預(yù)壓縮對離心壓氣機級效率的影響

白歡

摘 ? 要：為了研究預(yù)壓縮葉型擴壓器對離心壓氣機級效率的影響，本文利用數(shù)值仿真技術(shù)對具有不同預(yù)壓縮角和進口幾何角的擴壓器進行了設(shè)計和研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當預(yù)壓縮角一定時，在一定范圍內(nèi)，隨著進口幾何角的增加，擴壓器的峰值效率逐漸增加。在進口幾何角一定時，隨著預(yù)壓縮角的增加，擴壓器的峰值效率先迅速增加后增速放緩最后下降。在預(yù)壓縮角和幾何角的共同作用下，通過調(diào)節(jié)預(yù)壓縮角和幾何角，可以有效地提高擴壓器的性能，使壓縮機級最高效率超過 84.4%;且進口幾何角越小，需要越大的預(yù)壓縮角，才能達到最大的峰值效率。

關(guān)鍵詞：擴壓器 ?預(yù)壓縮角 ?進口幾何角 ?離心壓氣機

中圖分類號：TH45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0098-05

1 ?引言

離心壓氣機廣泛應(yīng)用于航空、石化等工業(yè)中，隨著我國工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對壓氣機的氣動性能的要求也越來越高。在高負荷離心壓氣機中，徑向葉片式擴壓器因其高效率特性而成為設(shè)計的熱點。長久以來，研究者們針對葉片式擴壓器進行了大量的研究。Deniz[1]等人研究了擴壓器入口流動條件對擴壓器性能的影響。Ubber 等人[2-5]研究了葉片式擴壓器進口幾何角對壓氣機性能的影響，并給出了擴壓器出口附近的詳細流場。預(yù)壓縮葉型是控制軸流壓氣機激波的一種有效方法[6-8]，但在離心壓氣機擴壓器中很少應(yīng)用。因此，研究擴壓器的進口幾何角和預(yù)壓縮角對壓氣機的效率的影響，具有十分重要的意義。

2 ?離心壓氣機

本文以美國宇航局設(shè)計的高負荷單級離心壓氣機作為研究對象。表1列出了該壓氣機的主要幾何和空氣動力學(xué)參數(shù)。壓氣機的流動路徑和葉片形狀由McKain和 Holbrook提供[9]。

3 ?預(yù)壓縮葉型擴壓器

圖1為帶有預(yù)壓縮葉型的擴壓器的造型示意圖。其中，擴壓器葉片的壓力面型線由直線（1-5）、直線（5-7）以及圓弧（7-9）組成，吸力面型線由圓弧（1-4）、直線（4-6）以及直線（6-9）組成，其中點4為圓弧與相鄰直線的切點。直線（3-5）與直線（5-10）之間的夾角為通道擴張半角（θ3）。圓弧（1-4）之間的轉(zhuǎn)折角定義為預(yù)壓縮角（）。直線（3-4）和直線（5-6）之間的距離定義為喉部的長度（）。線段（3-4）的長度為喉部寬度（）。通過調(diào)整點4的在直線（3-4）上的位置來改變預(yù)壓縮角度的大小，直線（1-5）與圓弧（1-4）在前緣點的角平分線與該點切向方向的夾角為進口幾何角（β）。

4 ?數(shù)值方法與驗證

4.1 數(shù)值方法

數(shù)值計算采用了Numeca商業(yè)CFD軟件，采用Jameson的有限體積差分格式并結(jié)合Spalart-Allmaras湍流模型相對坐標系下的三維雷諾平均Navier-Stokes方程進行求解，采用顯式四階Runge-Kutta法時間推進以獲得定常解，為提高計算效率，采用了多重網(wǎng)格法、局部時間步長和殘差光順等加速收斂措施，離心壓氣機級總網(wǎng)格數(shù)約160萬。

邊界條件給定如下：進口邊界給定總壓、總溫和絕對氣流角;出口邊界條件只給定平均靜壓;壁而采用了絕熱無滑移邊界條件，與轉(zhuǎn)子葉片連接的輪毅壁和葉片壁轉(zhuǎn)動，而輪毅壁的其他部分以及機匣壁則定義為靜止，在葉輪和擴壓器通道交接而采用混合平面法進行信息傳遞。

