離心壓氣機(jī)管式擴(kuò)壓器研究進(jìn)展及評述

韓戈， 陽誠武， 李紫良,2， 趙勝豐,2， 盧新根,2,*

1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所 輕型動力重點實驗室， 北京 100190 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100190

離心壓氣機(jī)管式擴(kuò)壓器研究進(jìn)展及評述

韓戈1， 陽誠武1， 李紫良1,2， 趙勝豐1,2， 盧新根1,2,*

1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所 輕型動力重點實驗室， 北京 100190 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100190

緊湊高效的擴(kuò)壓器設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性，成為制約高壓比離心壓氣機(jī)應(yīng)用于工程實際的主要技術(shù)障礙。管式擴(kuò)壓器是解決高壓比離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器設(shè)計難題的有效手段。目前管式擴(kuò)壓器已經(jīng)在國外先進(jìn)中小型航空發(fā)動機(jī)中得到了應(yīng)用，有效地提升了離心壓氣機(jī)性能。本文從管式擴(kuò)壓器設(shè)計參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響以及管式擴(kuò)壓器內(nèi)部復(fù)雜流動機(jī)理研究兩個方面對管式擴(kuò)壓器的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧，討論了管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動機(jī)理及其對離心壓氣機(jī)性能的影響，并指出了管式擴(kuò)壓器研究的發(fā)展趨勢。

離心壓氣機(jī)； 管式擴(kuò)壓器； 壓氣機(jī)性能； 內(nèi)部流動； 非定常流動

由于具有單級壓比高、零部件少、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和抗外物撞擊能力強(qiáng)等一系列優(yōu)勢，離心壓氣機(jī)在中小型航空發(fā)動機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)對高推(功)重比的需求使壓氣機(jī)的壓比不斷提高。然而高壓比使得離心葉輪出口氣流很不均勻，同時高壓比使得徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)增加，甚至出現(xiàn)超聲，再加上擴(kuò)壓器入口與離心葉輪出口之間距離很小，兩者之間存在強(qiáng)烈的非定常相互作用，進(jìn)一步惡化了葉輪與擴(kuò)壓器之間的匹配；另一方面，飛行平臺對發(fā)動機(jī)外徑的限制使得擴(kuò)壓器更加緊湊，導(dǎo)致擴(kuò)壓器負(fù)荷進(jìn)一步提高，離心壓氣機(jī)性能惡化，使得擴(kuò)壓器成為了限制高壓比離心壓氣機(jī)性能提高的瓶頸，緊湊高效擴(kuò)壓器的設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。

管式擴(kuò)壓器特殊的燕尾型前緣形狀能夠較好地適應(yīng)離心葉輪出口超聲速不均勻氣流，同時可以通過直接將氣流轉(zhuǎn)到軸向的轉(zhuǎn)彎方式來縮小擴(kuò)壓器外徑，因此采用管式擴(kuò)壓器既能夠提高高壓比離心壓氣機(jī)的性能，又能夠一定程度上減小壓氣機(jī)外徑，是解決高壓比離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器設(shè)計難題的有效手段。目前管式擴(kuò)壓器已經(jīng)在國外先進(jìn)中小型航空發(fā)動機(jī)中得到了應(yīng)用[1-2]。但是由于保密原因，公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)很少。本文從管式擴(kuò)壓器概述、管式擴(kuò)壓器對壓氣機(jī)性能的影響以及管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動等3個方面對管式擴(kuò)壓器的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 管式擴(kuò)壓器概述

管式擴(kuò)壓器由沿周向均布的一系列擴(kuò)壓管道構(gòu)成。一般情況下，管式擴(kuò)壓器的單個擴(kuò)壓管道由燕尾型前緣、喉部及緊接其后的擴(kuò)壓通道構(gòu)成。燕尾型前緣(見圖1及圖2)由管式擴(kuò)壓器相鄰的2個通道在進(jìn)口部分相貫形成，這種燕尾型前緣對于高馬赫數(shù)的不均勻氣流適應(yīng)性較好。雖然管式擴(kuò)壓器具有較復(fù)雜的前緣結(jié)構(gòu)，然而從氣流通道來看，管式擴(kuò)壓器與傳統(tǒng)的葉片擴(kuò)壓器和楔形擴(kuò)壓器相比卻具有相似的結(jié)構(gòu)(見圖1[3-4])，它們都存在無葉區(qū)、半無葉區(qū)、擴(kuò)壓器喉部和擴(kuò)壓通道。管式擴(kuò)壓器與葉片擴(kuò)壓器和楔形擴(kuò)壓器相比唯一區(qū)別在于管式擴(kuò)壓器進(jìn)口部分有一個獨(dú)特的區(qū)域，這一區(qū)域由相鄰管式擴(kuò)壓器通道相貫形成的燕尾型前緣組成，位于擴(kuò)壓器的無葉區(qū)與半無葉區(qū)之間，該區(qū)域常稱之為偽無葉區(qū)。在管式擴(kuò)壓器前緣之后圓柱形通道一般會向下游延伸一段，這一段圓柱形通道的截面積一直保持不變，即管式擴(kuò)壓器的幾何喉部。因此管式擴(kuò)壓器的幾何喉部是三維的，具有一定的長度，而并非像其他類型的擴(kuò)壓器那樣幾何喉部為一個截面。在管式擴(kuò)壓器喉部之后，氣流通過一段錐形擴(kuò)壓通道減速擴(kuò)壓。

