分流葉片輪緣進口角對離心壓氣機性能影響數值仿真

王海朋，王 聰，常國強，徐 夏

（南京模擬技術研究所，南京210016）

0 引言

離心壓氣機具有單級壓比高、工作范圍廣、零部件較少等優點，在微小型渦噴發動機中被廣泛使用[1-3]。在高性能離心壓氣機中葉輪大多采用分流葉片設計，大量研究表明，采用分流葉片可以保證離心壓氣機擁有高的氣動穩定性，同時降低葉輪進口阻塞，提升壓氣機部件性能。對于分流葉片設計，國內外均進行了大量研究[4-7]。Hiroyuki M.等[8]對帶分流葉片的閉式和半開式離心葉輪進行試驗測量，并與無分流葉片的閉式和半開式離心葉輪進行比較，發現分流葉片可以減弱上游的二次流現象，進而改善通道內流動；劉瑞韜等[9]通過對加分流葉片的半開式離心葉輪進行全3維數值模擬，重點研究分流葉片周向及軸向位置變化對離心葉輪性能的影響，發現分流葉片選取為主葉片長度的3/5~4/5，并且分流葉片偏向主葉片壓力面一側可以有效提升離心葉輪的性能；謝蓉等[10]利用3維仿真軟件，針對某高壓比、高轉速離心壓氣機的半開式葉輪分流葉片周向位置分布進行3維仿真研究，發現固定分流分離葉片進口，將出口位置偏向主葉片壓力面側，可以有效改善葉輪內部流動，提升葉輪性能。

上述研究主要針對分流葉片的長度選取及周向位置對離心葉輪的影響，而分流葉片角度分布及其對離心壓氣機級性能的影響卻很少提及。

基于上述研究，本文利用3維商用CFD軟件對某小型模型級離心壓氣機進行仿真分析，在固定分流葉片周向位置的前提下，重點研究葉輪分流葉片輪緣進口角的變化對離心壓氣機級性能的影響。

1 研究對象

本文數值模擬的研究對象為某模型級高壓比小型離心壓氣機，該離心壓氣機由離心葉輪（主葉片數 9+分流葉片數 9）、無葉段、徑向擴壓器、90°轉彎段及軸向擴壓器等部件組成，如圖1所示。

離心葉輪分流葉片處于2個主葉片中間，將主葉片流道劃分為2個通道，分流葉片長度選取為主葉片長度的4/5。為便于分析，將主葉片壓力面與分流葉片吸力面中間通道定義為通道1，將主葉片吸力面與分流葉片壓力面中間通道定義為通道2，通道結構如圖2所示。其中“0”為與主葉片相同截面葉片角度，其余值為相對“0”位置角度的偏差值，與旋轉方向一致定義為正。

圖1 離心壓氣機3維模型

圖2 離心葉輪葉片通道

本文設計5種不同分流葉片輪緣進口角方案進行對比分析，取值見表1，葉片采用相同積疊方式成型。

表1 5種分流葉片輪緣進口角配置方案

2 數值方法

應用商用軟件CFX進行3維仿真計算，采用有限體積法進行空間數值離散，結合k-e雙方程湍流模型對控制方程3維雷諾平均N-S方程進行求解，配合全隱式多網格耦合求解提升計算速度和收斂性。

通過對經典Krain[11]葉型的全3維仿真來校核計算網格和方法的可靠性，單轉子通道計算網格總量約25萬，在固體壁面和葉頂間隙位置網格局部加密，保證近壁面第1個網格點上y+<10。相同轉速下壓氣機特性對比如圖3所示。從圖中可見，仿真獲得的堵塞流量比試驗值偏高6.3%，與文獻[12]中給出的偏差相吻合。相比試驗結果，仿真得到的流量區間偏小，壓比和效率趨勢與試驗結果一致性良好。這一結果表明本文所采用的計算方法可靠，計算網格量選取合理。后續計算將采用相同量級計算網格。

圖3 不同方案下壓氣機特性

本文研究的小型離心壓氣機的單通道如圖4所示。其網格劃分情況如下：離心葉輪網格數總量約24萬，徑向擴壓器網格總量約27萬，軸向擴壓器網格總量約10萬，總網格量約為60萬，所有計算均采用相同網格拓撲結構和網格總量。

邊界條件給定：進口給定總溫、總壓及氣流角，出口給定平均靜壓，固體壁面采用絕熱、無滑移邊界條件，轉、靜子交界面采用摻混面方法。通過逐漸增加出口背壓逼近失速邊界（即隨著計算步數的增加，流量、效率等性能參數不斷降低），選取最后1個穩定收斂解作為數值近失速邊界。

圖4 離心壓氣機單通道網格

3 計算結果與分析

3.1 不同分流葉片輪緣進口角對離心壓氣機級性能影響

圖5 不同方案下壓氣機特性

5種方案離心壓氣機特性曲線和綜合裕度如圖5、6所示。圖中實豎線標示的位置為設計流量點，虛豎線標示的位置為β=50°方案的近失速點。從圖中可見，分流葉片輪緣進口角對離心壓氣機性能影響明顯，隨著輪緣進口角的增加，離心壓氣機整級特性曲線由平緩向陡峭發展；在設計流量點附近，效率、壓比逐漸增加，但增加幅值不斷減?。还ぷ髁髁繀^間不斷縮小，離心壓氣機綜合裕度減小，隨著角度進一步增加，裕度減小速度減緩。

