電驅動離心壓氣機葉型分析及設計

張虹， 陳意， 王卓

(北京理工大學 機械車輛學院，北京 100081)

近年來，日益嚴苛的環(huán)境和能源問題導致車用發(fā)動機朝著小型化、高功率密度和低排放的趨勢發(fā)展.與此對應，傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器已經(jīng)越來越不能適應新的法規(guī)要求，其中低速性能惡化、加速能力不足等問題最為嚴重[1].電輔助增壓系統(tǒng)可以充分利用電機的快速響應性來解決發(fā)動機低速的問題，在低速時啟動電機帶動壓氣機來壓縮空氣，滿足供氣的需求，使燃燒更加充分[2].

電動壓氣機作為電輔助增壓系統(tǒng)的關鍵組成部件，其性能直接決定增壓系統(tǒng)的優(yōu)劣.目前國內外均對電輔助增壓系統(tǒng)進行深入研究.Garrett推出創(chuàng)新型兩級電動壓縮機，為實現(xiàn)寬工作范圍采用介于離心式和軸流式之間特性的混流式結構，并通過兩級增壓方案達到高流量和高壓比效果；BorgWarner推出的eBooster電動增壓器，可以消除渦輪遲滯現(xiàn)象，提高低轉速范圍內的增壓壓力，為小型發(fā)動機提供更好的低速扭矩；武漢理工大學通過研究通流部分幾何形狀對離心壓氣機性能的影響，擴大壓氣機流通范圍，提高壓氣機在低速工況下的工作性能[3]；清華大學和合肥工業(yè)大學研究葉片前緣前掠對低比轉速離心壓氣機性能的影響及其流動控制效果，采用適當加大葉片前部和中部載荷的葉型并通過分流葉片復合彎掠等方法抑制葉尖泄漏渦與葉輪通道渦相互作用，減小流動損失，提高效率和拓寬穩(wěn)定工作范圍[4].

為使發(fā)動機在低轉速時得到更好的加速性能和足夠的進氣量，需要對電動壓氣機的葉輪進行合理的匹配和葉型設計以滿足發(fā)動機對壓比、流量范圍和效率等要求[5-6].文中旨在通過對比普通車用渦輪增壓離心壓氣機葉輪J90和適用于低速范圍內電動壓氣機葉輪JE90進行對比分析，對比其結構和內部流場的差異，得到高性能葉型設計策略，對研發(fā)適用于低轉速區(qū)間的高效葉輪具有指導意義.

1 電動壓氣機結構分析

1.1 外形尺寸對比

應用于不同工況，擁有不同性能特性的普通車用渦輪增壓離心壓氣機葉輪J90和電動壓氣機葉輪JE90的基本尺寸如表1所示.從表中數(shù)據(jù)可看出，在一維設計上兩個葉輪的進出口直徑、進出口葉片寬度和葉輪高度等外形尺寸相差不大[7]，由此可得三維葉型設計上的差異才是引起J90和JE90性能特性不同的主要原因.

表1 JE90葉輪和J90葉輪尺寸對比

1.2 葉型對比分析

圖1為JE90和J90子午流面輪廓圖.從兩款葉輪的子午面輪轂和輪緣分布曲線可以看出，兩款葉輪的子午面形狀大小相似，主要差異在于分流葉片的掠型和葉輪進口寬度.JE90屬于分流葉片后掠，J90為分流葉片前掠；分流葉片前緣后掠使效率、壓比降低，失速裕度和穩(wěn)定工作裕度增加，前緣前掠則反之[8-9]；從兩個葉輪的徑向數(shù)據(jù)可得，J90輪轂和輪緣的徑向值均大于JE90，其中JE90進口寬度為21.8 mm，J90進口寬度為23.8 mm.

圖1 子午面輪轂和輪緣分布曲線對比

壓氣機葉輪的葉片角分布對壓氣機性能有重要的影響，其主要影響葉片的載荷分布形式.通常壓氣機葉輪設計中，為了保證入口攻角最小[10]，尤其是為了保證入口輪緣處的攻角最小，入口輪緣處與葉輪軸向間的葉片角通常選擇在-60°左右，這樣可以保證在相同的質量流量下入口輪緣處的相對馬赫數(shù)最小[11].對于葉片出口角的選擇，如果選取較小的后彎角，可以增強葉輪的做功能力；如果選取較大的后彎角，要想獲得不變的壓比，就要提高葉輪旋轉速度，相應也提高了葉輪的應力[12].