在錐形擴(kuò)壓通道之后，管式擴(kuò)壓器除了減速擴(kuò)壓以外還需進(jìn)一步將氣流轉(zhuǎn)到軸向。傳統(tǒng)的管式擴(kuò)壓器中此部分?jǐn)U壓通道采用的是魚尾型通道，如圖2(a)[5-6]所示。這種擴(kuò)壓通道的顯著特點是將徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器設(shè)計成一體，也被稱為“ram’s horn”管式擴(kuò)壓器。這些魚尾型通道被逐根插入到錐形擴(kuò)壓通道中并用螺栓固定以實現(xiàn)其與管式擴(kuò)壓器基座的連接。同時也存在另一種采用管式擴(kuò)壓器的轉(zhuǎn)彎形式，即在管式擴(kuò)壓器徑向通道后連接90° 轉(zhuǎn)彎通道，而后再連接軸向擴(kuò)壓器。這樣氣流在管式擴(kuò)壓器擴(kuò)壓通道之后的90° 轉(zhuǎn)彎中混合，待氣流轉(zhuǎn)到軸向后再經(jīng)軸向擴(kuò)壓器進(jìn)一步擴(kuò)壓整流，最終排出壓氣機(jī)，如圖2(b)[7]所示。

圖1 管式擴(kuò)壓器Fig.1 Pipe diffuser

Vrana[8]于20世紀(jì)60年代首先提出了管式擴(kuò)壓器的概念，并引起了離心壓氣機(jī)設(shè)計和研究者的很大興趣。起初加拿大聯(lián)合飛機(jī)公司(1975年改稱加拿大普惠公司，Pratt and Whitney Cananda，以下簡稱P&WC公司)[9]以及美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)[10]對管式擴(kuò)壓器進(jìn)行了性能試驗，發(fā)現(xiàn)管式擴(kuò)壓器是解決高亞聲和超聲速擴(kuò)壓器設(shè)計的有效手段。而后，P&WC公司將管式擴(kuò)壓器應(yīng)用于其發(fā)動機(jī)型號中(見圖3)[11]，例如PT6渦軸發(fā)動機(jī)以及JT15D渦扇發(fā)動機(jī)。

圖2 2種管式擴(kuò)壓器轉(zhuǎn)彎型式Fig.2 Two turning configurations of pipe diffuser

雖然如此，對于管式擴(kuò)壓器的設(shè)計以及內(nèi)部流動機(jī)理并不清楚，因此P&WC公司隨后在20世紀(jì)70年代針對管式擴(kuò)壓器設(shè)計參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行了試驗研究[12]。為了進(jìn)一步探明管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動機(jī)理，P&WC公司從20世紀(jì)80年代開始到2004年借助于Carlton大學(xué)的低速大尺度管式擴(kuò)壓器風(fēng)洞試驗臺對魚尾型管式擴(kuò)壓器進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，測得了管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流場[13-15]。同時通用電器(General Electric，GE)公司也進(jìn)行了類似的風(fēng)洞試驗研究[16]。2000年以后，阿爾斯通燃機(jī)(Alstom Gas Turbines)公司[17-18]以及本田公司[19]也都加入了管式擴(kuò)壓器研究的行列。其中阿爾斯通燃機(jī)公司在英國Cranfield大學(xué)的支持下對管式擴(kuò)壓器幾何參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究。2008年以后，研究者們開始著手對管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流場進(jìn)行測量，德國亞琛理工大學(xué)[7,20-24]以及加拿大的幾所大學(xué)[5-6,25-26]分別應(yīng)用先進(jìn)流場測量手段為GE公司和P&WC公司測得了管式擴(kuò)壓器內(nèi)部的流場。最近管式擴(kuò)壓器內(nèi)部的非定常流動以及離心葉輪和管式擴(kuò)壓器前緣的非定常相互作用成為了研究的熱點，川崎重工[27]、P&WC公司[28-30]以及GE公司[31]均對管式擴(kuò)壓器內(nèi)的非定常流動進(jìn)行了研究。

目前P&WC公司的PW600系列渦扇發(fā)動機(jī)、JT-15D小型渦扇發(fā)動機(jī)和PT6系列渦軸發(fā)動機(jī)的離心壓氣機(jī)均應(yīng)用了管式擴(kuò)壓器，并且在流動機(jī)理研究的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)管式擴(kuò)壓器的氣動及結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖4)[1]。而包括GE公司在內(nèi)的其他航空發(fā)動機(jī)及燃機(jī)公司也都在積極開展管式擴(kuò)壓器研究和設(shè)計工作。

