組合壓氣機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

田江濤，唐方明，陳鼎欣，簡(jiǎn)衛(wèi)斌，銀越千

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002)

1 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)軸流加一級(jí)離心的組合壓氣機(jī)，其離心葉輪不適宜于直接采用鑄造加工方式生產(chǎn)，而采用機(jī)械加工方式生產(chǎn)的成本又較高。為此，在滿(mǎn)足指標(biāo)要求的條件下，對(duì)離心葉輪進(jìn)行滿(mǎn)足直接鑄造加工要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低生產(chǎn)成本，提高壓氣機(jī)及其配套產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在離心葉輪機(jī)械加工改鑄造加工的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在影響氣動(dòng)性能的方案設(shè)計(jì)參數(shù)選取時(shí)參考了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果。如Eisenlohr 等[1]對(duì)某跨聲速離心葉輪進(jìn)行的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，跨聲速葉輪的設(shè)計(jì)對(duì)子午流道形狀非常敏感，減小出口葉片寬度可減小分離。楊策等[2]在研究離心葉輪進(jìn)出口彎曲程度對(duì)離心壓氣機(jī)性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉形彎曲對(duì)小型離心壓氣機(jī)葉輪效率影響很小。Takanori等[3]研究認(rèn)為，優(yōu)化葉輪載荷分布可以提高喘振裕度和級(jí)效率，而徑向擴(kuò)壓器攻角對(duì)喘振裕度的影響較小。Zangeneh[4]研究發(fā)現(xiàn)，尖部采用適當(dāng)?shù)暮蠹虞d可改善激波結(jié)構(gòu)，而尖部和葉中20%子午弦長(zhǎng)的快速卸載可有效減小激波強(qiáng)度，減少激波損失。賴(lài)煥新等[5]對(duì)離心葉輪內(nèi)部湍流流動(dòng)及葉輪出口射流-尾跡結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程進(jìn)行的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，二次流對(duì)低能流體的輸運(yùn)是形成射流-尾跡結(jié)構(gòu)的主要原因。這些研究成果為離心葉輪滿(mǎn)足鑄造加工的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的設(shè)計(jì)思路。

結(jié)合以上研究成果，根據(jù)降低生產(chǎn)成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)該組合壓氣機(jī)在不改變軸流級(jí)設(shè)計(jì)的情況下，從氣動(dòng)設(shè)計(jì)角度對(duì)離心葉輪進(jìn)行了由機(jī)械加工改鑄造加工的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及后排徑向擴(kuò)壓器的再匹配設(shè)計(jì)，并采用三維數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法，對(duì)該組合壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)前、后方案進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)要求是保持前面軸流級(jí)和末排軸向擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)不變，僅針對(duì)離心葉輪和徑向擴(kuò)壓器，并在允許少量犧牲非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能情況下，保證設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度性能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

為此，對(duì)離心葉輪采取了鑄造代替機(jī)械加工的優(yōu)化設(shè)計(jì)：優(yōu)化離心葉輪的流道、葉片載荷分布和葉片厚度分布，并減少葉片數(shù)。但增加葉片厚度會(huì)降低離心壓氣機(jī)的效率，減少葉片數(shù)會(huì)降低離心葉輪的做功能力。為彌補(bǔ)離心級(jí)性能的降低，采取了以下措施：①減小離心葉輪后彎角，保證離心葉輪的做功能力；②優(yōu)化離心葉輪葉片載荷和厚度沿弦長(zhǎng)的分布規(guī)律，并對(duì)大小葉片分別設(shè)計(jì)，降低氣動(dòng)損失。

此外，保持小葉片的設(shè)計(jì)載荷分布與大葉片對(duì)應(yīng)段的相似，并采用直線無(wú)掠前緣，以便鑄造加工；在保持大小葉片厚度分布規(guī)律相同的情況下，增大厚度以提升鑄件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的離心葉輪對(duì)比見(jiàn)圖1。原徑向擴(kuò)壓器葉片采用雙圓弧設(shè)計(jì)，不能控制葉片氣動(dòng)載荷沿流向的分布，在高馬赫數(shù)來(lái)流時(shí)氣動(dòng)損失較大。優(yōu)化設(shè)計(jì)采用可控氣動(dòng)載荷的直葉片造型方法，通過(guò)調(diào)整葉片角分布來(lái)控制葉片載荷，從而有效降低徑向擴(kuò)壓器的氣動(dòng)損失，改善與離心葉輪的匹配關(guān)系，提高離心壓氣機(jī)效率。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后離心葉輪和徑向擴(kuò)壓器的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后離心葉輪對(duì)比Fig.1 Comparison of centrifugal impeller before and after the optimal design

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后離心葉輪和徑向擴(kuò)壓器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of the key parameters of the centrifugal impeller and radial diffuser before and after the optimal design