4.2 數(shù)值方法驗證

圖2為原型離心壓氣機和數(shù)值計算級性能的比較。計算得到的堵塞質(zhì)量流量比實驗結(jié)果[10]大2.18%。從總壓比和絕熱效率與無量綱流量的關(guān)系圖可知，壓氣機級的總壓比和絕熱效率在喘振附近和設(shè)計工況附近都高于實驗值，喘振附近絕熱效率與實驗值吻合較好，同時數(shù)值計算的喘振裕度比試驗數(shù)據(jù)的喘振裕度要寬。整體上看，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。因此，數(shù)值方法可以預(yù)測高負荷離心壓氣機級內(nèi)所有重要的流動現(xiàn)象，適用于葉片式擴壓器的研究。

5 ?結(jié)果與討論

5.1 進口幾何角對級效率的影響

為了探究進口幾何角對預(yù)壓縮葉型擴壓器效率的影響，本文首先研究了預(yù)壓縮角=2°的情況下，不同的進口幾何角（β）對壓氣機效率的影響，由于葉輪出口的平均氣流角約為15°，因此，共設(shè)計了5個不同入口幾何角的擴壓器（見表2）。為了排除其他因素的影響，表中所有擴壓器的入口半徑R3=226mm，當量擴張半角θ3=4°。不同進口幾何角的擴壓器級效率如圖3所示。

由圖1可知，在其他重要參數(shù)保持不變的情況下，隨著擴壓器進口幾何角的增加，擴壓器的喉部面積會逐漸增大，因此堵塞流量也逐漸增大，效率曲線右移（見圖3）。從圖中還可以看出，隨著進口幾何角的增大，擴壓器的峰值效率逐漸增大，但當幾何角超過 16°后，壓氣機在偏離峰值工況后效率 下降很快。綜合來看，當擴壓器入口安裝角在葉輪出口平均氣流角附近，即擴壓器進口幾何角在14～16°之間，壓氣機整體性能較好。

峰值工況下，不同進口幾何角擴壓器峰值點 50%葉高的絕對速度矢量分布情況如圖4所示。由圖可知，隨著幾何進氣角的增加，擴壓器半無葉區(qū)絕對速度的變化很小，說明在一定的范圍內(nèi)，幾何進氣角的變化對半無葉區(qū)的流場影響不大。 但當氣流經(jīng)過半無葉區(qū)后，由于進口幾何角較小的擴壓器，其喉部面積也相對較小，因此氣流在喉部前后減速緩慢，尤其是吸力面的高速氣流幾乎占據(jù)了整個喉部，如圖4（a），這將造成較大的沖擊損失，并加速壓力面的流動分離，不利于壓氣機效率的提高。隨著進口幾何角的增加，擴壓器喉部面積逐漸增大，通流能力增強，高速氣流在喉部前后減速充分，并延緩了壓力面的流動分離，如圖4（b）、4（c）。因此，在一定范圍內(nèi)，隨著進口幾何角的增加，壓氣機級的峰值效率逐漸增加。

5.2 預(yù)壓縮角對擴壓器效率的影響

為了探究預(yù)壓縮角對擴壓器效率的影響，本文研究了進口幾何角β=14°的情況下，不同的預(yù)壓縮角對壓氣機級的效率影響，設(shè)計了7個不同預(yù)壓縮角的擴壓器，見表3。為了排除其他因素的影響，表中所有擴壓器的入口半徑 R3=226mm，當量擴張半角（θ3）=4°。擴壓器不同進口幾何角的壓氣機級性能如圖5所示。

由圖可知，隨著預(yù)壓縮角度的增加，堵塞流量逐漸增加，曲線右移，但變化幅度較小，根據(jù)圖1可知，這主要是由于預(yù)壓縮角變化引起的喉部面積變化較小。從圖還可以看出，隨著預(yù)壓縮角度的增加，峰值效率先迅速增加然后增速變緩最后下降，這種變化在圖6 展示的更清楚。

不同預(yù)壓縮角擴壓器在50%葉高的馬赫數(shù)分布情況如圖7所示。由圖可知，隨著預(yù)壓縮角度的增加，半無葉區(qū)的馬赫數(shù)逐漸降低，這將有利于減小氣流對半無葉區(qū)的沖擊損失。此外，從圖中的馬赫數(shù)等值線可以看出，隨著預(yù)壓縮角度的增加，氣流經(jīng)過喉部后的流動更加均勻，這將有利于減小壓力面和吸力面壓差，削弱二次流動的強度，使流動分離延后。因此隨著預(yù)壓縮角度的增加，擴壓器的效率逐漸增加。但過多的增加預(yù)壓縮角，一方面不能進一步明顯改變流動的均勻性，另一方面預(yù)壓縮角度增加，還會增加氣流在半無葉區(qū)的流程，造成額外的沿程損失，不利于擴壓器效率的提高，因此當預(yù)壓縮角度為11°時候，擴壓器效率達到最佳。

