某離心葉輪葉片改型設(shè)計(jì)研究＊

覃玄，朱濤

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

引言

壓氣機(jī)是廢氣渦輪增壓器的重要組成部分，本文研究的離心葉輪則為壓氣機(jī)的核心部件[1]。葉輪的尺寸、幾何參數(shù)極大地決定了壓氣機(jī)的工作性能，葉輪葉片形狀十分復(fù)雜，造型千變?nèi)f化，當(dāng)壓氣機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，氣流在離心葉輪中有著極其復(fù)雜的流動(dòng)狀況，葉片的不同幾何造型直接決定了氣體流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響葉輪的流動(dòng)特性和氣動(dòng)性能[2]。

針對(duì)改善葉輪流動(dòng)特性和提升葉輪的氣動(dòng)性能國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。劉小民，張文斌將離心葉輪參數(shù)化方法、多目標(biāo)遺傳算法及商業(yè)化數(shù)值計(jì)算軟件NUMECA相結(jié)合，建立起離心葉輪自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)[3]。王繼磊，楊金廣等提出了一種徑流式葉輪機(jī)械的參數(shù)化方法，并編寫了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。通過集成參數(shù)化，網(wǎng)格生成和數(shù)值計(jì)算三個(gè)模塊構(gòu)建了離心壓縮機(jī)葉輪優(yōu)化平臺(tái)[4]。席光，唐永洪等以任意空間曲面三元閉式葉輪為對(duì)象，研究了不同展向和流向葉片厚度分布方案對(duì)離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能的影響，其研究結(jié)果表明相比于沿流向削薄前緣和尾緣厚度，沿展向削薄葉尖厚度具有更大的性能提升能力[5]。基于對(duì)葉輪進(jìn)出口速度三角形的分析，建立葉輪做功與葉輪損失物理模型，利用多目標(biāo)遺傳算法尋優(yōu)，并對(duì)尋優(yōu)結(jié)果進(jìn)行CFD數(shù)值驗(yàn)證[6]。

本文基于ANSYS BladeGen，采用四階Bezier對(duì)葉輪葉片葉頂弧線以及葉根弧線進(jìn)行參數(shù)改變，設(shè)計(jì)出一系列新葉型，通過流場(chǎng)數(shù)值模擬分析得到最終設(shè)計(jì)葉型。

1 離心葉輪模型建立及數(shù)值模擬

首先對(duì)原葉輪進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算獲得其流動(dòng)特性及氣動(dòng)性能相關(guān)參數(shù)總壓比和多變效率。原葉輪的性能指標(biāo)是后續(xù)對(duì)葉型進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)參照，通過這個(gè)參照，最終從設(shè)計(jì)出的一系列葉型中篩選出最優(yōu)葉型。

1.1 離心葉輪建模過程

本文以某高壓比離心葉輪為研究對(duì)象，其三維模型如圖1所示。葉輪基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 原離心葉輪的三維模型

表1 原葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)

利用三維軟件的相交截線功能，通過面與面之間的相交投影，截取獲得離心葉輪的葉片葉型型線以及葉輪的子午流道面型線，導(dǎo)入 BladeGen 中生成的完整子午流道面如圖2所示。

圖2 葉輪的子午流道視圖

將BladeGen 中生成重構(gòu)完成的離心葉輪導(dǎo)入Turbogrid中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，離心葉輪的三維網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 葉輪三維網(wǎng)格圖

1.2 離心葉輪數(shù)值計(jì)算過程及分析

將 TurboGrid 中劃分好網(wǎng)格的離心葉輪模型導(dǎo)入 CFX中完成流場(chǎng)計(jì)算。由于離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)馬赫數(shù)超過數(shù)值0.2，選擇 Total Energy 作為熱傳遞模型，同時(shí)選用的湍流模型為k-ε 模型。定義邊界條件合為進(jìn)口總溫總壓—出口靜壓組合。其中，進(jìn)口總溫設(shè)置為300K，離心葉輪進(jìn)口總壓101325Pa，離心葉輪出口靜壓設(shè)置為455962.5Pa。求解器設(shè)定完成后如下圖4所示。

