離心壓氣機分流葉片長度對壓氣機性能影響數值研究

張成烽，張國臣，徐志暉，皋天一，劉鵬程

(沈陽航空航天大學 a.航空發動機學院,b.遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，沈陽 110136)

近年來，離心壓氣機在船舶、航空等領域應用廣泛，隨著科技的進步，人們對高性能離心壓氣機的需求更加迫切。離心壓氣機內部流場結構復雜多變，常伴隨著二次流、泄漏和激波等流動損失，因此科研人員往往通過不斷改善壓氣機的內部流場結構來提高離心壓氣機的性能。普遍的方法是優化葉型，但離心壓氣機葉型結構復雜，很難有突破性進展。目前大多采用在兩主流葉片上加裝分流葉片的方法來改善流場結構，效果顯著，但是關于不同長度分流葉片對流場的影響機制研究較少。針對這一現狀，本文對不同長度分流葉片的離心壓氣機進行數值模擬，從而得到其影響機制。文獻[1]表明不同長度的分流葉片會不同程度地延遲附面層分離，從而對流場產生不同的影響。國內外現應用分流葉片長度0～0.8不等。分流葉片過短不能有效地抑制氣流分離現象；分流葉片過長的離心壓氣機的流動損失比較嚴重。

徐潔等[2]應用奇點分布法對長短葉片離心泵葉輪內部流場進行數值模擬，得出短分流葉片可以改善整個通道流場的速度和壓力分布，進而提高離心壓氣機的性能。張金鳳等[3]采用數值仿真的方法探討分流葉片對離心泵的性能影響，研究結果表明，在離心壓氣機應用分流葉片能改善葉輪出口和蝸殼入口的壓力、速度分布，提高離心壓氣機的性能。蘭江等[4]以一種高壓比離心式空氣壓氣機為研究對象，得出不同長度的分流葉片對離心壓氣機的效率和壓比有較大的影響。楊帆[5]利用數值模擬程序 OTMB/CFD對不同分流葉片的離心壓氣機流場進行模擬數值研究，發現較長的分流葉片會減少離心葉輪內部低速區面積，抑制低速區形成，從而減少葉輪內部損失。李廷賓等[6]利用三維數值模擬的方法探究葉片數和分流葉片結構對離心壓氣機的性能影響，研究結果表明，在流量較小時，不同長度的分流葉片對離心壓氣機性能幾乎無影響；流量較大時,長分流葉片的應用會極大地影響離心壓氣機流場結構，使離心壓氣機性能迅速下降。宋奎[7]對不同分流葉片的特性曲線及內部流場結構進行比較分析，得出不同分流葉片長度和周向位置均對離心壓氣機有不同的影響。韓落樂等[8]對某型離心式壓氣機葉輪進行數值模擬，結果表明，葉片數量增多會引起葉輪流動摩擦損失增加，壓氣機效率降低；葉片數過少會極大增加葉片載荷，降低葉片使用壽命。方國慶[9]利用數值計算方法探究分流葉片和分流葉片位置對離心壓氣機的性能影響，結果表明，離心壓氣機增加分流葉片可以有效抑制附面層分離現象，減小主流葉片葉尖處的泄漏損失。Moussavi等[10]利用遺傳算法優化分流葉片的方法研究分流葉片前緣位置和角度變化對流場的影響，結果表明，優化后的葉輪標稱點處的效率提高了2.7%，葉輪慣性力矩降低了5%，喘振裕度明顯改善，沒有出現堵塞現象。

除此之外，還有許多關于提高離心壓氣機性能的研究[11-16]。在上述研究基礎上，本文對離心壓氣機分流葉片長度進行截斷或加長處理，得到5種不同分流葉片長度的離心壓氣機模型。并分別對5種不同長度分流葉片的離心壓氣機進行數值模擬，分析了它們的內部流場，得到不同長度分流葉片對內部流場的影響機制。

1 研究對象及方法

研究對象為某型有分流葉片的離心壓氣機。參照文獻[3]，分流葉片的輪廓與主流葉片相同，安裝在兩主流葉片中間的葉輪尾部。圖1為有分流葉片的離心壓氣機模型。離心壓氣機的葉片為13對，額定轉數為50 000 r/min，額定壓比為5.0，質量流量為3.0 kg/s。表1為模型幾何數據。如圖2所示，為了直觀比較不同分流葉片和分流葉片的長度關系，采用文獻[4]的定義方式，定義L1為分流葉片軸向長度，L2為主流葉片的軸向長度，L*=L1/L2,即分流葉片軸向長度與主流葉片軸向長度的比值。本文分別對L*=0、0.4、0.6、0.8和1.0 5種情況下離心壓氣機進行數值模擬，得到其通道內部的流場結構。

圖2 主流葉片和分流葉片的尺寸關系

表1 離心葉輪參數

模型建立和網格的劃分利用NUMECA軟件的IGG和Autogrid5兩個模塊實現。第一層壁面網格寬度為0.005 mm，網格層數為57。圖3和圖4為網格結構分布圖和葉片前緣網格結構分布圖,在NUMECA中的Fine/Turbo模塊進行邊界條件的設定和數值計算。本文采用圓柱體坐標系，工質為理想氣體。由于S-A湍流模型適用于有壁面流動、計算精度高、速度快的情況，故本文湍流模型采用S-A模型。設置進口總壓為101 325 Pa，進口總溫為288.15 K，絕熱無滑移壁面，調節出口平均靜壓來改變通道內質量流量。控制網格生成方式及邊界條件不變，調整改變網格節點數，劃分網格時發現，當網格數小于100萬時，網格質量極差，無法滿足NUMECA的Fine/Turbo流場求解器的計算精度，不能進行進行三維數值計算。圖5為100萬～180萬之間不等網格數下的性能比較，可以看出，相同邊界條件下，不同網格數的計算結果基本趨于一致。由于網格數越少，數值計算越快，故在數值模擬中設定網格數為100萬。