圖8為不同預(yù)壓縮角的擴壓器的相對馬赫數(shù)在半無葉區(qū)吸力面的變化情況。從圖中可以看出，當預(yù)壓縮角較小時，氣流在半無葉的最大馬赫數(shù)較高，說明氣流在半無葉區(qū)的減速并不充分，沖擊損失較大，因此1401的效率較低。從圖中 還可以看出，1401 與 1405 的最大相對馬赫數(shù)之差大于 1405 與 1410，說明當來流速度較大時，預(yù)壓縮對來流的緩沖作用更加明顯。即當預(yù)壓縮角較小時，半無葉區(qū)的氣流速度較大，沖擊損失較大，此時將預(yù)壓縮角度增加 1 °，能夠明顯減小來流對半無葉區(qū)的沖擊損失。而隨著預(yù)壓縮角的增加，來流在半無葉區(qū)的馬赫數(shù)逐漸降低，沖擊損也相應(yīng)較小，此時再將預(yù)壓縮角度增加 1 °，對效率的提升就會相對較小。此外，增加預(yù)壓縮角也會增加半無葉區(qū)的沿程損失。在上述原因的共同影響下，隨著預(yù)壓縮角的增加，效率呈現(xiàn)先迅速增加后增速放緩最后下降的變化情況。

5.3 幾何角和預(yù)壓縮共同對級效率的影響

由前可知，擴壓器的入口幾何角和預(yù)壓縮角都對擴壓器的效率具有重要影響。當擴壓器的進口幾何角在14～16°之間時，級的性能最好，而在進口幾何角一定時，擴壓器存在最佳的預(yù)壓縮角。為了探究進口幾何角和預(yù)壓縮角共同對壓氣機級的影響，本文分別研究了14～16°下，不同預(yù)壓縮角對壓氣機級效率的影響，如圖9所示。

由圖9可以看出，當進口幾何角分別為14、15、16 時，隨著預(yù)壓縮角的增加，擴壓器的效率均呈現(xiàn)逐漸增加后減小，且增長速度先快后慢的趨勢，其原因如 5.2 節(jié)所述。由于預(yù)壓縮角和幾何角都對離心式壓氣機級的效率有影響，根據(jù)圖9，做出預(yù)壓縮角和進口幾何角與峰值效率的云圖，如圖10所示。由圖10可知，在預(yù)壓縮角一定時，可以通過調(diào)節(jié)進口幾何角來提高級效率，當進口幾何角一定時，可以通過調(diào)節(jié)預(yù)壓縮角來提高級效率，且由圖還可知，當幾何角較小時，要達到峰值效率，需要更大的預(yù)壓縮角。這主要是因為幾何進氣角較小時，擴壓器半無葉區(qū)的氣流速度較高。因此，為了將來流充分減速，使流動達到最佳的流動狀態(tài)，需要更大的預(yù)壓縮角。綜合來看，通過調(diào)節(jié)預(yù)壓縮角和幾何角，可以有效地提高擴壓器的性能，使壓縮機級最高效率超過 84.4%，如圖10中紅色區(qū)域所示。

6 ?結(jié)語

本文對預(yù)壓縮葉型擴壓器對壓氣機級效率的影響進行了研究，主要結(jié)論如下所述。

（1）當預(yù)壓縮角一定時，在一定范圍內(nèi)，隨著進口幾何角的增加，擴壓器的峰值效率逐漸增加。

（2）在進口幾何角一定時，隨著預(yù)壓縮角度的增加，擴壓器的峰值效率先迅速增加后增速放緩最后下降，存在最佳的預(yù)壓縮角。

（3）在預(yù)壓縮角和幾何角的共同作用下，通過調(diào)節(jié)預(yù)壓縮角和幾何角，可以有效提高擴壓器的性能，使壓縮機級最高效率超過 84.4%;且進口幾何角越小，需要越大的預(yù)壓縮角，才能達到最大的峰值效率。

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