一種機(jī)械增壓器的逆向改型設(shè)計

莫錦濤, 方浩宇, 李長香, 陳訓(xùn)剛, 段春輝, 鄧朝俊, 張安銳, 羅 英

(1.中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610213； 2.中國核動力研究設(shè)計院， 成都 610213)

離心式壓縮機(jī)以其性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，在機(jī)械增壓器、小型燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪增壓器等方面中得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)不同工況的使用需求，往往需要對壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，例如改變?nèi)~輪葉型，切割葉片。調(diào)整葉片角度等。

很多研究[1-3]都在研究盡量不降低效率的前提下，增加離心式壓縮機(jī)工作范圍。一些數(shù)值和實(shí)驗(yàn)工作表明，葉型的改進(jìn)和葉片切割等方法都可以對壓縮機(jī)壓比、流量、操作范圍(阻塞工況與喘振點(diǎn)之間的范圍)產(chǎn)生影響。

離心式壓縮機(jī)的設(shè)計經(jīng)過多年的研究實(shí)踐，已經(jīng)形成了很多特定工況下性能優(yōu)異的產(chǎn)品。而隨著三維造型技術(shù)和逆向工程的發(fā)展，已經(jīng)可以對離心式壓縮機(jī)復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化建模，并以此為基礎(chǔ)開展改型設(shè)計[4-5]，并取得了一定的應(yīng)用效果。例如王晟旻等[6]通過逆向工程技術(shù)與參數(shù)化建模相結(jié)合針對一臺四級工業(yè)用離心壓縮機(jī)建立了參數(shù)化模型, 并利用計算流體動力學(xué)(CFD)對該方法的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。劉會等[7-8]使用激光掃描系統(tǒng)對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的葉輪葉片進(jìn)行掃描, 獲得了其基本葉型數(shù)據(jù)。

在這些基礎(chǔ)上，一些學(xué)者開始通過仿真技術(shù)研究不同幾何參數(shù)，包括葉片包角、進(jìn)口邊位置等對葉輪機(jī)械性能的影響。靳軍等[9]以某離心壓氣機(jī)為研究對象，依據(jù)一維平均流線法計算了不同換算轉(zhuǎn)速下的特性， 獲得了具有較高參考價值的性能。劉意等[10]為了獲得某型組合式葉輪航空燃油離心泵不同葉片包角下的工作特性， 對其內(nèi)流場特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。褚雙磊[11]通過對比5種軸流式滅火風(fēng)機(jī)的氣動性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了不同葉片數(shù)和葉片角度對軸流式滅火風(fēng)機(jī)氣動性能的影響曲線。陳然偉等[12]在不改變原始葉輪設(shè)計的基礎(chǔ)上，運(yùn)用泵與旋轉(zhuǎn)機(jī)械專業(yè)設(shè)計工具 CFturbo 分別將葉片進(jìn)口邊兩次前移和兩次后移，設(shè)計了四種新的葉型。 但是，目前將逆向工程與有限元仿真分析結(jié)合起來針對某一壓縮機(jī)葉輪葉片特性參數(shù)要求進(jìn)行改型設(shè)計的相關(guān)研究并不多見。

為了增加某高原重載車采用的機(jī)械增壓器流量，首先通過逆向工程，對該機(jī)械增壓器進(jìn)行逆向工程，獲得其基本葉型線。在此基礎(chǔ)上，提出了一種葉輪改型設(shè)計方法。該方法將葉輪葉片型線沿流動方向分為兩段，靠進(jìn)口的一段保持不變，靠出口的一段則根據(jù)葉片出口角度，將葉片扭轉(zhuǎn)角度作為均布載荷，保證在葉輪徑向方向上，葉輪型線的幾何角度增加速度相等。利用該方法完成了不同葉片出口角的葉輪設(shè)計，并建立了有限元計算模型。

1 逆向改型設(shè)計方法

某高原重載車采用的機(jī)械增壓器如圖1所示，它主要由葉輪、蝸殼以及下部的機(jī)械傳動裝置(圖1中未展示)組成。壓縮機(jī)工作時，葉輪被機(jī)械傳動裝置帶動作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將吸入的空氣進(jìn)行壓縮，最終形成的壓縮空氣由蝸殼收集并輸送到發(fā)動機(jī)燃燒室，保證發(fā)動機(jī)燃油充分燃燒，為重載車提供動力。葉輪包括7個長葉片和7個短葉片，葉型非常復(fù)雜。