圖3 P&WC公司早期的管式擴(kuò)壓器[11]Fig.3 Early pipe diffuser of P&WC[11]

圖4 管式擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)[1]Fig.4 Structure of pipe diffuser[1]

2 管式擴(kuò)壓器對壓氣機(jī)性能的影響

常見的擴(kuò)壓器有：無葉擴(kuò)壓器、低稠度擴(kuò)壓器、葉片式擴(kuò)壓器以及楔形擴(kuò)壓器等。一般認(rèn)為無葉擴(kuò)壓器具有較為寬廣的裕度但損失較大；葉片式擴(kuò)壓器和楔形擴(kuò)壓器效率較高但裕度相對較小；低稠度擴(kuò)壓器則介于二者之間。因此無葉擴(kuò)壓器和低稠度擴(kuò)壓器多用于對效率要求不苛刻但是需要有寬廣裕度的過程工程中，例如制冷壓縮機(jī)和渦輪增壓器。而葉片擴(kuò)壓器及楔形擴(kuò)壓器在高壓比離心壓氣機(jī)中應(yīng)用較多[32-35]。相比于楔形擴(kuò)壓器，管式擴(kuò)壓器具有更高的性能，圖5為P&WC公司的PT6發(fā)動機(jī)離心壓氣機(jī)分別采用葉片式擴(kuò)壓器和管式擴(kuò)壓器時的級效率對比，其中橫坐標(biāo)為壓氣機(jī)級壓比，縱坐標(biāo)為效率變化。可以看出采用管式擴(kuò)壓器后，壓氣機(jī)在不同工作點的性能都有了提高。

早期對于管式擴(kuò)壓器的研究集中在探究其對壓氣機(jī)性能的影響。P&WC公司的Kenny[9]于1969年最早證實了管式擴(kuò)壓器在高性能高壓比離心壓氣機(jī)上應(yīng)用的可行性。Kenny通過對比壓比5∶1和6∶1的2個離心壓氣機(jī)分別采用管式擴(kuò)壓器和其他類型擴(kuò)壓器的性能，發(fā)現(xiàn)采用管式擴(kuò)壓器時離心壓氣機(jī)的壓比和效率比采用其他類型擴(kuò)壓器時均有較大提高，詳見表1。通過分析還發(fā)現(xiàn)管式擴(kuò)壓器的喉部堵塞較小且總壓損失較低。

1973年，美國NASA的Lewis研究中心的Klassen[10]對一個壓比為1.9的低壓比離心葉輪與不同擴(kuò)壓器相匹配時的性能進(jìn)行了對比。其中原始擴(kuò)壓器為葉片擴(kuò)壓器，同時采用具有錐形和喇叭形2種不同擴(kuò)張段的管式擴(kuò)壓器。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)原擴(kuò)壓器具有最高的效率和靜壓恢復(fù)系數(shù)，穩(wěn)定工作范圍也最寬廣。而通過增大2種管式擴(kuò)壓器的喉部面積能夠提高擴(kuò)壓器的性能。由此可見當(dāng)管式擴(kuò)壓器應(yīng)用于壓比較低的離心壓氣機(jī)時，并沒有優(yōu)勢。

管式擴(kuò)壓器形狀復(fù)雜，影響其性能的參數(shù)較多，因此在對管式擴(kuò)壓器有了初步研究之后，部分學(xué)者對管式擴(kuò)壓器的設(shè)計參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究。1977年，Reeves[12]發(fā)表了3組高壓比離心壓氣機(jī)帶不同截面形狀的管式徑向擴(kuò)壓器(擴(kuò)壓器未轉(zhuǎn)到軸向，氣流徑向排出)的實驗結(jié)果。實驗結(jié)果顯示方形進(jìn)口截面的管式擴(kuò)壓器具有較大的穩(wěn)定工作范圍，但是類橢圓形進(jìn)口截面的管式擴(kuò)壓器性能較高。Izumi和Hirose[36]認(rèn)為設(shè)計時使管式擴(kuò)壓器通道中心線的相切圓直徑小于葉輪外徑能夠減小管式擴(kuò)壓器前緣與葉輪出口的距離，減小甚至消除葉輪出口氣流角與管式擴(kuò)壓器前緣幾何角的不匹配，進(jìn)一步提高管式擴(kuò)壓器的靜壓恢復(fù)系數(shù)。英國Cranfield大學(xué)Bennett等[17-18]在國家工程與物理科學(xué)研究委員會(Engineering and Physical Sciences Research Council)和阿爾斯通燃?xì)廨啓C(jī)公司的支持下，對管式擴(kuò)壓器喉部面積及擴(kuò)壓器通道數(shù)目等關(guān)鍵參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行了實驗研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)喉部面積的大小使得壓氣機(jī)設(shè)計流量與擴(kuò)壓器堵塞流量之比為0.98時壓氣機(jī)性能最好，而截面形狀的變化對于壓氣機(jī)性能影響不大。但是這一研究將管式擴(kuò)壓器出口設(shè)置在了喉部之后，所以在實驗過程中管式擴(kuò)壓器沒有喉部之后的擴(kuò)壓通道，存在一定的局限性。2014年，Han等[3]研究了管式徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口與葉輪出口半徑比、喉部長度、喉部面積以及擴(kuò)張角等幾何參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響，認(rèn)為管式擴(kuò)壓器進(jìn)口與葉輪出口半徑比在1.03左右較好，喉部長度與喉部直徑之比為0～0.5較好，喉部面積存在最佳值，而擴(kuò)張角不宜大于6°。2016年，Han等[37]以采用魚尾型管式擴(kuò)壓器的高壓比單級離心壓氣機(jī)為研究對象，對魚尾型管式擴(kuò)壓器的面積分布規(guī)律以及中心線形狀等幾何參數(shù)對壓氣機(jī)性能和擴(kuò)壓器內(nèi)部流動的影響進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了最佳面積分布規(guī)律以及壓氣機(jī)性能隨二維中心線形狀變化時的圖譜。

