高速離心壓氣機變工況模擬及葉輪葉片優(yōu)化研究

王佳利，胡軍科，譚 澄，紀(jì)文彬

（1.中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，長沙 410083；2.湖南天雁機械股份有限公司，衡陽 421005）

0 引言

離心壓氣機尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、單級增壓比高，被廣泛應(yīng)用于渦輪增壓器、小型燃機等設(shè)備。小型離心壓氣機在實際應(yīng)用中需要經(jīng)受多工況考驗，追求高效率、高壓比和寬工作裕度，一直是當(dāng)前壓氣機設(shè)計研究的熱點[1]。

離心式壓氣機主要是由進氣道、工作輪、擴壓器、蝸殼等組成[2]。工作輪即葉輪是壓氣機中最重要的元件，在壓氣機的設(shè)計優(yōu)化研究中，國內(nèi)外研究者對葉輪的設(shè)計優(yōu)化做了大量的研究工作。任濟民[3]采用正問題設(shè)計方法設(shè)計了一個高速壓氣機模型，運用CFX軟件對不同葉片稠度下的葉輪氣動熱力學(xué)進行了對比數(shù)值計算，分析葉輪內(nèi)部流場及其性能，最終選定9葉片的葉輪為最佳方案。王海朋[4]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。韓落樂[5]使用ANSYS CFX 工程軟件通過改變?nèi)~片數(shù)量和不同長度的分流葉片對離心式壓氣機進行分析，得到了壓氣機的最優(yōu)性能參數(shù)。Jin-Hyuk Kim等[6]對具有分流葉片的離心風(fēng)機進行了數(shù)值研究。他們的研究結(jié)果表明，通過改變具有分流葉片葉輪的主葉片數(shù)量，可以有效減小葉輪流道內(nèi)的回流區(qū)域。Ziliang Li[7]等人研究了串列式葉片對離心式壓氣機性能的影響，結(jié)果表明，串列式葉片和時鐘分?jǐn)?shù)（λs）會對離心壓氣機性能產(chǎn)生重大影響。

綜上，國內(nèi)外大多數(shù)研究者對壓氣機葉輪的研究主要集中在葉片數(shù)量和分流葉片上，而對葉片出口段傾角幾乎沒有研究。本文以某型渦輪增壓器離心壓氣機為研究對象，設(shè)計了離心壓氣機物理模型并基于ANSYSFluent進行了變流量工況模擬，重點研究了葉輪葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向不同傾角對壓氣機的影響，為離心壓氣機及其他葉輪機械的優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考價值。

1 研究對象

用于增壓器的離心壓氣機轉(zhuǎn)速很高，需要滿足一定的機械強度，為了與發(fā)動機進行匹配，滿足發(fā)動機寬廣的轉(zhuǎn)速范圍，離心壓氣機需要保持較高的效率和寬廣的流量范圍，因此壓氣機葉輪模型為帶分流葉片的半開式后彎葉輪，擴壓器為無葉擴壓器，蝸殼為非對稱結(jié)構(gòu)蝸牛型蝸殼[2]。本壓氣機模型主要用于高原發(fā)動機功率恢復(fù)，即將進氣壓力提升至0.1MPa，故選取壓比πc為2.1，根據(jù)式(1)～式(3)確定壓氣機轉(zhuǎn)速為50896RPM，壓氣機具體參數(shù)如表1所示，具體結(jié)構(gòu)及流域模型如圖1所示。

其中：

Ta=293K，k=1.4，Hc=0.5，D2=140mm。

表1 壓氣機參數(shù)

