蝸殼通道面積對離心壓氣機性能的影響

李瀟宇,汪陳芳,2,王智鑫,加少坤,汪律辰

(1.合肥工業(yè)大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009;2.玉柴聯(lián)合動力股份有限公司,安徽 蕪湖 241080)

0 引 言

氫燃料電池具有“零排放”、能量轉(zhuǎn)換效率高、噪音低等優(yōu)勢,是未來理想的車用動力源之一[1]。增壓技術可提升氫燃料電池效率和功率密度,并可以改善燃料電池的水平衡性能,是燃料電池關鍵技術之一[2]。離心壓氣機具有結構緊湊、成本低、可靠性高等優(yōu)勢[3],使用電機帶動離心壓氣機的增壓技術在燃料電池增壓領域具有良好的應用前景[4]。但是普通車用增壓器轉(zhuǎn)速較高,使用超高速電機驅(qū)動會帶來成本高、可靠性差等問題[5],因而燃料電池的增壓系統(tǒng)需要開發(fā)一種專用的低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機[6]。

為了提高壓氣機穩(wěn)定工作范圍和效率,研究人員做了大量蝸殼對傳統(tǒng)高轉(zhuǎn)速增壓器壓氣機性能的影響研究。例如,文獻[7]將蝸殼的非對稱性對壓氣機性能的影響進行了分離,證明了蝸殼不對稱對壓縮機穩(wěn)定性的影響與轉(zhuǎn)速和壓比有關;文獻[8]研究了蝸殼畸變對渦輪增壓器用離心壓氣機性能的影響;文獻[9]做了基于蝸殼引起的周向流動畸變的離心壓縮機性能分析;文獻[10]研究了蝸殼舌部形狀對內(nèi)部流動以及壓氣機的影響;文獻[11]探究了蝸殼面徑比A/R對離心式壓氣機性能的影響。研究者們通過對各個影響因素細致的分析,從而改進壓氣機的性能。

蝸殼對傳統(tǒng)高轉(zhuǎn)速增壓器壓氣機性能影響的研究具有重要的啟示意義,有必要開展蝸殼對低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機性能影響的研究及其流動機理的探索。因此,為了促進電動增壓器用低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機的工程應用,本文采用葉輪機械仿真軟件NUMECA FINE/Open對裝配不同蝸殼的離心式壓氣機進行數(shù)值模擬,探究蝸殼通道面積對離心壓氣機性能的影響,并進行內(nèi)部流動分析。

1 數(shù)值方法

1.1 研究對象

本文的研究對象是一臺由高速電機驅(qū)動的低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機,其主要結構為葉輪和蝸殼。葉輪與電機同軸連接,由電動機驅(qū)動。該離心壓氣機的主要設計參數(shù)見表1所列。本文所選型的離心壓氣機結構如圖1所示。

圖1 離心壓氣機剖面圖

表1 離心壓氣機主要設計參數(shù)

離心壓氣機的蝸殼通道截面是逐漸變化的,各截面形狀相同,數(shù)值大小不同。本文所研究的蝸殼通道的截面及其結構如圖2所示,蝸殼通道模型按角度被劃分為12個部分。不同截面的半徑R不同,R的大小隨圓周角增加而增加。

圖2 蝸殼通道截面及其結構示意圖

為了探索蝸殼通道面積對離心壓氣機性能的影響,在保持蝸殼通道內(nèi)圓直徑D、擴壓器寬度B和蝸殼出口管段長度L一致的基礎上,構建了5種不同的蝸殼通道,各種蝸殼通道截面半徑R′是與其對應圓周角的原蝸殼截面半徑R的k倍(k分別為0.9、1.0、1.1、1.2、1.3)。分別將不同通道面積的蝸殼模型與同一葉輪相連接,采用相同的數(shù)值方法進行性能仿真計算。

1.2 數(shù)值模型

網(wǎng)格由2個部分組成,葉輪網(wǎng)格是利用NUMECA軟件的Auto Grid模塊來劃分的。蝸殼通道采用NUMECA HEXPRESS軟件生成網(wǎng)格,并與葉輪網(wǎng)格連接。葉輪和蝸殼通道2個部分的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 蝸殼通道及葉輪網(wǎng)格模型

