)度變化和制造難度的增加，也有待于進(jìn)一步的研究。