圖5 葉片式擴(kuò)壓器與管式擴(kuò)壓器效率對比[2]Fig.5 Comparison of stage efficiency of vaned diffuser and that of pipe diffuser[2]

表1 不同擴(kuò)壓器效率比較Table 1 Comparison of efficiency of different diffusers

總壓比擴(kuò)壓器類型絕熱效率/%5∶1平板擴(kuò)壓器73葉片擴(kuò)壓器75管式擴(kuò)壓器81.86∶1葉片擴(kuò)壓器73管式擴(kuò)壓器81.3

此外，F(xiàn)ilipenco等[38]在不同來流條件下對管式擴(kuò)壓器進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)管式擴(kuò)壓器的靜壓恢復(fù)系數(shù)主要受擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流角影響。但擴(kuò)壓器進(jìn)口軸向的不均勻性以及擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)基本上對擴(kuò)壓器的靜壓恢復(fù)系數(shù)不產(chǎn)生影響。而Han等[4]對同一壓氣機(jī)分別采用管式擴(kuò)壓器和楔形擴(kuò)壓器時在不同工況點的性能進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)采用管式擴(kuò)壓器時在設(shè)計轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)性能要高于采用楔形擴(kuò)壓器的壓氣機(jī)性能，然而在低轉(zhuǎn)速時采用管式擴(kuò)壓器的壓氣機(jī)性能反而不如采用楔形擴(kuò)壓器的壓氣機(jī)性能。

國內(nèi)對于管式擴(kuò)壓器性能的研究相對較少。2011年，王毅等[39]以德國“Radiver”高壓比離心壓氣機(jī)為研究對象，應(yīng)用數(shù)值方法對管式徑向擴(kuò)壓器喉部面積變化對壓氣機(jī)特性的影響進(jìn)行了研究。同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喉部面積使設(shè)計流量與擴(kuò)壓器堵塞流量之比為0.98時，壓氣機(jī)獲得最佳性能。2012年，王博和嚴(yán)明[40]通過數(shù)值方法分析了進(jìn)口形狀和壓力面局部變形對壓氣機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)類橢圓形進(jìn)口管式擴(kuò)壓器的壓比、效率和裕度均比楔形擴(kuò)壓器高；圓形進(jìn)口管式擴(kuò)壓器具有比類橢圓形進(jìn)口的管式擴(kuò)壓器更高的壓比和效率，但是裕度大大減小；壓力面局部變形有利于提高管式擴(kuò)壓器的性能。2014年，韓戈等[41]通過數(shù)值方法得到了管式擴(kuò)壓器的喉部長度和擴(kuò)張角2個參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響規(guī)律，認(rèn)為2個參數(shù)的取值均不宜太大。

從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外學(xué)者研究了管式擴(kuò)壓器關(guān)鍵參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響，得到了部分參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響規(guī)律。然而研究中部分學(xué)者對管式擴(kuò)壓器做了簡化，因此無法反映管式擴(kuò)壓器內(nèi)部的真實流動情況，具有一定的局限性。

3 管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動研究

3.1 低速風(fēng)洞研究

圖6 Carleton大學(xué)的風(fēng)洞試驗臺[42]Fig.6 Wind tunnel of Carleton University[42]

圖7 不同進(jìn)口條件下擴(kuò)壓器出口流場[13] Fig.7 Outlet flow field of diffuser with different inlet conditions[13]

針對魚尾型管式擴(kuò)壓器展開的風(fēng)洞試驗研究，測得了魚尾型管式擴(kuò)壓器內(nèi)的低速流場，加深了對管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動的理解。然而所采用的研究對象為簡化后的魚尾型管式擴(kuò)壓器，既不包含燕尾型前緣結(jié)構(gòu)，又簡化了魚尾型擴(kuò)壓通道的幾何形狀，因此無法反映管式擴(kuò)壓器內(nèi)部的真實流動情況，同樣具有一定的局限性。

