趙振國(guó) 韋威 楊華斌

摘 要：本文以某組合壓氣機(jī)離心級(jí)為研究對(duì)象，采用三維粘性數(shù)值模擬方法分析了徑向擴(kuò)壓器進(jìn)、出口半徑對(duì)離心壓氣機(jī)流場(chǎng)及性能的影響，結(jié)果表明：對(duì)于該離心壓氣機(jī)，D3/D2在1.05～1.17范圍內(nèi)，減小徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口半徑有利于提高壓氣機(jī)工作效率和流通能力，但易導(dǎo)致其穩(wěn)定工作范圍大幅降低;D4/D3在1.34～1.43范圍內(nèi)，減小徑向擴(kuò)壓器出口半徑對(duì)離心壓氣機(jī)特性影響不大，可以大幅降低壓氣機(jī)最大徑向尺寸，對(duì)于壓氣機(jī)減重有較大參考意義。

關(guān)鍵詞：徑向擴(kuò)壓器;特征參數(shù);離心壓氣機(jī);流場(chǎng);性能

高效、高負(fù)荷離心壓氣機(jī)在中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的使用。作為離心壓氣機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，擴(kuò)壓器性能的優(yōu)劣對(duì)于離心壓氣機(jī)性能有著重要影響。研究表明[1]，離心葉輪出口氣流動(dòng)能約占葉輪耗功的25%～50%，且氣流具有較大的切向速度。徑向擴(kuò)壓器通過(guò)半徑的增加使氣流減速增壓，并使氣流以希望的角度偏轉(zhuǎn)，軸向擴(kuò)壓器則進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)氣流至燃燒室進(jìn)口所需方向。由于擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)為復(fù)雜的三維粘性流動(dòng)，氣流在強(qiáng)逆壓力梯度下容易發(fā)生分離，帶來(lái)較大的流動(dòng)損失[2]，為高性能擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的難度。

為了更好地進(jìn)行擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)擴(kuò)壓器工作特性的影響因素進(jìn)行了大量的研究。Pampreen等[3]早在上世紀(jì)七十年代即對(duì)直角擴(kuò)壓器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)口扭曲可改善擴(kuò)壓器氣動(dòng)性能。Senoo等[4]提出了低稠度葉片擴(kuò)壓器概念，并指出葉片喉道限制了擴(kuò)壓器堵塞流量，采用低稠度葉片擴(kuò)壓器可獲得更優(yōu)的性能。初雷哲等[5]指出適當(dāng)調(diào)整擴(kuò)壓器的葉片傾角可以減小流場(chǎng)波動(dòng)，并對(duì)擴(kuò)壓器中的流動(dòng)分離有重要影響。張朝磊等[6]數(shù)值研究了擴(kuò)壓器葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，獲得了一些有意義的結(jié)論。

本文以某型組合壓氣機(jī)離心級(jí)為研究對(duì)象，分別研究和認(rèn)識(shí)了徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)、出口半徑等特征參數(shù)對(duì)該離心壓氣機(jī)流場(chǎng)和氣動(dòng)性能的影響，為該離心壓氣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1數(shù)值研究方案

1.1數(shù)值計(jì)算方法

本文數(shù)值模擬研究采用CFX13.0軟件，計(jì)算域包括離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器三排葉片，采用TurboGrid13.0生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，定常計(jì)算求解三維Navier-Stokes方程組，差分格式采用高精度格式，湍流模型采用K-epsilon模型。為了使計(jì)算分析更具有可比性，本文各算例計(jì)算網(wǎng)格均采用相同的網(wǎng)格模板生成，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)格密度均保持一致，計(jì)算邊界條件亦保持一致。

