某離心壓氣機優化設計

田奎 唐方明 余佳

摘 要：為提高某離心壓氣機性能，對其進行了優化設計。在不改變離心級進出口尺寸、葉輪出口切線速度的前提下，優化離心葉輪流道、葉片載荷以及切割徑向擴壓器，并采用三維數值模擬方法對改進設計和原設計的性能進行對比分析，結果表明改進設計與原始相比，離心級設計點流量增大近1%，設計點效率提高0.5個百分點，峰值效率提高0.6個百分點，喘點壓比提高了0.6%，綜合裕度維持不變。

關鍵詞：離心壓氣機;優化設計;數值計算

近年來，隨著小型燃機和渦軸發動機的發展，離心壓氣機得到了廣泛的關注。與軸流式壓氣機相比，在相同的轉速和質量流量的情況下，離心壓氣機有著較高的比功傳輸能力，因此廣泛地應用于直升機和小型飛機的發動機上。

隨著氣動力學、材料學等相關學科的發展，單級離心壓氣機的壓比不斷升高，對其內部流動的研究也逐漸增多。1976年，Eckardt[1]首次使用L2F方法，對一壓比為2.1的離心壓氣機出口的射流尾跡現象進行了測量。Karin[2]也采用L2F方法對一壓比為4的離心葉輪進行了測量，C Hah[3]對其進行了三維數值模擬。隨后，Krain[4，5]又對進口葉尖馬赫數高達1.3，壓比為6.1的離心葉輪進口處的激波現象進行了測量，C Hah[6]采用數值方法對其進行了模擬。Zangeneh M.等[7]對一增壓6.2 的離心葉輪采用反方法進行了優化設計，結果表明新設計的葉輪出口流場更為均勻，有利于提高葉輪氣動性能。

1 原型分析和改進思路

對某離心壓氣機進行了計算分析表明：離心壓氣機級的無量綱比轉速Ns約為0.565，是一個典型的低比轉速高亞音速離心級。其中，離心葉輪進口葉尖馬赫數為0.96，出口馬赫數達到了0.915。在保持離心以及燃燒室接口尺寸不變的前提下，為進一步提高離心壓氣機的性能，對離心級進行了優化設計。保持葉輪出口半徑和出口寬度不變，對離心葉輪的流道和葉片的載荷進行了相應調整[8];同時在原徑向擴壓器的基礎上，直接將其切割為弦長更短的葉片以改善徑擴后半段的摻混。

2 改進設計

圖1給出了原型和改型最優方案離心葉輪根、尖β角分布。為進一步提高離心葉輪性能，充分考慮了離心壓氣機比轉速特點，該種低比轉速離心葉輪子午流道較為狹長，流道進出口面積比較小，葉輪中下游流道收縮比較平緩，為削弱跨間隙的二次流動對主流的影響，需要降低葉片表面載荷，結合該離心葉輪進口為典型的亞音速進氣條件，因此增大了葉輪進口導風輪部分的載荷。為改善徑向擴壓器進口來流的不均勻性，對葉輪出口葉片角進行了相應調整，采用出口根、尖葉片角不等設計，但平均值與原型保持一致。

離心葉片根部最大厚度3.2mm（葉片前緣最小曲率半徑為0.45mm）、尖部最大厚度1.2mm（葉片前緣最小曲率半徑0.2mm），小葉片切割位置根部11%，尖部22%子午流道長度，葉片數為13+13，保持和原型一致。

3 數值計算與結果分析

3.1 數值計算設置

采用CFX對離心壓氣機進行計算，計算域見圖2。計算及網格劃分具體設置如下：選取的湍流模型為BSL模型，各葉片排間的摻混模型選取Stage模型;各排葉片流體域均用TurboGrid 13.0劃分六面體結構化網格，且在葉片周圍劃分附面層網格。劃分的各排葉片網格數目見表1，其中離心葉輪的網格已包含間隙層網格，且間隙層的網格層數為10。改進后的轉子和靜子葉片分別采用改進前轉子和靜子的網格模板重新生成計算網格，其它葉片的計算網格不變。采用改進前的計算前處理模板導入重新生成的離心和徑擴的計算網格，其它計算設置保持不變，生成新的CFX計算文件。