圖2為兩款葉輪主葉片葉片角隨弦長百分比分布對比.JE90和J90葉片角在弦長百分比為0%的位置時輪轂和輪緣的葉片角相同，其中輪轂處的葉片角為-40°，輪緣處的葉片角為-67°.JE90的葉片角整體呈現(xiàn)上升趨勢，增加到弦長百分比為60%的位置后增加速度放緩，然后在弦長百分比為90%的位置下降，且在弦長百分比為100%處，輪轂的葉片角為-12.7°，輪緣的葉片角為-24°.J90葉片角先是上升到弦長百分比為40%的位置然后逐漸下降，并且在弦長百分比為100%的位置，輪轂和輪緣的葉片角相同，其大小均為-41°.由此可得，JE90和J90葉片角分布的主要差異在弦長為50%～100%的位置，即葉片尾緣部分.

圖2 葉輪主葉片輪轂和輪緣葉片角分布

圖3為JE90和J90主葉片厚度隨弦長百分比分布.從兩款葉輪葉片輪轂和輪緣厚度分布來看，兩種葉輪葉片輪緣厚度分布基本相同，其數(shù)值都是在0.5～1.0 mm之間，可以認為葉片輪緣厚度分布一致；兩者間葉片輪轂厚度分布存在較大的差異，JE90主葉片輪轂厚度分布呈現(xiàn)為“M”型，存在兩個波峰，分別在20%和65%弦長處；而J90主葉片輪轂厚度分布呈現(xiàn)為倒勾型，波峰位于20%弦長處；JE90主葉片輪轂厚度最大值出現(xiàn)在第二個波峰位置，其值為3.6 mm，J90主葉片輪轂厚度最大值在其波峰位置，其值為4.1 mm.

圖3 主葉片輪轂和輪緣厚度分布

在設計葉片厚度分布時，葉片厚度峰值不宜過大且保證在中間跨度的厚度分布均勻；分流葉片葉片角分布和厚度分布基本與主葉片保持一致.降低葉片前緣厚度有利于提高壓氣機的氣動性能；適當增加葉片葉頂厚度有利于緩解葉輪的葉頂泄漏.

2 電動壓氣機性能分析

2.1 性能MAP圖對比

圖4為J90葉輪和JE90葉輪在流量范圍內的性能圖.從圖4中可以看出，J90和JE90在絕大部分流量下效率均超過0.70，主要差異在于JE90效率圈超過0.80的占比和幅度均大于J90；JE90效率最大值為0.85，J90效率最大值為0.81.

圖4 兩種壓氣機葉輪MAP

從流量范圍角度分析，J90葉輪的最小流量為0.10 kg/s，而JE90的最小流量為0.05 kg/s；同時，JE90喘振線更加陡峭，喘振流量向小流量區(qū)間偏移即JE90葉輪適應在更小的流量區(qū)域工作.為更好提高小流量、低轉速區(qū)間壓比，導致JE90工況范圍有所減小.從轉速角度分析，當兩葉輪處于同一低轉速時，JE90核心高效率區(qū)占比明顯高于J90，即JE90高效率區(qū)更接近低轉速區(qū)域；JE90在小流量范圍內各轉速下均有較好運行特性，壓比變化更平穩(wěn).

綜上可知，整個礦山室外給排水管道系統(tǒng)較為復雜，因此設計時首先要根據(jù)工藝等對水質不同要求，制定室外給排水系統(tǒng)方案。

綜合兩款葉輪J90和JE90的性能分析，通過匹配設計點、工作區(qū)間以及高效區(qū)分布可以看出兩者在比轉速上有明顯差異.壓氣機比轉速定義為

式中：ns為比轉速；k為轉數(shù)，r/min；qV為體積流量，m3/s；Δh為等熵焓增，J/kg.

電動增壓器不同于常規(guī)的廢氣渦輪增壓，廢氣渦輪增壓轉速基本都在10萬轉以上，電動增壓器的驅動電機往往難以達到這么高的轉速，故為電動增壓而設計的電動壓氣機為低比轉速離心壓氣機，其具有在低轉速下(5萬轉以下)相比普通壓氣機具有更高的壓比和流量范圍.經(jīng)計算可得J90的比轉速為10.49；JE90的比轉速為7.76.故設計適用于低速區(qū)間的高效電動壓氣機的一大特點是低比轉速.比轉速能定性地體現(xiàn)壓氣機的做功能力.同樣轉速條件下，比轉速越低，能夠達到的壓比就越高.常規(guī)設計通常采用高比轉速，比轉速在3.6～16.6之間，能夠獲得較高的效率.低比轉速壓氣機逆壓力梯度高、二次流占比大，故必須深刻認識其流動特性，方能設計出高性能的低比轉速離心壓氣機.