1.2徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口半徑對(duì)性能的影響

本文研究對(duì)象為某組合壓氣機(jī)離心級(jí)，其徑向擴(kuò)壓器流道為等寬度流道，葉片采用雙圓弧設(shè)計(jì)。分別選取不同的徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口半徑，用方案1～方案4表示，其葉片前緣在子午面上的位置如圖1所示。為保證葉片喉道面積不變，適當(dāng)對(duì)徑向擴(kuò)壓器蓋側(cè)流道進(jìn)行了偏移。通過(guò)對(duì)比這四種方案擴(kuò)壓器流場(chǎng)來(lái)分析徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口半徑對(duì)性能的影響。

1.3徑向擴(kuò)壓器葉片出口半徑對(duì)性能的影響

徑向擴(kuò)壓器葉片出口半徑通?？梢杂绊懓l(fā)動(dòng)機(jī)的最大徑向尺寸，對(duì)整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量有著重要影響。本文分別選用不同的徑向擴(kuò)壓器葉片出口半徑，用方案5～方案8表示，其葉片尾緣在子午面上的位置如圖2所示。通過(guò)對(duì)比這四種方案擴(kuò)壓器流場(chǎng)來(lái)分析徑向擴(kuò)壓器葉片出口半徑對(duì)性能的影響。

2數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

2.1徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口半徑對(duì)性能的影響

圖3為采用不同徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口半徑的離心壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的特性圖對(duì)比，圖中可以看出，隨著D3/D2的增加，徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口馬赫數(shù)依次減小，則喉道處的馬赫數(shù)亦隨之減小，但喉道面積不變，因此壓氣機(jī)的堵點(diǎn)流量依次降低。此外，四種方案的峰值壓比依次降低，穩(wěn)定工作范圍則依次升高，穩(wěn)定裕度分別為22%、28%、30%和32%。如果將離心葉輪尾緣至徑向擴(kuò)壓器葉片前緣之間的部分看作無(wú)葉段，則縮短無(wú)葉段的長(zhǎng)度有利于減小無(wú)葉段的流動(dòng)損失，提高該離心壓氣機(jī)的工作效率，且提高其流通能力，但是無(wú)葉段過(guò)短則會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定工作范圍大幅降低。

圖4為近設(shè)計(jì)點(diǎn)徑向擴(kuò)壓器50%葉高處葉片表面靜壓分布。圖中可以看出，四種方案下徑向擴(kuò)壓器葉片表面壓力分布發(fā)生了明顯的變化。隨著D3/D2的增加，徑向擴(kuò)壓器葉片弦長(zhǎng)變短，葉片載荷明顯降低。且圖中可以看出，徑向擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓作用主要發(fā)生在葉片的前半段，因此D3/D2的變化對(duì)該區(qū)域的載荷分布有著明顯影響。

圖5所示為近設(shè)計(jì)點(diǎn)下四種方案的無(wú)葉段、徑向葉片、轉(zhuǎn)彎段、軸向葉片和擴(kuò)壓器的相對(duì)總壓恢復(fù)系數(shù)的分布。圖中可以看出，隨著徑向葉片進(jìn)口逐漸遠(yuǎn)離離心葉輪出口，無(wú)葉段增長(zhǎng)，其摩擦損失增加，總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低;徑向葉片進(jìn)口馬赫數(shù)降低，總壓恢復(fù)系數(shù)升高;由于氣體在徑向葉片內(nèi)減速擴(kuò)壓程度降低，徑向葉片出口和軸向葉片進(jìn)口馬赫數(shù)增加，轉(zhuǎn)彎段和軸向葉片的總壓恢復(fù)系數(shù)均有所降低。在各分段的共同作用下，整個(gè)擴(kuò)壓器的總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低。

2.2徑向擴(kuò)壓器葉片出口半徑對(duì)性能的影響

圖6為采用不同徑向擴(kuò)壓器葉片出口半徑的離心壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的流量-壓比特性圖對(duì)比，圖7為近設(shè)計(jì)點(diǎn)下擴(kuò)壓器各排葉片進(jìn)口馬赫數(shù)沿展向分布。圖中可以看出，在本文算例D4/D3范圍內(nèi)，增減徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口半徑對(duì)離心壓氣機(jī)堵點(diǎn)流量并無(wú)影響，由于計(jì)算中保持葉片喉道面積不變，則四種方案喉道處氣流速度基本保持一致。分析流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，在此范圍內(nèi)，D4/D3的變化對(duì)離心葉輪和徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口流場(chǎng)基本無(wú)影響，但對(duì)擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)有明顯影響。同時(shí)可以看到，四種方案的離心壓氣機(jī)特性線基本吻合，穩(wěn)定工作范圍隨D4/D3的減小依次降低，穩(wěn)定裕度分別為29.1%、27.8%、26.7%和25.4%。