求解的控制方程為可壓縮的Navier-Stokes方程,湍流模型采用對葉輪機械適應性較好的Spalart-Allmaras模型,轉(zhuǎn)靜子面設定選用上下游周期性一致(軸流+離心)的處理方式。離心壓氣機進口給定自適應的進氣條件,溫度為常溫,壓力為101.325 kPa。出口邊界條件先給定靜壓,再逐漸提高靜壓,當效率無法增加時保證靜壓不變,逐漸減小流量。輪轂及葉片表面是無滑移固壁邊界,輪蓋是靜止的固壁邊界,轉(zhuǎn)子通道前、后區(qū)域是周期性邊界[3]。

葉輪及蝸殼的網(wǎng)格獨立性驗證如圖4所示。由圖4a可知，當網(wǎng)格數(shù)大于250×104后,隨網(wǎng)格數(shù)增大,壓氣機的壓比和效率并不會發(fā)生變化。由圖4b可知，蝸殼通道的最低網(wǎng)格數(shù)應為30×104。為了降低計算結果的誤差,本文葉輪網(wǎng)格數(shù)目約為400×104,生成的蝸殼通道模型網(wǎng)格數(shù)均在5×104左右。通過對網(wǎng)格質(zhì)量要求的正交性和延展比進行對比,以及最大長寬比的限制,本文使用的所有網(wǎng)格均符合模擬的精度要求。本文采用的數(shù)值計算方法在離心壓氣機領域廣泛應用,并經(jīng)過了大量試驗檢驗。例如文獻[8-9]使用了同一方法,可以準確預測壓氣機性能的變化趨勢。

壓氣機的穩(wěn)定工作范圍由堵塞流量(最大流量)和喘振流量(最小流量)界定,定義為:

(1)

其中:mchoke為堵塞流量;msurge為喘振流量。本文對喘振點的確認是在計算中不斷減小流量,直到數(shù)值計算過程不能進行為止,完成計算的最小流量處即為喘振點。本文中的低比速離心壓氣機在設計轉(zhuǎn)速60 000 r/min下,近堵塞工況的流量為0.21 kg/s,近喘振工況的流量為0.06 kg/s。

2 研究結果分析

2.1 總體性能

不同類型的蝸殼模型在40 000 r/min和60 000 r/min轉(zhuǎn)速下的效率和壓比隨流量變化的曲線如圖5所示。從圖5可以看出,無論低比速離心壓氣機轉(zhuǎn)速高低,蝸殼通道截面積變化對離心壓氣機的效率和壓比均影響明顯。隨著壓氣機蝸殼通道截面增大,壓氣機喘振線及堵塞線均朝流量增加的方向移動(反之移動方向相反),此外堵塞線的偏移量比喘振線大;壓氣機的效率和壓比在近喘振工況有所降低,而近堵塞工況效率和壓比都有較大幅度的提高。

設計轉(zhuǎn)速下不同蝸殼模型的低比速壓氣機在不同工況下的效率、壓比和穩(wěn)定工作范圍見表2所列。蝸殼通道截面積縮小為原型0.9倍時,壓氣機穩(wěn)定工作范圍減小2.26%。近堵塞工況壓氣機效率減小9.99%,壓比降低4.24%。若蝸殼通道截面積增大為原型的1.2倍時,壓氣機穩(wěn)定工作范圍增大2.1%。近堵塞工況壓氣機效率增加4.64%,壓比升高2.12%。因此蝸殼通道面積的大小對低比速離心壓氣機的性能影響比較明顯,適當增加蝸殼通道面積所帶來的優(yōu)勢大于其所帶來的不足。改變壓氣機蝸殼的通道截面大小,可以改變離心壓氣機的特性曲線,調(diào)整低比速離心壓氣機的穩(wěn)定運行區(qū)域。