3.2 內(nèi)部流動研究

隨著流動測量手段的發(fā)展，部分學(xué)者開始對真實管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動進(jìn)行測量。2008年以來，德國亞琛理工大學(xué)噴氣推進(jìn)和葉輪機(jī)械研究所在GE公司航空發(fā)動機(jī)項目支持下，持續(xù)多年開展了管式擴(kuò)壓器研究。Zachau和Buescher[20]針對一個采用管式擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)展開研究，應(yīng)用粒子圖像測速法(Particle Image Velocimetry，PIV)測得了管式擴(kuò)壓器內(nèi)部部分截面的流場(實驗臺如圖8(a)所示，流場如圖9(a)所示，圖中Cnorm為無量綱速度)。研究發(fā)現(xiàn)：管式擴(kuò)壓器前半段在壓力面發(fā)生流動分離，而擴(kuò)壓器通道后30%中擴(kuò)壓已經(jīng)不明顯，因此推測適當(dāng)縮短出口段長度應(yīng)該對性能不會有太大影響。2009年，Zachau和Niehuis[21]繼續(xù)對管式擴(kuò)壓器進(jìn)行了更細(xì)致的實驗研究，應(yīng)用PIV測量技術(shù)，分析了離心葉輪葉頂間隙、離心葉輪出口抽氣以及葉輪和擴(kuò)壓器軸向相對位置3個參數(shù)對壓氣機(jī)流場和性能的影響。分析發(fā)現(xiàn)增大離心葉輪葉頂間隙會使壓氣機(jī)性能下降；減小離心葉輪出口抽氣會使壓氣機(jī)特性向小流量方向移動，性能有所下降；而改變離心葉輪與擴(kuò)壓器的軸向相對位置對于壓氣機(jī)性能基本沒有影響。Kunte等[22]在Zachau和Niehuis的研究基礎(chǔ)之上進(jìn)一步對離心葉輪葉頂間隙和離心葉輪出口抽氣對壓氣機(jī)性能和擴(kuò)壓器流場的影響進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)增大離心葉輪葉頂間隙會使擴(kuò)壓器內(nèi)射流向吸力面及葉頂移動，增大流動分離。減少離心葉輪葉頂抽氣會使擴(kuò)壓器通道內(nèi)邊界層增厚，導(dǎo)致擴(kuò)壓器壓力面的流動分離提前發(fā)生，降低管式擴(kuò)壓器性能。Kunte等[7]在研究團(tuán)隊之前成果基礎(chǔ)上，將管式擴(kuò)壓器的后30%切掉，通過PIV以及油流測量擴(kuò)壓器內(nèi)流場，發(fā)現(xiàn)切掉后30%后，管式擴(kuò)壓器壓力面的流動分離得到了抑制，壓氣機(jī)效率不但沒有下降反而使絕熱效率提高了0.3%，但是擴(kuò)壓器出口氣流角發(fā)生了改變。因此重新設(shè)計了串列軸向擴(kuò)壓器代替了原來的軸向擴(kuò)壓器，并進(jìn)一步對串列軸向擴(kuò)壓器兩排葉片的周向相對位置對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)后排葉片靠近前排葉片的壓力面時，壓氣機(jī)性能最優(yōu)。通過采用串列軸向擴(kuò)壓器以及切掉管式擴(kuò)壓器的后30%使壓氣機(jī)性能提高了1.3%，驗證了Zachau和Buescher的猜想[20]。Wilkosz等[23]在Zachau及Kunte研究的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步為切掉后30%的管式擴(kuò)壓器設(shè)計了1個單排葉片的軸向擴(kuò)壓器，葉片前緣在轉(zhuǎn)彎通道之內(nèi)且長度與Kunte設(shè)計的串列軸向擴(kuò)壓器相當(dāng)。數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)該軸向擴(kuò)壓器較好地組織了內(nèi)部流動，性能略高于Kunte等[7]設(shè)計的串列擴(kuò)壓器。2015年，Schmidt等[24]對原有的具有串列葉片的軸向擴(kuò)壓器的前面1排葉片加長，直接與管式徑向擴(kuò)壓器相接。通過實驗對比了具有單排葉片的軸向擴(kuò)壓器[23]、具有串列葉片的軸向擴(kuò)壓器[7]和具有加長前排葉片的串列軸向擴(kuò)壓器的性能，發(fā)現(xiàn)兩種串列擴(kuò)壓器的壓比和效率相差不大，靜壓恢復(fù)系數(shù)略高，但是加長第1排葉片后串列擴(kuò)壓器的裕度比另外2種軸向擴(kuò)壓器小2%。

圖8 管式擴(kuò)壓器實驗裝置Fig.8 Test rigs of pipe diffuser

可以看出德國亞琛理工大學(xué)對管式擴(kuò)壓器的研究很大程度上集中在葉輪參數(shù)變化對擴(kuò)壓器的影響以及管式擴(kuò)壓器之后的軸向擴(kuò)壓器的研究，對于管式擴(kuò)壓器本身涉及的內(nèi)容并不多。

圖9 管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流場Fig.9 Internal flow field of pipe diffuser