圖4 待求解葉輪

計(jì)算出離心壓氣機(jī)葉輪的總壓比π和葉輪的效率ηpoly，最終的計(jì)算結(jié)果如下表2所示。

表2 原葉輪數(shù)值計(jì)算結(jié)果

葉輪流道的壓力分布云圖、速度分布云圖如圖5、圖6所示。

圖5 葉輪壓力分布云圖

圖6 葉輪速度分布云圖

通過觀察壓力云圖可知，葉片流道在流動(dòng)過程中除入口處壓力分布都比較穩(wěn)定，在流道中部和出口處都出現(xiàn)高壓區(qū)和極為明顯的分層現(xiàn)象。壓力云圖出現(xiàn)這種特征是因?yàn)殡x心壓氣機(jī)工作時(shí)壓縮氣體升壓的工作在葉片流道的出口處最終完成，因此越靠近流道的出口，氣體壓力越大，并出現(xiàn)分層的現(xiàn)象。對(duì)速度云圖進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，葉片流道的前中部分氣體流動(dòng)速度表現(xiàn)為中速且流動(dòng)狀況過渡表現(xiàn)得十分平穩(wěn)，但到了流道的流動(dòng)后區(qū)域，出現(xiàn)了流動(dòng)速度急劇減緩的團(tuán)狀滯流區(qū)域，出口邊界處是流動(dòng)速度最大的區(qū)域。速度云圖中出現(xiàn)團(tuán)狀滯流區(qū)域是因?yàn)闅怏w在流道最后區(qū)域內(nèi)的壓力急速增大，使得氣體的流動(dòng)出現(xiàn)漩渦式的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)的速度顯著下降，在小范圍內(nèi)表現(xiàn)得比較穩(wěn)定。

2 離心葉輪葉片改型設(shè)計(jì)過程

如圖2葉輪子午流道視圖可知截取的葉片截線共有七條，離心葉輪葉片是基于這七條曲線而生成的，取頂層截線和底層截線即葉頂弧線和葉根弧線為改進(jìn)對(duì)象，采用四階Bezier 曲線對(duì)其進(jìn)行參數(shù)改變。

2.1 設(shè)計(jì)方案

圖7 控制點(diǎn)選擇

圖8 葉輪葉片改型設(shè)計(jì)流程圖

取中間兩個(gè)控制點(diǎn)作為可變控制點(diǎn)，一前一后兩個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)位置不變。分別將葉頂弧線中的兩個(gè)控制點(diǎn)命名為控制點(diǎn)1和控制點(diǎn)2，將葉根弧線中的兩個(gè)控制點(diǎn)分別命名為控制點(diǎn)3和控制點(diǎn)4，通過改變控制點(diǎn)1、2、3、4的坐標(biāo)來改變?nèi)~片的造型?？刂泣c(diǎn)的選擇如圖7所示。

葉片改型設(shè)計(jì)具體流程如圖8所示。

2.2 結(jié)果分析

新設(shè)計(jì)葉片葉頂弧線層與葉根弧線層的葉型如圖9、10所示。

圖9 葉頂弧線層葉型

圖10 葉根弧線層葉型

優(yōu)化前后離心葉輪性能對(duì)比如表3所示：

表3 新葉輪數(shù)與原葉輪性能對(duì)比

由性能對(duì)比表中顯示的數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化完成后的離心葉輪總壓比基本保持不變，提升了0.87%，效率提升了5.69%。

圖11 新葉輪流道的壓力分布云圖

圖12 新葉輪流道的速度分布云圖

新設(shè)計(jì)葉輪流道壓力分布云圖、速度分布云圖如圖11、12所示。

將新設(shè)計(jì)葉輪的流道壓力、速度分布云圖與初始葉輪的流道壓力、速度分布云圖進(jìn)行對(duì)比分析可知葉片的葉型改型設(shè)計(jì)完成后，壓力、速度分布云圖的分布形式基本不變，葉輪流道壓力的極值相較于初始葉輪有所下降，即葉片所承受的壓力降低，這有利于延長(zhǎng)葉輪的使用壽命，葉輪流道的速度分布云圖中的團(tuán)狀流動(dòng)滯留區(qū)域范圍減小，氣體在葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)表現(xiàn)更加穩(wěn)定，這能夠減少能量的耗散，對(duì)提高葉輪的效率有利。

3 結(jié)論

采用四階Bezier對(duì)葉輪葉頂弧線以及葉根弧線進(jìn)行參數(shù)改變實(shí)現(xiàn)葉片改型，可以一定程度提高葉輪的效率，改善其流動(dòng)特性及氣動(dòng)性能，為工程實(shí)際應(yīng)用提供便利。