2.2 流場分析

不同通道面積的蝸殼近堵塞點靜壓云圖如圖6所示。由6可知,當蝸殼通道面積為原型的0.9倍時,蝸殼的靜壓畸變大,在300°～360°位置靜壓明顯較低,較低的蝸殼通道壓力會影響對應的葉輪通道內(nèi)的流動。而隨著蝸殼通道面積的增加,蝸殼的靜壓畸變變小。當達到1.2倍時,靜壓分布已經(jīng)比較均勻,蝸殼內(nèi)氣流流動也變得穩(wěn)定。

圖6 不同蝸殼模型近堵塞點靜壓云圖

蝸殼通道模型所對應的葉輪在設計轉(zhuǎn)速下、90%葉高截面時,近堵塞工況的相對馬赫數(shù)分布如圖7所示。

圖7 不同蝸殼模型近堵塞點時葉輪的相對馬赫數(shù)

當蝸殼通道截面減小為0.9倍時,在葉輪臨近蝸舌的分流葉片前緣兩側有較高的相對馬赫數(shù)區(qū)域,部分葉輪通道出現(xiàn)超聲速區(qū)域。隨著蝸殼通道截面的增加,該區(qū)域逐漸消失,在葉輪通道內(nèi)的能量損失明顯減小,在原本相對馬赫數(shù)較低的位置,其相對馬赫數(shù)有一定的升高,各通道的相對馬赫數(shù)分布變得均勻。

不同類型的蝸殼通道模型在設計轉(zhuǎn)速下近喘振工況的靜壓分布如圖8所示。從圖8可以看出，在近喘振點的不同蝸殼模型的高靜壓區(qū)與低靜壓區(qū)的位置分布情況基本相同,各通道差距并不明顯。當蝸殼通道面積為原型的1.2倍時,蝸殼的壓力畸變在0°～60°位置稍有增大。

圖8 不同蝸殼模型近喘振點靜壓云圖

不同類型的蝸殼通道模型所對應的葉輪在設計轉(zhuǎn)速下、90%葉高截面時,近喘振工況的相對馬赫數(shù)分布如圖9所示。

圖9 不同蝸殼模型近喘振點馬赫數(shù)和流線圖

圖9中加入了氣體在該截面的流線。從圖9可以看出，葉輪在蝸殼模型的240°～300°位置的流動差異較大。原型蝸殼通道所對應的葉輪在分流葉片兩側的通道均存在回流現(xiàn)象。而當蝸殼通道面積減小為0.9倍后僅分流葉片壓力面的通道存在回流現(xiàn)象,并且回流渦區(qū)域減小。當蝸殼通道面積增加為1.2倍后,分流葉片2側的2個通道和主葉片吸力面的通道都出現(xiàn)回流現(xiàn)象,回流渦區(qū)域增加。蝸殼通道面積的減少改善了葉輪內(nèi)的回流現(xiàn)象,優(yōu)化了近喘振點葉輪通道內(nèi)的流動,而蝸殼通道面積的增加使得葉輪通道內(nèi)的回流現(xiàn)象更加嚴重。

3 結 論

通過對不同大小的蝸殼通道進行數(shù)值計算以及流動分析,得出以下結論:

(1) 在所研究的蝸殼通道面積變化范圍內(nèi),蝸殼通道面積增加,壓氣機近堵塞工況效率和壓比有較大幅度的提高,堵塞流量增大;近喘振工況效率和壓比小幅降低,喘振流量小幅度增加;整體來看,離心壓氣機的穩(wěn)定工作范圍有所增加。

(2) 蝸殼通道面積較小時,近堵塞工況蝸殼內(nèi)流場靜壓畸變劇烈,導致壓氣機內(nèi)部流動呈現(xiàn)出強烈的非對稱性,部分葉片通道出現(xiàn)超音速區(qū),從而降低了壓氣機的喘振流量。蝸殼通道面積的增加,可以緩解葉輪通道內(nèi)流動的非對稱性,改善壓氣機整體性能。

(3) 隨者蝸殼通道面積的增加,離心壓氣機近喘振工況下靜壓畸變增大,葉尖低能流體區(qū)范圍增大,回流橫跨多個流道,嚴重影響了多個流道性能,導致壓氣機效率、壓比均有所降低。