也有部分學(xué)者對P&WC公司采用的魚尾型管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動進(jìn)行了研究。2004年，Roberts和Steed[5]針對某型發(fā)動機(jī)軸流-離心組合壓氣機(jī)的后面級(串列離心葉輪+管式擴(kuò)壓器)，分別采用k-ε和SST湍流模型進(jìn)行了設(shè)計轉(zhuǎn)速下定常數(shù)值模擬，簡單分析了葉輪和擴(kuò)壓器內(nèi)流場，并將特性與實驗數(shù)據(jù)比對。研究發(fā)現(xiàn)SST湍流模型具有更好的吻合度。Bourgeois等[6,25]對一采用串列葉輪和魚尾型管式擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值及實驗研究。采用k-ε、SST以及RSM-SSG 3種湍流模型對該壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用激光多普勒測速法(Laser Doppler Velocimetry，LDV)測出壓氣機(jī)內(nèi)部幾個截面上的流場(實驗臺如圖8(b)所示,出口流場見圖9(b)，圖中Cx為軸向速度，U2為離心葉輪輪緣速度)。通過分別對比計算以及實驗的總體性能和壓氣機(jī)進(jìn)口、轉(zhuǎn)靜子之間和擴(kuò)壓器出口3個截面上的流場，發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好，相比于其它2種湍流模型，SST模型能夠更好地反映壓氣機(jī)的總體性能以及內(nèi)部流動狀況。2016年，Ali等[26]應(yīng)用曲率修正后的SST湍流模型(SST-CC)對Bourgeois在2009年計算的采用串列葉輪和魚尾型管式擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)重新進(jìn)行了計算并且與采用SST計算模型的計算結(jié)果進(jìn)行了對比。研究發(fā)現(xiàn)SST-CC湍流模型對壓氣機(jī)的效率和內(nèi)部流場的預(yù)測與SST模型相差不大，但是對于壓氣機(jī)壓比的預(yù)測要好于SST湍流模型。

雖然P&WC公司已經(jīng)將管式擴(kuò)壓器應(yīng)用到了航空發(fā)動機(jī)上，但是目前能夠看到的相關(guān)文獻(xiàn)并不多。可以看到這些對于魚尾型管式擴(kuò)壓器的研究雖然測得了魚尾型管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流場，但是其研究重點放在了數(shù)值算法和湍流模型上，對于管式擴(kuò)壓器的內(nèi)部流動機(jī)理關(guān)注不夠。

國內(nèi)對于管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動的研究很少。胡駿等[43]認(rèn)為管式擴(kuò)壓器效率高的主要原因有3點：① 管式擴(kuò)壓器前緣的銳邊能夠起到減弱激波強(qiáng)度的作用，適合超聲速來流；② 管式擴(kuò)壓器前緣銳邊能夠把不均勻來流進(jìn)行調(diào)勻，從而也可以減少損失；③ 對于小流量高增壓比的離心壓氣機(jī)來講，擴(kuò)壓器的軸向?qū)挾群苄。~片擴(kuò)壓器在角區(qū)二次流損失嚴(yán)重，而在管式擴(kuò)壓器的圓管通道中，二次流損失大為減少。

3.3 非定常研究

管式擴(kuò)壓器特殊的燕尾型前緣與離心葉輪出口距離比其他類型的擴(kuò)壓器都要近，存在著較強(qiáng)的非定常相互作用。因此對采用管式擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)進(jìn)行非定常數(shù)值研究，以探究管式擴(kuò)壓器特殊前緣結(jié)構(gòu)與葉輪的非定常相互作用機(jī)理十分有必要。Gould等[28]對采用管式擴(kuò)壓器時離心葉輪葉片上的負(fù)荷變化較為關(guān)注。通過應(yīng)用二維及三維非定常數(shù)值方法得到了主葉片以及分流葉片上的非定常負(fù)荷。計算結(jié)果顯示，2種方法得到的流場和特性相差不大，在設(shè)計點得到的結(jié)果與實驗結(jié)果較為接近，而在其他點偏差較大。離心葉輪葉片非定常峰值負(fù)荷為定常負(fù)荷的3.5倍，大流量工況葉片尾緣的非定常負(fù)荷在向葉片前緣傳播時衰減較快。Ding[29]進(jìn)一步對Roberts和Steed[5]以及Bourgeois等[6,25]所研究的壓氣機(jī)進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬研究，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳盡比對。發(fā)現(xiàn)通過采用非定常數(shù)值模擬可以進(jìn)一步提高壓氣機(jī)性能的預(yù)測精度。Grates等[30]對一采用管式擴(kuò)壓器的跨聲速壓氣機(jī)進(jìn)行了非定常數(shù)值研究。數(shù)值計算得到的時間平均特性與實驗結(jié)果符合良好。分析發(fā)現(xiàn)擴(kuò)壓器通道內(nèi)主要存在2個渦：一個是由于負(fù)攻角在擴(kuò)壓器前緣產(chǎn)生的通道渦，靠近擴(kuò)壓器葉頂，渦的強(qiáng)度隨著時間變化而變化；另一個渦是由于流體經(jīng)過擴(kuò)壓器的燕尾型前緣發(fā)生回流而產(chǎn)生的，靠近擴(kuò)壓器葉根。2個渦相互作用使得高能流體向壓力面移動，低能流體從壁面向通道中心遷移(見圖10)，對于抑制氣流分離有重要作用。2014年，Sugimoto等[27]對帶有管式擴(kuò)壓器的高壓比單級離心壓氣機(jī)進(jìn)行了實驗研究，并且對其進(jìn)行了定常和非定常數(shù)值計算，其中非定常數(shù)值結(jié)果通過Harmonic方法獲得。對比數(shù)值和實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)Harmonic方法非定常計算的準(zhǔn)確性較高，時均特性與實驗結(jié)果吻合較好。同時認(rèn)為管式擴(kuò)壓器前緣的特殊結(jié)構(gòu)使得其進(jìn)口幾何角在展向不斷變化，正好與葉輪出口葉頂?shù)臍饬鹘窍噙m應(yīng)，改善了擴(kuò)壓器進(jìn)口葉頂區(qū)域的流動(見圖11，圖中α2為葉輪出口氣流角，α3V為擴(kuò)壓器進(jìn)口幾何角，①、②、③分別對應(yīng)于近失速點、設(shè)計點和堵塞點)。同年，Wilkosz等[31]對管式擴(kuò)壓器進(jìn)行了非定常數(shù)值及實驗研究，發(fā)現(xiàn)非定常損失占到壓氣機(jī)設(shè)計點損失的2.4%，而非定常效應(yīng)增加的損失主要來源于葉頂間隙泄漏流而非擴(kuò)壓器。

