某離心葉輪葉片改型設計研究＊

覃玄，朱濤

（湖北汽車工業學院汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

引言

壓氣機是廢氣渦輪增壓器的重要組成部分，本文研究的離心葉輪則為壓氣機的核心部件[1]。葉輪的尺寸、幾何參數極大地決定了壓氣機的工作性能，葉輪葉片形狀十分復雜，造型千變萬化，當壓氣機處于工作狀態時，氣流在離心葉輪中有著極其復雜的流動狀況，葉片的不同幾何造型直接決定了氣體流動狀態，進而影響葉輪的流動特性和氣動性能[2]。

針對改善葉輪流動特性和提升葉輪的氣動性能國內外學者開展了大量的研究。劉小民，張文斌將離心葉輪參數化方法、多目標遺傳算法及商業化數值計算軟件NUMECA相結合，建立起離心葉輪自動優化設計平臺[3]。王繼磊，楊金廣等提出了一種徑流式葉輪機械的參數化方法，并編寫了相應的計算機程序。通過集成參數化，網格生成和數值計算三個模塊構建了離心壓縮機葉輪優化平臺[4]。席光，唐永洪等以任意空間曲面三元閉式葉輪為對象，研究了不同展向和流向葉片厚度分布方案對離心壓縮機氣動性能的影響，其研究結果表明相比于沿流向削薄前緣和尾緣厚度，沿展向削薄葉尖厚度具有更大的性能提升能力[5]。基于對葉輪進出口速度三角形的分析，建立葉輪做功與葉輪損失物理模型，利用多目標遺傳算法尋優，并對尋優結果進行CFD數值驗證[6]。

本文基于ANSYS BladeGen，采用四階Bezier對葉輪葉片葉頂弧線以及葉根弧線進行參數改變，設計出一系列新葉型，通過流場數值模擬分析得到最終設計葉型。

1 離心葉輪模型建立及數值模擬

首先對原葉輪進行數值模擬計算獲得其流動特性及氣動性能相關參數總壓比和多變效率。原葉輪的性能指標是后續對葉型進行優化的一個參照，通過這個參照，最終從設計出的一系列葉型中篩選出最優葉型。

1.1 離心葉輪建模過程

本文以某高壓比離心葉輪為研究對象，其三維模型如圖1所示。葉輪基本設計參數如表1所示。

圖1 原離心葉輪的三維模型

表1 原葉輪設計參數

利用三維軟件的相交截線功能，通過面與面之間的相交投影，截取獲得離心葉輪的葉片葉型型線以及葉輪的子午流道面型線，導入 BladeGen 中生成的完整子午流道面如圖2所示。

圖2 葉輪的子午流道視圖

將BladeGen 中生成重構完成的離心葉輪導入Turbogrid中進行網格劃分，離心葉輪的三維網格圖如圖3所示。

圖3 葉輪三維網格圖

1.2 離心葉輪數值計算過程及分析

將 TurboGrid 中劃分好網格的離心葉輪模型導入 CFX中完成流場計算。由于離心壓氣機內部流場的流動馬赫數超過數值0.2，選擇 Total Energy 作為熱傳遞模型，同時選用的湍流模型為k-ε 模型。定義邊界條件合為進口總溫總壓—出口靜壓組合。其中，進口總溫設置為300K，離心葉輪進口總壓101325Pa，離心葉輪出口靜壓設置為455962.5Pa。求解器設定完成后如下圖4所示。

圖4 待求解葉輪

計算出離心壓氣機葉輪的總壓比π和葉輪的效率ηpoly，最終的計算結果如下表2所示。

表2 原葉輪數值計算結果

葉輪流道的壓力分布云圖、速度分布云圖如圖5、圖6所示。

圖5 葉輪壓力分布云圖

圖6 葉輪速度分布云圖

通過觀察壓力云圖可知，葉片流道在流動過程中除入口處壓力分布都比較穩定，在流道中部和出口處都出現高壓區和極為明顯的分層現象。壓力云圖出現這種特征是因為離心壓氣機工作時壓縮氣體升壓的工作在葉片流道的出口處最終完成，因此越靠近流道的出口，氣體壓力越大，并出現分層的現象。對速度云圖進行觀察可以發現，葉片流道的前中部分氣體流動速度表現為中速且流動狀況過渡表現得十分平穩，但到了流道的流動后區域，出現了流動速度急劇減緩的團狀滯流區域，出口邊界處是流動速度最大的區域。速度云圖中出現團狀滯流區域是因為氣體在流道最后區域內的壓力急速增大，使得氣體的流動出現漩渦式的回轉運動，流動的速度顯著下降，在小范圍內表現得比較穩定。

2 離心葉輪葉片改型設計過程

如圖2葉輪子午流道視圖可知截取的葉片截線共有七條，離心葉輪葉片是基于這七條曲線而生成的，取頂層截線和底層截線即葉頂弧線和葉根弧線為改進對象，采用四階Bezier 曲線對其進行參數改變。

2.1 設計方案

圖7 控制點選擇

圖8 葉輪葉片改型設計流程圖

取中間兩個控制點作為可變控制點，一前一后兩個控制點的坐標位置不變。分別將葉頂弧線中的兩個控制點命名為控制點1和控制點2，將葉根弧線中的兩個控制點分別命名為控制點3和控制點4，通過改變控制點1、2、3、4的坐標來改變葉片的造型。控制點的選擇如圖7所示。

葉片改型設計具體流程如圖8所示。

2.2 結果分析

新設計葉片葉頂弧線層與葉根弧線層的葉型如圖9、10所示。

圖9 葉頂弧線層葉型

圖10 葉根弧線層葉型

優化前后離心葉輪性能對比如表3所示：

表3 新葉輪數與原葉輪性能對比

由性能對比表中顯示的數據可知，優化完成后的離心葉輪總壓比基本保持不變，提升了0.87%，效率提升了5.69%。

圖11 新葉輪流道的壓力分布云圖

圖12 新葉輪流道的速度分布云圖

新設計葉輪流道壓力分布云圖、速度分布云圖如圖11、12所示。

將新設計葉輪的流道壓力、速度分布云圖與初始葉輪的流道壓力、速度分布云圖進行對比分析可知葉片的葉型改型設計完成后，壓力、速度分布云圖的分布形式基本不變，葉輪流道壓力的極值相較于初始葉輪有所下降，即葉片所承受的壓力降低，這有利于延長葉輪的使用壽命，葉輪流道的速度分布云圖中的團狀流動滯留區域范圍減小，氣體在葉輪流道內的流動表現更加穩定，這能夠減少能量的耗散，對提高葉輪的效率有利。

3 結論

采用四階Bezier對葉輪葉頂弧線以及葉根弧線進行參數改變實現葉片改型，可以一定程度提高葉輪的效率，改善其流動特性及氣動性能，為工程實際應用提供便利。