高速離心壓氣機(jī)變工況模擬及葉輪葉片優(yōu)化研究

王佳利，胡軍科，譚 澄，紀(jì)文彬

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.湖南天雁機(jī)械股份有限公司，衡陽(yáng) 421005）

0 引言

離心壓氣機(jī)尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、單級(jí)增壓比高，被廣泛應(yīng)用于渦輪增壓器、小型燃機(jī)等設(shè)備。小型離心壓氣機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中需要經(jīng)受多工況考驗(yàn)，追求高效率、高壓比和寬工作裕度，一直是當(dāng)前壓氣機(jī)設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)[1]。

離心式壓氣機(jī)主要是由進(jìn)氣道、工作輪、擴(kuò)壓器、蝸殼等組成[2]。工作輪即葉輪是壓氣機(jī)中最重要的元件，在壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究中，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)葉輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化做了大量的研究工作。任濟(jì)民[3]采用正問(wèn)題設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一個(gè)高速壓氣機(jī)模型，運(yùn)用CFX軟件對(duì)不同葉片稠度下的葉輪氣動(dòng)熱力學(xué)進(jìn)行了對(duì)比數(shù)值計(jì)算，分析葉輪內(nèi)部流場(chǎng)及其性能，最終選定9葉片的葉輪為最佳方案。王海朋[4]利用3維商用CFD軟件對(duì)某小型模型級(jí)離心壓氣機(jī)進(jìn)行仿真分析，在固定分流葉片周向位置的前提下，重點(diǎn)研究葉輪分流葉片輪緣進(jìn)口角的變化對(duì)離心壓氣機(jī)級(jí)性能的影響。韓落樂(lè)[5]使用ANSYS CFX 工程軟件通過(guò)改變?nèi)~片數(shù)量和不同長(zhǎng)度的分流葉片對(duì)離心式壓氣機(jī)進(jìn)行分析，得到了壓氣機(jī)的最優(yōu)性能參數(shù)。Jin-Hyuk Kim等[6]對(duì)具有分流葉片的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值研究。他們的研究結(jié)果表明，通過(guò)改變具有分流葉片葉輪的主葉片數(shù)量，可以有效減小葉輪流道內(nèi)的回流區(qū)域。Ziliang Li[7]等人研究了串列式葉片對(duì)離心式壓氣機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，串列式葉片和時(shí)鐘分?jǐn)?shù)（λs）會(huì)對(duì)離心壓氣機(jī)性能產(chǎn)生重大影響。

綜上，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究者對(duì)壓氣機(jī)葉輪的研究主要集中在葉片數(shù)量和分流葉片上，而對(duì)葉片出口段傾角幾乎沒(méi)有研究。本文以某型渦輪增壓器離心壓氣機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了離心壓氣機(jī)物理模型并基于ANSYSFluent進(jìn)行了變流量工況模擬，重點(diǎn)研究了葉輪葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向不同傾角對(duì)壓氣機(jī)的影響，為離心壓氣機(jī)及其他葉輪機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

1 研究對(duì)象

用于增壓器的離心壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速很高，需要滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度，為了與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)寬廣的轉(zhuǎn)速范圍，離心壓氣機(jī)需要保持較高的效率和寬廣的流量范圍，因此壓氣機(jī)葉輪模型為帶分流葉片的半開(kāi)式后彎葉輪，擴(kuò)壓器為無(wú)葉擴(kuò)壓器，蝸殼為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)蝸牛型蝸殼[2]。本壓氣機(jī)模型主要用于高原發(fā)動(dòng)機(jī)功率恢復(fù)，即將進(jìn)氣壓力提升至0.1MPa，故選取壓比πc為2.1，根據(jù)式(1)～式(3)確定壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為50896RPM，壓氣機(jī)具體參數(shù)如表1所示，具體結(jié)構(gòu)及流域模型如圖1所示。

其中：

Ta=293K，k=1.4，Hc=0.5，D2=140mm。

表1 壓氣機(jī)參數(shù)