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

3.1 仿真設(shè)置

流體域采用ANSYS 13.0 中的TurboGrid 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單通道網(wǎng)格總數(shù)為64 萬(wàn)，見(jiàn)圖2。固壁面第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處嚴(yán)格保證y+在1～10 范圍內(nèi)。基于有限元的有限體積法，利用BSL 湍流模型對(duì)三維雷諾平均N-S 方程進(jìn)行計(jì)算求解，并采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)以提高計(jì)算速度和穩(wěn)定性。數(shù)值仿真過(guò)程考慮黏性損失項(xiàng)，壁面函數(shù)根據(jù)邊界層內(nèi)流動(dòng)情況自行選擇。計(jì)算的進(jìn)口邊界給定總壓、總溫，氣流軸向進(jìn)氣，輪轂、機(jī)匣、葉片等固壁給定絕熱無(wú)滑移邊界條件，出口邊界給定流量平均靜壓。

圖2 單通道網(wǎng)格Fig.2 Meshes of single passage

在同類(lèi)型壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中，該數(shù)值仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明了其可靠性。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后總性能對(duì)比

圖3 給出了該組合壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后無(wú)量綱性能對(duì)比。從圖中可看出，相比原設(shè)計(jì)方案(CFD_ori)，在1.00 轉(zhuǎn)速，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案(CFD_opti)的堵點(diǎn)流量基本不變，壓比和效率均有提升(峰值效率提升2.23 個(gè)百分點(diǎn))，喘振裕度略有提升；而在0.95轉(zhuǎn)速，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的堵點(diǎn)流量降低1.41%，喘點(diǎn)壓比、峰值效率分別提升1.47%和0.3 個(gè)百分點(diǎn)。這種變化趨勢(shì)是由于優(yōu)化設(shè)計(jì)后的徑向擴(kuò)壓器喉道面積偏小，改善了組合壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的匹配效果；而對(duì)于0.95 轉(zhuǎn)速，由于小喉道面積徑向擴(kuò)壓器的限流作用，惡化了軸流級(jí)流場(chǎng)，使得總性能較原設(shè)計(jì)僅略微提升。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)不降低設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能而非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能允許降低的要求，結(jié)合方案使用用途和費(fèi)效比認(rèn)為，優(yōu)化設(shè)計(jì)滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后無(wú)量綱仿真總性能對(duì)比Fig.3 Comparison of total performance of dimensionless simulation before and after the optimal design

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后級(jí)性能對(duì)比

圖4 給出了該組合壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后設(shè)計(jì)點(diǎn)各級(jí)無(wú)量綱特性對(duì)比。從圖中可看出，相比原設(shè)計(jì)方案，對(duì)于軸流級(jí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)壓比與原設(shè)計(jì)保持一致，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案降低了軸流級(jí)的匹配點(diǎn)特性(壓比降低1.83%，效率降低1.29 個(gè)百分點(diǎn))，但通過(guò)離心葉輪和徑向擴(kuò)壓器的葉型優(yōu)化，大幅改善了離心級(jí)的匹配特性，并彌補(bǔ)了軸流壓氣機(jī)特性的降低，最終保證了組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能并略有提升。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后無(wú)量綱仿真級(jí)性能對(duì)比Fig.4 Comparison of stage performance of dimensionless simulation before and after the optimal design

3.4 流場(chǎng)分析

圖5 給出了圖3 中近失速工況點(diǎn)(NS)不同葉高處各葉排S1 流面上的相對(duì)馬赫數(shù)云圖?？梢钥闯觯瑑?yōu)化設(shè)計(jì)方案主要影響離心級(jí)各葉排的馬赫數(shù)分布，對(duì)軸流級(jí)基本沒(méi)影響。

在5%葉高處，優(yōu)化設(shè)計(jì)使得離心葉輪大葉片壓力面25%～50%弦長(zhǎng)處的低能失速區(qū)弱化并向前緣移動(dòng)，而徑向擴(kuò)壓器尾緣靠近壓力面的低能區(qū)也減小為附著在壓力面的一個(gè)狹長(zhǎng)失速帶。

圖5 近失速點(diǎn)不同葉高相對(duì)馬赫數(shù)云圖Fig.5 Diagram of relative Mach number with different span at nearly stall point

在葉中位置，雖然優(yōu)化設(shè)計(jì)增大了葉輪通道內(nèi)的低能失速區(qū)范圍，但也提高了低能失速區(qū)的流速，使小葉片吸力面尾緣的低能區(qū)被主流推出通道，從而降低了低能團(tuán)對(duì)通道造成的堵塞，并使徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口由負(fù)攻角減小到近0°攻角，大大改善了徑向擴(kuò)壓器吸力面的氣流分離現(xiàn)象。