圖1 某高原重載車采用的機(jī)械增壓器Fig.1 A mechanical supercharger used by a plateau heavy-duty vehicle

采用三坐標(biāo)測量儀對機(jī)械增壓器進(jìn)行逆向工程，就能得到圖1所示的三維模型以及圖2所示的葉輪型線。

圖2 機(jī)械增壓器葉型Fig.2 Supercharger blade type

為了便于后續(xù)的改型設(shè)計，通過逆向主要抽取的曲線包括殼體輪廓線、輪轂線，以及長短葉片的型線。改型設(shè)計方法主要是對其中的長短葉片型線進(jìn)行改型設(shè)計，基本思路是將葉輪葉片型線沿流動方向分為兩段，靠進(jìn)口的一段保持不變，靠出口的一段則根據(jù)葉片出口角度，將葉片扭轉(zhuǎn)角度作為均布載荷，保證在葉輪徑向方向上，葉輪型線的幾何角度增加速度相等。

Rn為第n個點(diǎn)Pn(xn,yn)對應(yīng)的圓弧半徑；βn為第n個點(diǎn)的葉片偏轉(zhuǎn)角度圖3 葉輪葉片改型設(shè)計方法Fig.3 Design method of impeller blade modification

具體實(shí)施過程如圖3所示，以長葉片與輪轂面的交線為例，沿著流動方向?qū)⒔痪€離散成若干個點(diǎn)并編號，假設(shè)對第n個點(diǎn)之后的型線作改型設(shè)計，第n點(diǎn)之前的點(diǎn)保持不變，接下來將根據(jù)葉片出口角度計算第n點(diǎn)之后的點(diǎn)坐標(biāo)，首先計算第n點(diǎn)的葉片偏轉(zhuǎn)角度如式(1)所示。假設(shè)第N點(diǎn)到葉片出口位置沿著徑向每隔Δr葉片偏轉(zhuǎn)角度將變化Δβ，滿足式(2)。由此可以聯(lián)立式(3)求解第n+1點(diǎn)的坐標(biāo)。

βn=90°+{atan(yn-1/xn-1)-atan[(yn-yn-1)/

(xn-xn-1)]}180°π-1

(1)

(2)

(3)

式中：Routlet為葉片出口處的半徑；β為設(shè)定需要修改的葉片出口角。

按照上述方法利用MATLAB編制了相應(yīng)的求解程序，由圖4可以看到， 設(shè)定不同葉片出口角度時，葉片型線也就隨之變化。將計算出的數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入三維建模軟件，通過樣條插值便可得到葉型修改后的三維模型。

圖4 葉輪葉片改型對比Fig.4 Comparison of impeller blade modifications

2 計算模型

整個流域分成了兩個部分，分別為葉輪流域和蝸殼流域，兩部分流域之間采用Interface交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)格模型是在ICEM中建立的，由于幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，蝸殼流域采用了非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，但是葉輪流域則采用了六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖5所示。仿真計算是在Fluent中完成。壓力入口和壓力出口邊界條件被分別應(yīng)用于入口和出口，計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬湍流，并選擇了MRF(Markov random field)模型來模擬葉輪相對蝸殼的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。固壁邊界采用壁面函數(shù)來處理邊界層效應(yīng)。

計算時，由于壓縮機(jī)喘振點(diǎn)的存在，將在喘振點(diǎn)附近工況帶來數(shù)值不穩(wěn)定，因此為了得到壓縮機(jī)性能曲線，可以從相對較低的出口壓力開始，通過增加出口壓力來緩慢降低質(zhì)量流量，直到出現(xiàn)不穩(wěn)定或脈動流的跡象，出口發(fā)生回流，甚至可以沖過整個流場，就認(rèn)為計算達(dá)到喘振工況，終止計算。

圖5 機(jī)械增壓器網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh model of supercharger

3 仿真結(jié)果及分析

表1首先給出了不同湍流模型在壓比1.3和1.4，轉(zhuǎn)速50 000 r/min的工況下不同湍流模型計算得到的質(zhì)量流量對比，可以看到不同湍流模型計算得到的值非常接近，最終，選取較為常用的k-ε模型來對湍流進(jìn)行模擬。