圖1 壓氣機三維圖及流域模型

2 壓氣機數(shù)值仿真及變工況模擬

2.1 壓氣機網(wǎng)格劃分

將壓氣機流域模型導(dǎo)入Fluent流體動力學(xué)分析模塊，考慮進出口氣流的穩(wěn)定并且為了更加符合實際，在DesignModeler中增加入口、出口延長段實體。由于壓氣機整體形狀較為復(fù)雜，而進出口實體段形狀規(guī)整，在Mesh中采用Multizone網(wǎng)格劃分方法，并設(shè)置膨脹邊界，對壁面進行了加密處理，以提高計算的精準(zhǔn)度，最終得到如圖2所示的網(wǎng)格模型。入口段和出口段均為六面體網(wǎng)格，壓氣機整體為貼合性更好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，入口段與出口段網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為2萬個，葉輪網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為409萬個，擴壓器網(wǎng)格節(jié)點約為25萬個，蝸殼網(wǎng)格節(jié)點約為21萬個，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)約為457萬個，網(wǎng)格質(zhì)量Jacobian Ratio平均為1.1，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖2 整體網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件設(shè)置及求解設(shè)置

計算模型中存在旋轉(zhuǎn)部件和非旋轉(zhuǎn)部件，葉輪繞Z軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，所以采用多參考系模型（MRF）穩(wěn)態(tài)求解方法，工質(zhì)采用可壓縮理想空氣，考慮到葉輪內(nèi)部流動的復(fù)雜性，湍流模型選擇RNG k-ε，壁面設(shè)置為絕熱無滑移，進口溫度為293K，進口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界，出口邊界設(shè)置為壓力出口邊界，采用interface交界面。在額定工況下求解，得到壓氣機葉輪子午面壓力云圖和整體靜壓圖如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，氣流壓力在葉輪內(nèi)平穩(wěn)增大，整體壓力分布較為均勻，滿足額定壓比要求。

圖3 葉輪子午面壓力云圖

圖4 額定工況壓氣機靜壓圖

2.3 變工況數(shù)值模擬

增壓器在實際運行過程中根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的不同，海拔高度的不同運行在不同的工況下，所以高速離心壓氣機經(jīng)常在非額定工況下運行，這對離心壓氣機來說具有寬廣的流量范圍和高效區(qū)是十分重要的。本文基于ANSYS-Fluent軟件，通過改變?nèi)肟诹髁縼韺﹄x心壓氣機的變工況性能進行模擬計算，其余設(shè)置均保持一致。入口質(zhì)量流量分別選為0.45kg/s、0.5kg/s、0.635kg/s、0.7kg/s、0.8kg/s、0.9kg/s、1.0kg/s來探究在設(shè)計轉(zhuǎn)速下離心壓氣機額定工況和非額定工況下的氣動性能，F(xiàn)luent計算收斂后，利用CFD-Post后處理軟件對各個流量下的計算結(jié)果進行處理，得到變流量工況下高速離心壓氣機的壓比和效率，其中壓比與效率的公式如式(4)、式(5)所示。

將仿真得到的數(shù)據(jù)與H140_1型壓氣機在臺架實驗中所得到的實驗數(shù)據(jù)進行對比，如表2所示。從表2可以看出，在設(shè)計流量工況下，仿真的壓比和效率與實驗值的相對誤差分別為-0.9%和2.3%，非設(shè)計流量工況下，壓比的相對誤差最大為-10%，效率的相對誤差最大為-6.3%，相對誤差較大的工況點主要是離設(shè)計流量工況較遠(yuǎn)的大流量工況點，相對誤差較大的原因是仿真模型只是近似復(fù)制壓氣機的幾何參數(shù)，并且實驗中的壓氣機經(jīng)過了動平衡校正，造成了仿真與實驗結(jié)果存在較大差異，但是離設(shè)計工況點較近的相對誤差基本保持在±6%之內(nèi)，仿真值與實驗值總體相差不大。