圖8為近設(shè)計(jì)點(diǎn)下四種方案的總壓恢復(fù)系數(shù)在擴(kuò)壓器內(nèi)的分布圖。前文分析認(rèn)為，D4/D3的減小對(duì)徑向葉片進(jìn)口流場(chǎng)沒(méi)有影響，此處也可看到，無(wú)葉段的總壓恢復(fù)系數(shù)亦基本保持不變。由于徑向葉片弦長(zhǎng)變短，葉型損失減小，其總壓恢復(fù)系數(shù)有所增加。但同樣由于氣體在徑向葉片內(nèi)減速擴(kuò)壓程度降低，軸向葉片進(jìn)口馬赫數(shù)增加，轉(zhuǎn)彎段和軸向葉片的總壓恢復(fù)系數(shù)均有降低。結(jié)合圖6可以看出，D4/D3在1.34～1.43范圍內(nèi)時(shí)，這四部分的總壓損失大致可以抵消，因此整級(jí)壓氣機(jī)的特性基本不變，但是壓氣機(jī)的最大徑向尺寸降低了11%，對(duì)于壓氣機(jī)減重具有較大的參考意義。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究某離心壓氣機(jī)徑向擴(kuò)壓器葉片進(jìn)、出口半徑對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的影響，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于該離心壓氣機(jī)，D3/D2在1.05～1.17范圍內(nèi)時(shí)，徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口半徑的減小有利于減小無(wú)葉段流動(dòng)損失，提高壓氣機(jī)工作效率，并提高其流通能力，但是容易導(dǎo)致壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍大幅降低;

（2）徑向擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓作用主要發(fā)生在葉片前半段;

（3）D4/D3在1.34～1.43范圍內(nèi)時(shí)，減小徑向擴(kuò)壓器出口半徑對(duì)離心壓氣機(jī)特性影響不大，壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍亦只是小幅降低，但可以大幅降低壓氣機(jī)最大徑向尺寸，有利于其重量減輕;

（4）后續(xù)工作還需要繼續(xù)進(jìn)行各特征參數(shù)對(duì)離心壓氣機(jī)流場(chǎng)及性能的綜合影響研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Dutton J C， Piemsomboon P， Jenkins P E. Flowfield and Performance Measurements in a Vaned Radial Diffuser[J]. Journal of Fluids Engineering， 1986，108（2）：141-147.

[2] Moore J， Moore J G. Three Dimensional Viscous Calculations for Assessing the Thermodynamic Performance of Centrifugal Compressors-Study of the Eckardt Compressor[R]. AGARD CP 282，1980.

[3] Pampreen R C. The Use of Cacade Technologyin Centrifugal Compressor Vaned Diffuser Design[J]. Journal of Engineering for Power，1972， 94（3）： 187-192.

[4] Senoo Y， Hayami H， Ueki H. Low Solidity Tandem Cascade Diffusers for Wide Flow Range Centrifugal Blowers[J]. ASME Paper，1983， No.93-GT-108.

[5] 初雷哲，杜建一，趙曉路，等. 葉片傾角變化對(duì)擴(kuò)壓器中非定常流動(dòng)的影響[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28（5）：759-762.

[6] 張朝磊，鄧清華，豐鎮(zhèn)平.級(jí)環(huán)境下離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009， 43（11）：32-36.

作者簡(jiǎn)介：

趙振國(guó)（1989—），男，漢族，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，研究方向：壓氣機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)。