在95%葉高，優(yōu)化設(shè)計(jì)前后小葉片兩面都存在低能失速區(qū)，并以吸力面最為顯著，對(duì)來(lái)流造成了嚴(yán)重堵塞。對(duì)于原設(shè)計(jì)方案，在小葉片30%弦長(zhǎng)近吸力面處存在一個(gè)低能團(tuán)，但迫于周向壓力梯度最終附著于小葉片吸力面。對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣的低能團(tuán)雖然也逐漸減小，但并沒(méi)有附著于小葉片吸力面——這是由于間隙泄漏流吹氣及通道周向壓力梯度弱化的結(jié)果，因而小葉片吸力面的氣流分離更為嚴(yán)重并導(dǎo)致后排徑向擴(kuò)壓器攻角增加，從而惡化了后排通道內(nèi)的氣流流動(dòng)。此外，從局部放大圖中可看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)的流場(chǎng)變得復(fù)雜，高速來(lái)流在相應(yīng)流面上還產(chǎn)生了與軸流級(jí)葉片相同的馬蹄渦[6-8]，并留下一個(gè)與軸流級(jí)葉片類(lèi)似的鞍點(diǎn)[9]。

綜合不同葉高相對(duì)馬赫數(shù)云圖可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)增大了大葉片進(jìn)口攻角并引起氣流分離。在小周向壓力梯度與大逆壓梯度作用下，尖區(qū)小葉片通道內(nèi)的低能流明顯增強(qiáng)，并惡化了離心葉輪與徑向擴(kuò)壓器尖區(qū)的流動(dòng)，但改善了葉中及其以下區(qū)域的流動(dòng)。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)軸向擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)的改善也起到了很好的推動(dòng)作用。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化設(shè)計(jì)前后方案組合壓氣機(jī)在同一壓氣機(jī)部件試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)件中的徑向擴(kuò)壓器葉頂與對(duì)應(yīng)蓋板的間隙利用調(diào)整墊片控制，以實(shí)現(xiàn)熱態(tài)的無(wú)間隙要求。為摸索間隙的變化規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案采取分步調(diào)整的方法進(jìn)行了多輪試驗(yàn)。

圖6 給出了組合壓氣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后方案在0.95、1.00 兩個(gè)轉(zhuǎn)速的無(wú)量綱試驗(yàn)總特性對(duì)比。從圖中可看出，相比原設(shè)計(jì)方案(Exp_ori)，在1.00 轉(zhuǎn)速，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案(Exp_opti)峰值效率提升1.23 個(gè)百分點(diǎn)，喘點(diǎn)壓比提升0.21%，而考慮到試驗(yàn)誤差因素，可認(rèn)為堵點(diǎn)流量一致。在0.95 轉(zhuǎn)速，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的堵點(diǎn)流量降低1.30%，喘點(diǎn)壓比降低0.98%，峰值效率基本不變。

針對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)速的喘振裕度試驗(yàn)結(jié)果比數(shù)值仿真結(jié)果偏低，且轉(zhuǎn)速越低差異越小的現(xiàn)象，分析認(rèn)為是因?yàn)閺较驍U(kuò)壓器的葉片本體與蓋板之間采取的是壓緊的結(jié)構(gòu)方式，而徑向擴(kuò)壓器葉片本體與蓋板變形的復(fù)雜性，使得給定的徑向擴(kuò)壓器葉頂冷態(tài)裝配間隙(即葉片本體與蓋板之間的間隙)無(wú)法保證熱態(tài)間隙的完全一致及理想無(wú)間隙要求。而一旦出現(xiàn)熱態(tài)間隙，不僅會(huì)增大壓比的泄漏損失，還會(huì)改變氣體的實(shí)際通流面積，從而影響組合壓氣機(jī)的匹配點(diǎn)性能。即便如此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案得到的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速點(diǎn)喘振裕度仍然滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后無(wú)量綱試驗(yàn)總特性對(duì)比Fig.6 Comparison of total performance of dimensionless test before and after the optimal design

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果及其分析可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)械加工改鑄造的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和方案的可行性。

5 結(jié)論

以某軸流-離心組合壓氣機(jī)為研究對(duì)象，在機(jī)械加工改鑄造的思想指導(dǎo)下，采用可控載荷葉片造型程序，對(duì)離心葉輪和徑向擴(kuò)壓器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用ANSYS 數(shù)值仿真平臺(tái)和試驗(yàn)方法，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后方案進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。主要研究結(jié)論為：

(1) 可控載荷葉片造型程序可根據(jù)氣動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)載荷的合理分配，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了離心級(jí)與軸流級(jí)的合理匹配，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2) 對(duì)離心葉輪和徑向擴(kuò)壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)基本不影響軸流級(jí)的內(nèi)部流動(dòng)，雖然惡化了離心葉輪尖區(qū)的流動(dòng)，但大大改善了50%葉高及其以下區(qū)域的流動(dòng)情況，尤其是對(duì)后排徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器的改善比較明顯。

(3) 徑向擴(kuò)壓器葉片與蓋板間采取的壓緊連接方式，會(huì)增加熱態(tài)間隙調(diào)控難度，帶來(lái)不確定性影響。后續(xù)須對(duì)徑向擴(kuò)壓器葉片與蓋板采取焊接連接方式后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，以最終確定該連接方式對(duì)組合壓氣機(jī)性能的影響。