表2 壓氣機不同工況下實驗值和仿真值

將表2中的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖5、圖6所示。

圖5 壓比變工況曲線

圖6 效率變工況曲線

從壓比曲線圖可以得知，隨著流量的不斷增大，壓比逐漸下降，表明在轉(zhuǎn)速不變的情況下獲得高壓比大流量是難以實現(xiàn)的。從效率曲線圖可以得知，小流量工況下，壓氣機效率較低，這是由于進氣量不足，壓氣機容易喘振造成效率低下。從兩圖中可以看出，壓氣機的仿真性能趨勢與實驗性能趨勢基本保持一致，認(rèn)為設(shè)計的計算模型與實際模型較為接近，設(shè)計工況點位于壓氣機高效區(qū)間內(nèi)，且設(shè)計工況點的壓比和效率與實驗值相差最小，表明設(shè)計流量下壓氣機模型與實際模型最為接近，采用仿真數(shù)值計算方法是正確可行的。

3 葉片出口段傾角對壓氣機性能的影響

葉輪是整個壓氣機的核心，在探究葉輪對壓氣機性能的影響研究中，葉片出口段傾斜角度是容易忽略而又十分重要的影響因素。葉片出口段傾角是葉輪葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜的角度，在變工況模擬驗證的基礎(chǔ)上，采用設(shè)計流量0.635kg/s、額定轉(zhuǎn)速50896RPM下的葉輪，通過改變出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜角度來模擬研究其對壓氣機性能的影響。選擇兩組對照模型，出口段傾角分別為45°和50°，葉片對比如圖7所示，其中，傾斜角度是相對于初始葉片出口段角度而言的，初始葉片出口段傾斜角度為50°，所以從圖7可以看出葉片出口段傾角為50°時等同于沒有傾斜，即各傾斜角度相對于初始角度的偏差分別為-5°、-2°、0°。

圖7 葉片出口段傾角對比圖

三種葉輪在額定壓比2.1，額定轉(zhuǎn)速50896RPM，相同流量0.635kg/s，以及同等初始條件下基于Fluent做數(shù)值計算，得到不同葉片出口段傾角下葉輪輪轂面壓力分布與馬赫數(shù)的對比云圖，如圖8、圖9所示。

圖8 葉片出口段不同傾角的壓力分布云圖（45°、48°、50°）

圖9 葉片出口段不同傾角的馬赫數(shù)分布云圖（45°、48°、50°）

從圖8可以看出，在葉片出口段傾斜角度為48°時壓力分布更為均勻，而在傾斜過多和沒有傾斜時，壓力分布較差。從圖9可以看出，在葉片出口段傾斜角度為48°時馬赫數(shù)較大區(qū)域比較少，速度分布較為均勻，而在對照組上，馬赫數(shù)較大區(qū)域比較多，且多集中于葉片吸力面，可以斷定出口段傾角為45°和50°的葉輪出口流場是不均勻的，且更容易產(chǎn)生波阻損失。經(jīng)過后處理，得到葉片出口段傾角為45°時壓氣機壓比為2.04，效率為0.7311，傾角為50°時壓氣機壓比為2.078，效率為0.7445，數(shù)值對比和偏差對比如圖10和圖11所示。從圖中可以得知，葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜角為45°時壓氣機性能相對于不傾斜時反而有所下降，傾斜角為48°時壓氣機性能最好。

4 結(jié)語

壓氣機是增壓器的核心部件，葉輪是壓氣機的核心部件。在對高速離心壓氣機變工況模擬的基礎(chǔ)上，重點研究了葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜角度的不同對壓氣機性能的影響，得出如下結(jié)論：

圖10 各葉片性能數(shù)值對比圖

圖11 各葉片相對于48°傾角偏差對比圖

1）在額定工況點，仿真值與實驗值相差最小，設(shè)計模型較為準(zhǔn)確。在不同流量下進行變工況模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果相差不大，變化趨勢保持一致。

2）在轉(zhuǎn)速一定的前提下，壓氣機性能隨著流量的增多先升高后降低，壓氣機存在一個高效區(qū)間，大流量工況下，性能下降明顯。

3）葉輪葉片出口段沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜有助于改善葉輪內(nèi)流動情況，提升壓氣機性能，但是傾斜過大會產(chǎn)生反效果，即存在一個最佳傾斜角度使得壓氣機性能最大化。

本文研究對壓氣機及旋轉(zhuǎn)機械優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考價值。