圖6 不同方案下壓氣機綜合裕度

3.2 設計點流場分析

不同方案設計流量點轉子效率及擴壓器（徑向擴壓器+軸向擴壓器）的總壓損失系數見表2。總壓損失系數定義為

式中：P3為擴壓器進口靜壓；PT3為擴壓器進口總壓；PT7為擴壓器出口總壓。

表2 不同方案設計流量點葉輪與擴壓器性能對比

從表中可見，隨著分流葉片輪緣進口角的不斷增加，葉輪效率不斷提高，擴壓器總壓損失降低，離心壓氣機整級性能得到提升，這一結果與圖5的離心壓氣機特性變化趨勢一致。

葉輪90%葉高處葉柵通道內相對馬赫數分布如圖7所示。從圖中可見，分流葉片前端主葉片通道內流動基本一致；2個通道出口處均存在明顯的低速區，且通道1中的低速區區域明顯較大；隨著分流葉片輪緣進口葉片角的增加，通道1進口激波強度明顯減弱，激波后附面層分離得到控制，低速區減小。

為進一步探究葉柵通道內低速區的流動機理，對比分析葉輪輪緣流線分布，如圖8所示。從圖中可見，分流葉片前端主葉片流道內流線分布基本一致，無明顯分離；分流葉片將主葉片的流線分割向2個通道發展，通道1中由主葉片、分流葉片葉尖間隙二次泄漏流與葉尖主流的卷吸摻混形成的葉尖低速渦結構明顯；隨著分流葉片輪緣進口角的增加，分流葉片進口攻角逐漸減小，前緣加速能力減弱，減小了主流與葉尖間隙二次泄漏流的摻混，進而削弱了低速渦強度。

圖7 不同方案葉輪90%葉高處相對馬赫數分布

圖8 不同方案葉輪葉尖流線分布

對比分析圖7、8可知，激波引起的附面層分離與葉尖低速渦直接影響通道低速區的發展，且隨著分流葉片輪緣進口角的增加，其強度逐漸削弱，葉輪性能提升。

葉輪與擴壓器交界面處絕對馬赫數沿徑向分布如圖9所示。從圖中可見，分流葉片輪緣進口角的變化對葉輪出口50%以下葉高的馬赫數分布影響較小；在50%葉高以上區域隨著角度增加，轉子出口氣流均勻性得到一定的改善，降低了氣流摻混損失。對比表2中擴壓器總壓損失變化可知，葉輪出口流場均勻性的改善有助于提升葉輪與擴壓器的匹配，降低擴壓器總壓損失。

圖9 葉輪與擴壓器交界面處絕對馬赫數分布

3.3 近失速點流場分析

對比分析β=40°、β=45°、β=50°等方案的近失速點流場，研究離心壓氣機穩定工作范圍縮小的原因。

3套方案壓氣機單轉子特性曲線如圖10所示。從圖中可見，單轉子特性與離心壓氣機整級性能相比，其壓比、效率變化趨勢一致；單轉子工作流量區間較寬，并且無明顯的變化規律。因此，離心壓氣機穩定工作范圍縮小的決定因素可能在于擴壓器的提前失速。

圖10 不同方案下壓氣機轉子特性

不同方案近失速點葉輪與擴壓器性能對比結果見表3。從表中可見，隨著分流葉片輪緣進口角的增加，離心葉輪的性能有所改善，但其擴壓器總壓損失呈遞增趨勢。

表3 不同方案近失速點葉輪與擴壓器性能對比

文獻[13-14]指出，對于高負荷離心壓氣機，徑向擴壓器很大程度上決定整級的穩定工作范圍。Came[15]和Kenny[16]等對擴壓器的失穩研究表明，擴壓器失穩是由于半無葉區流動分離造成的。

圖11 不同方案擴壓器90%葉高流場分布

近失速點徑向擴壓器90%葉高馬赫數分布及靜壓等值線如圖11所示。從圖中可見，隨著分流葉片輪緣進口角的增加，擴壓器半無葉區靜壓等值線加密，表明該區域逆壓梯度增加，擴壓器半無葉段后流動分離加劇，低速區向通道延伸。

綜上所述，隨著分流葉片輪緣進口角的增加，離心壓氣機工作范圍縮小，其主要原因為：離心葉輪性能的提升造成擴壓器內部的逆壓梯度增大，引起擴壓器分離加劇，隨著背壓進一步提升，擴壓器提前失速，導致整級綜合裕度減小。

4 結論

本文以某小型模型級離心壓氣機為研究對象，重點研究分流葉片輪緣進口角對級性能的影響，得出以下結論：

（1）分流葉片輪緣進口角對離心壓氣機級性能影響明顯：隨著角度的增加，在設計流量下離心壓氣機壓比和效率逐漸增加，但增加幅值不斷減小，綜合裕度逐漸減小。

（2）設計流量點性能的提升，一方面得益于葉輪輪緣分流葉片流道激波及低速渦的削弱；另一方面是由于葉輪出口均勻性增加，改善了擴壓器進口條件，降低了擴壓器的內部損失。

（3）離心葉輪性能的提升，使近失速點徑向擴壓器內部逆壓梯度增加、半無葉區分離加劇，擴壓器提前失穩，進而減小了離心壓氣機穩定工作范圍。

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