圖1 壓氣機(jī)三維圖及流域模型

2 壓氣機(jī)數(shù)值仿真及變工況模擬

2.1 壓氣機(jī)網(wǎng)格劃分

將壓氣機(jī)流域模型導(dǎo)入Fluent流體動(dòng)力學(xué)分析模塊，考慮進(jìn)出口氣流的穩(wěn)定并且為了更加符合實(shí)際，在DesignModeler中增加入口、出口延長(zhǎng)段實(shí)體。由于壓氣機(jī)整體形狀較為復(fù)雜，而進(jìn)出口實(shí)體段形狀規(guī)整，在Mesh中采用Multizone網(wǎng)格劃分方法，并設(shè)置膨脹邊界，對(duì)壁面進(jìn)行了加密處理，以提高計(jì)算的精準(zhǔn)度，最終得到如圖2所示的網(wǎng)格模型。入口段和出口段均為六面體網(wǎng)格，壓氣機(jī)整體為貼合性更好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，入口段與出口段網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為2萬(wàn)個(gè)，葉輪網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為409萬(wàn)個(gè)，擴(kuò)壓器網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約為25萬(wàn)個(gè)，蝸殼網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約為21萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為457萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量Jacobian Ratio平均為1.1，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖2 整體網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件設(shè)置及求解設(shè)置

計(jì)算模型中存在旋轉(zhuǎn)部件和非旋轉(zhuǎn)部件，葉輪繞Z軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，所以采用多參考系模型（MRF）穩(wěn)態(tài)求解方法，工質(zhì)采用可壓縮理想空氣，考慮到葉輪內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性，湍流模型選擇RNG k-ε，壁面設(shè)置為絕熱無(wú)滑移，進(jìn)口溫度為293K，進(jìn)口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界，出口邊界設(shè)置為壓力出口邊界，采用interface交界面。在額定工況下求解，得到壓氣機(jī)葉輪子午面壓力云圖和整體靜壓圖如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，氣流壓力在葉輪內(nèi)平穩(wěn)增大，整體壓力分布較為均勻，滿足額定壓比要求。

圖3 葉輪子午面壓力云圖

圖4 額定工況壓氣機(jī)靜壓圖

2.3 變工況數(shù)值模擬

增壓器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，海拔高度的不同運(yùn)行在不同的工況下，所以高速離心壓氣機(jī)經(jīng)常在非額定工況下運(yùn)行，這對(duì)離心壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)具有寬廣的流量范圍和高效區(qū)是十分重要的。本文基于ANSYS-Fluent軟件，通過(guò)改變?nèi)肟诹髁縼?lái)對(duì)離心壓氣機(jī)的變工況性能進(jìn)行模擬計(jì)算，其余設(shè)置均保持一致。入口質(zhì)量流量分別選為0.45kg/s、0.5kg/s、0.635kg/s、0.7kg/s、0.8kg/s、0.9kg/s、1.0kg/s來(lái)探究在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下離心壓氣機(jī)額定工況和非額定工況下的氣動(dòng)性能，F(xiàn)luent計(jì)算收斂后，利用CFD-Post后處理軟件對(duì)各個(gè)流量下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到變流量工況下高速離心壓氣機(jī)的壓比和效率，其中壓比與效率的公式如式(4)、式(5)所示。

將仿真得到的數(shù)據(jù)與H140_1型壓氣機(jī)在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。從表2可以看出，在設(shè)計(jì)流量工況下，仿真的壓比和效率與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為-0.9%和2.3%，非設(shè)計(jì)流量工況下，壓比的相對(duì)誤差最大為-10%，效率的相對(duì)誤差最大為-6.3%，相對(duì)誤差較大的工況點(diǎn)主要是離設(shè)計(jì)流量工況較遠(yuǎn)的大流量工況點(diǎn)，相對(duì)誤差較大的原因是仿真模型只是近似復(fù)制壓氣機(jī)的幾何參數(shù)，并且實(shí)驗(yàn)中的壓氣機(jī)經(jīng)過(guò)了動(dòng)平衡校正，造成了仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，但是離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)較近的相對(duì)誤差基本保持在±6%之內(nèi)，仿真值與實(shí)驗(yàn)值總體相差不大。

表2 壓氣機(jī)不同工況下實(shí)驗(yàn)值和仿真值

將表2中的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖5、圖6所示。

圖5 壓比變工況曲線

圖6 效率變工況曲線

從壓比曲線圖可以得知，隨著流量的不斷增大，壓比逐漸下降，表明在轉(zhuǎn)速不變的情況下獲得高壓比大流量是難以實(shí)現(xiàn)的。從效率曲線圖可以得知，小流量工況下，壓氣機(jī)效率較低，這是由于進(jìn)氣量不足，壓氣機(jī)容易喘振造成效率低下。從兩圖中可以看出，壓氣機(jī)的仿真性能趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)性能趨勢(shì)基本保持一致，認(rèn)為設(shè)計(jì)的計(jì)算模型與實(shí)際模型較為接近，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)位于壓氣機(jī)高效區(qū)間內(nèi)，且設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的壓比和效率與實(shí)驗(yàn)值相差最小，表明設(shè)計(jì)流量下壓氣機(jī)模型與實(shí)際模型最為接近，采用仿真數(shù)值計(jì)算方法是正確可行的。