圖10 管式擴(kuò)壓器前緣對渦[30]Fig.10 Leading edge vortices of pipe diffuser[30]

圖11 管式擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流角與幾何角分布[27]Fig.11 Distributions of flow angle and metal angle at pipe diffuser inlet[27]

壓氣機(jī)中的非定常流動十分復(fù)雜，管式擴(kuò)壓器與離心葉輪之間的非定常相互作用更是近幾年研究的熱點，雖然以上對于采用管式擴(kuò)壓器的壓氣機(jī)非定常研究取得了一些積極研究成果，但是對于管式擴(kuò)壓器的非定常研究，特別是離心葉輪與管式擴(kuò)壓器的非定常相互作用還需進(jìn)一步研究。

4 管式擴(kuò)壓器研究的發(fā)展趨勢

對于管式擴(kuò)壓器的研究已持續(xù)了半個世紀(jì)，國內(nèi)外學(xué)者利用實驗測試以及數(shù)值模擬等多種手段對管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動進(jìn)行了深入的研究，取得了不少積極成果。國內(nèi)外研究者一方面開展部分管式擴(kuò)壓器關(guān)鍵參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響，得到部分參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響規(guī)律，為管式擴(kuò)壓器的設(shè)計提供了參考；另一方面，利用實驗和數(shù)值模擬手段，開展管式擴(kuò)壓器內(nèi)部復(fù)雜流動機(jī)理研究，初步揭示了管式擴(kuò)壓器提高壓氣機(jī)性能的流動機(jī)理。

然而相比于管式擴(kuò)壓器在中小型航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)研制中所取得的巨大效益而言，關(guān)于管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動機(jī)理的認(rèn)識以及關(guān)于離心葉輪與管式擴(kuò)壓器之間非定常耦合研究，顯然滯后得多。盡管就管式擴(kuò)壓器幾何設(shè)計、效果評定和內(nèi)部流動機(jī)理認(rèn)識等方面，積累了一定的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗準(zhǔn)則，盡管在某些局部問題上取得了突破性進(jìn)展，但就目前管式擴(kuò)壓器研究現(xiàn)狀來看，仍有一些問題困擾著設(shè)計者們。如：

1) 雖然國內(nèi)外學(xué)者均對管式擴(kuò)壓器設(shè)計參數(shù)對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究，但是研究過于分散，缺乏完整系統(tǒng)的研究，與傳統(tǒng)擴(kuò)壓器相比，尚沒有建立不同幾何參數(shù)對管式擴(kuò)壓器性能影響的圖譜，管式擴(kuò)壓器設(shè)計中幾何參數(shù)的選取仍然存在很大的盲目性。

2) 應(yīng)用管式擴(kuò)壓器時，不同公司選用了不同的轉(zhuǎn)彎型式，例如P&WC公司偏向于采用魚尾型管式擴(kuò)壓器，而GE公司則偏向于采用管式徑向擴(kuò)壓器+軸向擴(kuò)壓器的轉(zhuǎn)彎布局形式，而不同轉(zhuǎn)彎型式的優(yōu)劣尚無對比。因此，如何選擇管式擴(kuò)壓器的轉(zhuǎn)彎型式也是一個亟待解決的問題。

3) 管式擴(kuò)壓器應(yīng)用于高壓比離心壓氣機(jī)有利于提高壓氣機(jī)的性能，但是其內(nèi)部流動機(jī)理還不明確，尚沒有指導(dǎo)管式擴(kuò)壓器設(shè)計的理論體系。