2.2 三維流場對比分析

選取轉速為4×104r/min、流量為0.22 kg/s的工況點作為流場對比的分析點.通過對比JE90和J90在該工況點離輪轂距離占壓氣機輪轂和輪緣距離為50%葉高的總溫分布、靜壓分布、熵增分布、相對馬赫數(shù)分布、子午流道流線分布和泄漏流量等參數(shù)差異，分析兩種葉輪性能不同的內因.

圖5為JE90和J90在該工況 50%葉高的總溫分布對比.兩款葉輪的總溫分布都是從入口到出口逐漸增大，因為空氣從入口到出口逐漸被壓縮導致溫度呈遞增趨勢.但是JE90溫度梯度明顯大于J90，尤其是在主葉片和分流葉片出口位置.從幾何上分析，原因可能是JE90葉片彎曲程度更大，反動度大導致氣流經(jīng)過的時候被更大程度的壓縮，葉輪做功能力強.

圖5 50%葉高總溫分布圖

圖6為JE90和J90在該工況50%葉高的靜壓分布對比.顯然，兩款葉輪從葉輪入口到葉輪出口的靜壓值均呈現(xiàn)為逐漸增大.主要區(qū)別在于JE90葉輪出口靜壓明顯大于J90葉輪且靜壓梯度更加密集.在該工況點時，J90葉輪的壓比僅為1.199，而JE90葉輪的壓比為1.297.

圖6 50%葉高靜壓分布圖

圖7為JE90和J90在50%葉高的熵增分布對比.兩款葉輪在50%葉高處的熵增分布趨勢相同，都是在葉輪尾緣處出現(xiàn)高熵區(qū)，但JE90的高熵區(qū)域明顯大于J90.熵增大的區(qū)域說明存在較大的流動損失，這些區(qū)域也是在減少流動損失和提高壓氣機效率時應當關注的地方.

圖7 50%葉高熵增分布圖

圖8 50%葉高相對馬赫數(shù)分布圖

圖9為JE90和J90子午流道流線分布對比.兩款葉輪的子午流道氣流流線分布基本相同，在葉輪的進口和子午流道內的流線都比較順暢，沒有出現(xiàn)旋渦.但在葉輪出口靠近輪緣的位置，兩葉輪均出現(xiàn)了分離渦，這主要是由于葉輪子午流道輪廓在葉輪尾部和氣流流動方向存在偏差導致“脫流”現(xiàn)象并造成二次流損失.J90在葉輪尾緣的輪蓋位置曲率明顯大于JE90，導致“脫流”現(xiàn)象更明顯、分離渦區(qū)域更大、二次流能量損失和擾動更大，這也是JE90在此工況點的效率更高的原因之一.

圖9 兩種葉輪子午流道流線分布圖

如圖10和圖11為JE90和J90在弦長方向載荷分布對比.葉片在流動方向上可分為壓力面和吸力面，壓力面載荷和壓力均要大于吸力面，葉片進出口處由于壓力面和吸力面交匯使得兩者的狀態(tài)參數(shù)重新保持一致.由主葉片載荷分布對比圖可得，在壓力面葉片進口至50%弦長段JE90和J90的載荷分布基本一致，后段葉片分布角差異導致載荷出現(xiàn)分歧且隨葉高的減小，載荷分歧點趨近葉輪進口位置；吸力面JE90和J90載荷差異明顯，導致JE90壓力面和吸力面的整體壓差更大，葉輪做功能力增強.其中圖10(a)表明，葉輪前半段兩葉輪載荷大小基本一致，葉輪后半段載荷開始發(fā)生差異，原因是兩款葉輪的出口葉片角不同、葉片尾緣分布角差異.圖10(b)和10(c)與圖10(a)在壓力面上的載荷變化趨勢相同，差異為載荷分歧點更趨近葉輪進口，且隨葉高的增加受葉頂間隙氣體泄露影響更大從而導致壓力面和吸力面的整體壓差減小.圖11分流葉片載荷分布對比圖上可以看出，分流葉片上的載荷大小整體小于主葉片，其變化規(guī)律基本與主葉片保持一致.主要差異在于JE90和J90間出現(xiàn)載荷分歧點位置更靠前；在吸力面上，兩者的載荷大小差距相對較小，基本保持一致.