表1 不同湍流模型計算對比Table 1 Comparison of different turbulence models

圖6給出了計算值與實(shí)驗(yàn)值對比(轉(zhuǎn)速50 000 r/min)，可以看到，兩條曲線基本一致，趨勢相同，隨著壓比的增高，流量逐漸降低，說明了計算模型可信。需要說明的是，本文的實(shí)驗(yàn)是在壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺架上測得的，實(shí)驗(yàn)中保持增壓器轉(zhuǎn)速為50 000 r/min，逐漸提高增壓器出口背壓，進(jìn)而測得不同背壓下的流量大小。曲線的誤差可能是由于網(wǎng)格密度不夠、計算模型本身誤差等因素造成的，但是由于后續(xù)不同葉片出口角度下的計算結(jié)果是與原模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，因此計算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差本身并不會影響對變化趨勢的判斷。

圖7所示為不同葉片出口角對性能的影響，可以看到，隨著葉片出口角度的增加，機(jī)械增壓器流量會顯著提高，但是當(dāng)出口角度大于90°，流量增加并不明顯，且對比出口角度90°、135°兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，出口角度135°的性能曲線斜率明顯變得陡峭起來，即壓比對流量變化很敏感。這是由于出口角度135°的葉片已經(jīng)是前彎葉片，葉輪主要能量用來增加氣體的速度和壓力，在這種情況下，葉輪流道中的氣體很容易達(dá)到最大流量，因此壓比的變化對流量的影響就不那么顯著。結(jié)合圖8所示的不同葉片出口角的壓力場對比，更加可以明顯看到，同樣的轉(zhuǎn)速(50 000 r/min)和同樣的壓比(1.4)下, 葉片出口角為135°的時候，葉片壓力明顯增高，最終在葉片尾端壓力面附近形成高壓區(qū)，阻礙流量的進(jìn)一步提高。

圖6 計算值與實(shí)驗(yàn)值對比Fig.6 Comparison of the simulation and the experiment

圖7 不同葉片出口角對性能曲線的影響Fig.7 Effects of different blade outlet angles on performance curves

圖8 不同葉片出口角壓力場對比Fig.8 Comparison of pressure fields at different blade outlet angles

如圖9所示為葉輪扭矩隨壓比變化，其中圖9(a)給出了原始葉片的葉輪扭矩隨壓比變化曲線，可以看到，隨著壓比的增加葉輪扭矩降低。這主要是由于壓比增加雖然會導(dǎo)致葉輪工作壓力變大，但是壓縮機(jī)流量卻在迅速降低，最終使得壓縮機(jī)做的功減少，扭矩也就隨之下降。通過圖9(b)中對不同葉片出口角下的扭矩對比，可以看到，隨著葉片出口角的增加，葉輪扭矩也在變大，這與前文分析基本一致，葉片出口角的增加伴隨著流量的增大以及葉片表面工作壓力的提升，因此葉輪扭矩也就隨之增加。

圖9 葉輪扭矩隨壓比變化Fig.9 Impeller torque vs pressure ratio

綜上，對于機(jī)械增壓器而言，若目標(biāo)是增加流量，且機(jī)械增壓器動力充足，可以選擇將葉片出口角設(shè)置在90°附近，這樣可以接近最大的流量，同時也保證了葉輪扭矩和葉片載荷不像前彎葉片那么大，還在一定程度上保證了壓縮機(jī)的效率。

4 結(jié)論

為了增加某高原重載車采用的機(jī)械增壓器流量，首先通過逆向工程，對該機(jī)械增壓器進(jìn)行逆向工程，獲得其基本葉型線。在此基礎(chǔ)上，提出了一種葉輪改型設(shè)計方法。該方法將葉輪葉片型線沿流動方向分為兩段，靠進(jìn)口的一段保持不變，靠出口的一段則根據(jù)葉片出口角度，將葉片扭轉(zhuǎn)角度作為均布載荷，保證在葉輪徑向方向上，葉輪型線的幾何角度增加速度相等。利用該方法完成了不同葉片出口角的葉輪設(shè)計，并建立了有限元計算模型。計算結(jié)果表明，當(dāng)增大葉片出口角度，機(jī)械增壓器流量會顯著提高，但是當(dāng)出口角度大于90°，流量增加不明顯，且壓比對流量變化很敏感，葉片載荷增加。