3 葉片出口段傾角對(duì)壓氣機(jī)性能的影響

葉輪是整個(gè)壓氣機(jī)的核心，在探究葉輪對(duì)壓氣機(jī)性能的影響研究中，葉片出口段傾斜角度是容易忽略而又十分重要的影響因素。葉片出口段傾角是葉輪葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜的角度，在變工況模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用設(shè)計(jì)流量0.635kg/s、額定轉(zhuǎn)速50896RPM下的葉輪，通過(guò)改變出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜角度來(lái)模擬研究其對(duì)壓氣機(jī)性能的影響。選擇兩組對(duì)照模型，出口段傾角分別為45°和50°，葉片對(duì)比如圖7所示，其中，傾斜角度是相對(duì)于初始葉片出口段角度而言的，初始葉片出口段傾斜角度為50°，所以從圖7可以看出葉片出口段傾角為50°時(shí)等同于沒(méi)有傾斜，即各傾斜角度相對(duì)于初始角度的偏差分別為-5°、-2°、0°。

圖7 葉片出口段傾角對(duì)比圖

三種葉輪在額定壓比2.1，額定轉(zhuǎn)速50896RPM，相同流量0.635kg/s，以及同等初始條件下基于Fluent做數(shù)值計(jì)算，得到不同葉片出口段傾角下葉輪輪轂面壓力分布與馬赫數(shù)的對(duì)比云圖，如圖8、圖9所示。

圖8 葉片出口段不同傾角的壓力分布云圖（45°、48°、50°）

圖9 葉片出口段不同傾角的馬赫數(shù)分布云圖（45°、48°、50°）

從圖8可以看出，在葉片出口段傾斜角度為48°時(shí)壓力分布更為均勻，而在傾斜過(guò)多和沒(méi)有傾斜時(shí)，壓力分布較差。從圖9可以看出，在葉片出口段傾斜角度為48°時(shí)馬赫數(shù)較大區(qū)域比較少，速度分布較為均勻，而在對(duì)照組上，馬赫數(shù)較大區(qū)域比較多，且多集中于葉片吸力面，可以斷定出口段傾角為45°和50°的葉輪出口流場(chǎng)是不均勻的，且更容易產(chǎn)生波阻損失。經(jīng)過(guò)后處理，得到葉片出口段傾角為45°時(shí)壓氣機(jī)壓比為2.04，效率為0.7311，傾角為50°時(shí)壓氣機(jī)壓比為2.078，效率為0.7445，數(shù)值對(duì)比和偏差對(duì)比如圖10和圖11所示。從圖中可以得知，葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜角為45°時(shí)壓氣機(jī)性能相對(duì)于不傾斜時(shí)反而有所下降，傾斜角為48°時(shí)壓氣機(jī)性能最好。

4 結(jié)語(yǔ)

壓氣機(jī)是增壓器的核心部件，葉輪是壓氣機(jī)的核心部件。在對(duì)高速離心壓氣機(jī)變工況模擬的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜角度的不同對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，得出如下結(jié)論：

圖10 各葉片性能數(shù)值對(duì)比圖

圖11 各葉片相對(duì)于48°傾角偏差對(duì)比圖

1）在額定工況點(diǎn)，仿真值與實(shí)驗(yàn)值相差最小，設(shè)計(jì)模型較為準(zhǔn)確。在不同流量下進(jìn)行變工況模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大，變化趨勢(shì)保持一致。

2）在轉(zhuǎn)速一定的前提下，壓氣機(jī)性能隨著流量的增多先升高后降低，壓氣機(jī)存在一個(gè)高效區(qū)間，大流量工況下，性能下降明顯。

3）葉輪葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜有助于改善葉輪內(nèi)流動(dòng)情況，提升壓氣機(jī)性能，但是傾斜過(guò)大會(huì)產(chǎn)生反效果，即存在一個(gè)最佳傾斜角度使得壓氣機(jī)性能最大化。

本文研究對(duì)壓氣機(jī)及旋轉(zhuǎn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。