3.2 壓氣機性能

圖3給出了優化前后離心葉輪、徑向擴壓器以及離心級性能對比。計算結果顯示，優化以后，葉輪壓比維持不變，葉輪峰值效率和設計點效率均提高0.4個百分點，徑向擴壓器峰值和設計點總壓恢復系數均提高0.3個百分點，離心級設計點流量增大近1%，設計點效率提高0.5個百分點，峰值效率提高0.6個百分點，喘點壓比提高了0.6%?？梢钥闯觯瑑灮O計后，離心級的性能明顯得到提升，優化設計效果明顯。

3.3 內部流場分析

圖4為離心葉片根、中、尖載荷分布圖，結果顯示， 改進后根、中、尖截面葉片前20%弦長段加載增加，20%-80%弦長段載荷有所下降。由于此離心葉輪進口尖部為亞音來流，增加葉片前段的載荷不會導致效率的下降，而中后部載荷的降低將有助于抑制間隙泄露流和二次流，利于效率的提升。

圖5-圖6為改進前后離心葉輪根、中、尖通道極限流線圖，結果顯示，改進后離心通道流場更加順暢，各葉高截面間隙泄露流和二次流均得到改善，尤其是中上部截面，改善更加明顯。間隙泄露流和二次流的改善將利于效率的提升。

圖7-圖8為徑向擴壓器根中尖截面馬赫數云圖，結果顯示，改進后，徑向擴壓器各截面葉背低速區明顯減小，附面層減薄，流動更加順暢。低速區的減小有利于效率的提升和流量的增大。

4結束語

本文對某離心壓氣機進行改進設計，在不改變離心級進出口尺寸、葉輪出口切線速度的前提下，通過優化離心葉輪流道、葉片載荷以及切割徑向擴壓器，削弱了葉輪的間隙泄露流和二次流，減小了徑向擴壓器各葉高的低速區，使得離心級設計點流量增大近1%，設計點效率提高0.5個百分點，峰值效率提高0.6個百分點，喘點壓比提高了0.6%。

參考文獻：

[1]Eckardt D. Detailed Flow Investigations Within a High Speed Centrifugal Compressor Impeller [R]. ASME Paper 76-FE-13，1976.

[2]Krain H. Swirling Impeller Flow [J]. Journal of Turbo-mach， 1988， 110： 122-128.

[3]Hah C， Krain H. Secondary Flows and Vortex Motion in a High-Efficiency Backswept Impeller at Design and Off-Design Conditions [J]. Journal of Turbomach， 1990，112.

[4]Krain H Hoffmann B， Par H. Aerodynamics of a Centrifugal Compressor Impeller With Transonic Inlet Conditions [R].ASME Paper 95-GT-79，1995.

[5]Krain H. Investigations of the Flow Through a High Pressure Ratio Centrifugal Impeller [R]. ASME Paper.

[6]Hah C， Krain C. Analysis of Transonic Flow Fields Inside a High Pressure Ratio Centrifugal Compressor at Design and Off Design Conditions [R]. ASME Paper 99-GT-446，1999.

[7]Zangeneh M.， Amarel N.， Daneshkhah K. et al. Optimization of 6.2：1 pressure Ratio Centrifugal Compressor Impeller by 3D Inverse Design[R]. ASME paper， GT2011-46505， 2011.

[8]彭澤琰，劉剛.航空燃氣輪機原理（上冊）.北京：國防工業出版社，2000，54-58.

作者簡介：

田奎（（1988-）男，漢族，湖北仙桃人，碩士，工程師，現就職于中國航發湖南動力機械研究所，研究方向：壓氣機氣動設計。