圖10 主葉片不同葉高的載荷分布圖

圖11 分流葉片不同葉高的載荷分布圖

圖12為JE90和J90的主葉片、分流葉片泄漏流量對比.主葉片和分流葉片位置處，J90泄漏流量均大于JE90；在分流葉片處，J90和JE90的泄漏流量分別為16.2 g/s和7.7 g/s，J90的泄漏流量是JE90的2倍以上.泄漏流量大會導致流體能量損失較多，這也是JE90效率高于J90原因之一.

圖12 兩種葉輪泄漏流量對比圖

通過以上對比可以分析得出：低比轉速壓氣機其性能特點是低轉速、高效率、小流量以及盡可能的高壓比.從而得出適用于低轉速范圍和小流量區(qū)間的葉型優(yōu)化策略為分流葉片后掠、出口部分葉片角較小以加大葉片尾緣部分做功量和葉片厚度在中部更加均勻以減小葉頂間隙泄漏量.

3 設計實例

綜合適用于低轉速范圍和小流量區(qū)間的葉型優(yōu)化策略并應用于某型電動壓氣機優(yōu)化，該款壓氣機的額定轉速為4×104r/min，流量范圍為0.1～0.3 kg/s.對該葉輪的葉片角分布進行改型設計，擬合低比轉速特性如圖13所示.

表2 某型電動壓氣機參數(shù)

圖13 葉輪主葉片輪轂和輪緣葉片角分布

圖14和圖15為原型葉輪和改型葉輪在轉速為4×104r/min的效率和壓比特性對比.額定設計工況(轉速為4×104r/min、流量為0.161 kg/s)：等熵效率和總壓比均得到提高；原型和改型葉輪的等熵效率分別為0.829 3和0.841，增幅1.4%；壓比為1.274和1.277，增幅0.24%，稍有提升.在小流量區(qū)間(0.1～0.3 kg/s)，原型葉輪最高效率為0.829 8，流量為0.22 kg/s；改型葉輪最高效率為0.851 7，流量為0.20 kg/s，葉輪優(yōu)化前后最高效率點向小流量偏移.改型葉輪相比原葉輪在整個小流量范圍的效率和壓比特性都有一定程度的提高，說明該葉輪改型策略有助于壓氣機的性能特性向小流量偏移.

圖14 葉輪優(yōu)化前后效率對比

圖15 葉輪優(yōu)化前后壓比對比

綜合實例仿真和性能分析證明，適用于低比轉速的高性能葉型優(yōu)化設計策略可在壓比保持的情況下提升低轉速下小流量區(qū)間的效率特性，該葉型設計策略對研發(fā)適用于小流量區(qū)間和低轉速區(qū)間的高效葉輪具有一定指導意義，滿足電動壓氣機的設計目標和應用要求.

4 結 論

文中主要分析電動壓氣機的性能要求和葉型設計特點.通過分析普通車用離心壓氣機葉輪J90和適用于低轉速區(qū)間壓氣機葉輪JE90兩款葉輪子午流道輪廓、葉片角分布和葉片載荷分布存在的差異，得到設計幾何規(guī)律和策略.

① 兩種葉輪在流量范圍內都有較高的效率，但JE90效率高于0.80區(qū)域明顯大于J90，且更靠近低轉速、小流量區(qū)域.在40 000 r/min時，JE90最小流量為0.05 kg/s，J90最小流量為0.1 kg/s，故JE90相對而言具有更小的喘振邊界.從性能圖整體的傾斜程度和喘振線來看，J90要比JE90更加矮平，在各個轉速下J90壓比變化范圍更加明顯，JE90壓比變化更加平穩(wěn).即電動壓氣機的工作環(huán)境和輸出特性更適用于低轉速區(qū)間，應符合低比轉速特點.

② 根據(jù)內部流場分析，JE90葉輪在對比工況點效率較高，原因主要是葉輪出口處的分離渦小、泄漏流量少，流體的流動損失較少；JE90壓比更高的原因主要是葉輪后半部分葉片吸力面和壓力面的載荷差距更大，壓差更大增強對空氣做功能力.

③ 兩種葉輪幾何差異主要集中在葉片角分布、分流葉片掠型和主葉片厚度分布三個方面.對設計低比轉速電動壓氣機葉輪來說，可以在葉輪出口部分選擇較小的葉片角以提高其做功能力；分流葉片前緣后掠會使效率、壓比稍有降低，但能增加失速裕度和穩(wěn)定工作裕度；選擇適宜的葉片厚度且保證中間跨度厚度分布均勻以減小葉頂間隙泄漏量.