因此，對于管式擴(kuò)壓器依然需要進(jìn)一步研究，今后研究的主要內(nèi)容應(yīng)該包括以下幾個方面：

1) 開展具有完整前緣的管式擴(kuò)壓器風(fēng)洞實驗，應(yīng)用氣動探針及流動顯示技術(shù)測量管式擴(kuò)壓器內(nèi)部包括前緣對渦以及魚尾型通道內(nèi)對渦在內(nèi)的渦系的產(chǎn)生、發(fā)展和相互作用機(jī)理。

2) 系統(tǒng)開展級環(huán)境下管式擴(kuò)壓器前緣幾何參數(shù)對離心壓氣機(jī)性能影響的實驗研究，獲得擴(kuò)壓器實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)獲得不同來流條件下擴(kuò)壓器典型性能圖譜，減小管式擴(kuò)壓器設(shè)計的盲目性。

3) 兼顧管式擴(kuò)壓器氣動性能和加工難度，探索魚尾型管式擴(kuò)壓器和管式徑向擴(kuò)壓器+軸向擴(kuò)壓器等不同轉(zhuǎn)彎布局型式的優(yōu)劣，為管式擴(kuò)壓器工程設(shè)計提供指導(dǎo)。

4) 利用高精度實驗和數(shù)值模擬手段探討不同關(guān)鍵幾何參數(shù)沿流程分布規(guī)律對管式擴(kuò)壓器性能以及內(nèi)部二次流動的影響。

5) 應(yīng)用先進(jìn)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測試手段更加詳細(xì)地測量管式擴(kuò)壓器燕尾型前緣與離心葉輪出口氣流的定常以及非定常耦合作用，得到管式擴(kuò)壓器內(nèi)部前緣對渦以及通道內(nèi)渦系的產(chǎn)生和發(fā)展過程，進(jìn)一步結(jié)合定常及非定常模擬手段，對擴(kuò)壓器通道內(nèi)部流動進(jìn)行詳細(xì)分析，揭示管式擴(kuò)壓器提高壓氣機(jī)性能的內(nèi)部流動機(jī)理。

6) 通過試驗及數(shù)值手段研究設(shè)計及非設(shè)計工況下管式擴(kuò)壓器內(nèi)部流動特點以及其對壓氣機(jī)性能的影響。

7) 總結(jié)管式擴(kuò)壓器性能以及內(nèi)部流動研究結(jié)果，提煉管式擴(kuò)壓器流動損失模型，發(fā)展管式擴(kuò)壓器相關(guān)設(shè)計方法及設(shè)計準(zhǔn)則，為緊湊式高性能管式擴(kuò)壓器設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯： 鮑亞平,李世秋)

*Corresponding author. E-mail: xingenlu@hotmail.com

A review of studies on pipe diffuser of centrifugal compressor

HAN Ge1, YANG Chengwu1, LI Ziliang1,2, ZHAO Shengfeng1,2, LU Xin’gen1,2,*

1.KeyLaboratoryofLight-dutyGas-turbine,InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China

It is a great challenge to design a diffuser with both high performance and compact size. The compact and high performance design of diffusers has become the main technical limitation for the application of diffusers on high pressure ratio centrifugal compressors. Using pipe diffusers are recognized as an effective method to solve the tough diffuser design problem for high pressure ratio centrifugal compressors. Pipe diffusers have been used for advanced overseas small and medium jet engines. The performance of the centrifugal compressor has been improved evidently by using pipe diffusers. This review mainly introduces the research development of pipe diffusers home and abroad in two perspectives: first, the influences of design parameters of the pipe diffuser on the stage performance of the centrifugal compressor; second, the complex mechanism of the internal flow in pipe diffusers. The influence of the mechanism of internal flow in pipe diffuser on the performance of the centrifugal compressor is discussed, and some recommendations are made for the development of future research on pipe diffusers.

centrifugal compressor; pipe diffuser; compressor performance; internal flow; unsteady flow

2016-11-17； Revised： 2017-02-26； Accepted： 2017-06-15； Published online： 2017-06-26 09:07

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170626.0907.002.html

s： National Natural Science Foundation of China (51606187); Defense Industry Technology Development Program (B1320133025)

V231.3

A

1000-6893(2017)09-520949-12

2016-11-17； 退修日期： 2017-02-26； 錄用日期： 2017-06-15； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2017-06-26 09:07

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170626.0907.002.html

國家自然科學(xué)基金 (51606187)； 國防基礎(chǔ)科研項目 (B1320133025)

*通訊作者.E-mail: xingenlu@hotmail.com

韓戈， 陽誠武， 李紫良， 等． 離心壓氣機(jī)管式擴(kuò)壓器研究進(jìn)展及評述[J]． 航空學(xué)報, 2017, 38(9): 520949. HAN G, YANG C W, LI Z L, et al. A review of studies on pipe diffuser of centrifugal compressor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(9): 520949.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.620949