圖3 網格結構分布圖

圖4 葉片前緣網格結構分布圖

圖5 不同網格數下的特性比較

2 結果與討論

分別將5種不同分流葉片長度的離心壓氣機進行數值模擬，得到其特性曲線和流場結構，最后進行比較分析。

圖6為離心壓氣機特性曲線，從圖6可以看出，分流葉片長度不同，壓氣機的穩定工作的流量范圍不同，近失速點也不同。隨著分流葉片長度的增加，壓氣機的穩定工作區間先變寬再變窄。效率曲線總體呈下降趨勢，壓比曲線總體呈上升趨勢，近失速點呈左移趨勢。L*=0時，特性曲線流量變化范圍窄，穩定工作裕度窄。此時在兩個主流葉片之間無分流葉片，但離心壓氣機內部流場的流通能力較強，流量較大。由于無分流葉片的分流作用，附面層嚴重分離，在通道內產生激波，使其流量變化范圍較小，嚴重降低離心壓氣機的穩定工作裕度。L*=0.4、L*=0.6、L*=0.8情況下的特性曲線走勢相同，這三種離心壓氣機均帶有分流葉片，分流葉片的應用會延遲附面層分離，大大降低附面層的分離損失，通道內的激波也會消失，故通道內流量變化范圍較大且均勻分布，穩定工作裕度也較寬。L*=1.0時，分流葉片長度和主流葉片相同，此時分流葉片過長，會引起較大的摩擦損失和激波損失，進口嚴重堵塞，同時氣流剛到前緣還未發生分離，所以L*=1.0時，特性曲線的流量變化范圍也較小。以上可以看出分流葉片的存在能增大離心壓氣機的穩定工作裕度，但是分流葉片不是越長越好，分流葉片過長會在通道內形成激波，進而降低離心壓氣機的穩定工作裕度。分流葉片為L*=0、1.0時，離心壓氣機的穩定工作流量范圍較窄，在非設計點下工作壓氣機特性變化較大，不穩定。分流葉片為L*=0.6、0.4時流量變化范圍大，在非設計點下工作穩定。而分流葉片為L*=0.8相比較L*=0.6和L*=0.4，流量值較小，流通能力較弱，綜合分析后，分流葉片為L*=0.6、0.4時離心壓氣機的性能較好。

圖6 不同分流葉片長度離心壓氣機特性曲線

文獻[8]指出，離心壓氣機各截面的面積是變化的，其各截面的相對馬赫數是不同的，且在壓氣機流道內壓力分布也是不均勻的。各截面相對馬赫數和壓力的大小能夠反映離心壓氣機內部流體的流通情況和流動損失。圖7為有和沒有分流葉片離心壓氣機的馬赫數圖和壓力分布圖。由圖7a可以看出，由于附面層分離的原因，在兩者葉根尾部均有一定面積的低速區積聚，低速區的存在會使流體流動極其不均勻，極大降低壓氣機通道的流通能力，甚至會發生堵塞現象。比較后發現分流葉片延遲了附面層的分離，葉根尾部的低速區面積減小，主流葉片后半部周圍的低速流體區消失，通道內的工質流速增大，提高了通道的流通性，進而提高離心壓氣機的性能。由圖7b可以看出，沿主流方向壓力載荷均勻分布呈增加的趨勢，在葉根尾部均有一定面積的高壓載荷區。但是應用分流葉片后的離心壓氣機葉片的葉根尾部的壓力載荷減小，離心壓氣機的做功能力較強。根據文獻[11]的研究結論：離心壓氣機的不同徑向葉高(10%、50%和90%)流場是不一樣的。圖8和圖9分別為離心壓氣機不同葉高的馬赫數分布圖和壓力分布圖。由圖8、9可以看出由于在10%葉高徑向尺寸小，故在該區域出現較大面積的低速區，該區域葉片對空氣做功較弱。隨著徑向葉高的增大，葉輪對空氣的做功量增加，流體的流速增大，邊界層分離現象明顯，分離后在逆壓梯度的作用下，低速流體積聚在通道尾部，該現象在90%葉高下最為明顯。由圖9可以看出，沿主流方向上，壓力載荷分布呈增加趨勢，隨著徑向葉高的增加，葉輪對流體的做功能力增強，工質流通能力增加，壓力逐漸趨于不均勻分布，葉輪進口和出口形成的逆壓梯度減弱。綜合以上因素，10%葉高下的流體流速低，速度梯度小，壓力載荷較大，流場變化不明顯；90%葉高下的逆壓梯度較大，葉尖泄露損失嚴重，葉片壓力載荷小，通道內的低速高速區分布不均勻，流場變化極端；而50%葉高流場變化均勻，邊界層分離現象顯著。故接下來本實驗選取不同長度分流在50%葉高下進行比較分析。

圖7 離心壓氣機流場分布比較圖 (m=3.0 kg/s)

圖8 離心壓氣機不同葉高馬赫數分布圖(m=2.94 kg/s)

圖9 離心壓氣機不同葉高壓力分布圖 (m=2.94 kg/s)

由于不同長度分流葉片的離心壓氣機工作，流量范圍較小，不能保證各離心葉輪工作流量相同。根據特性曲線可知，不同長度分流葉片的離心葉輪效率均在70%～74%之間，總壓比均在5.8～6.4之間，故本數值研究不同分流葉片長度離心壓氣機分別控制總壓比為6.0，效率為72%時，進行壓比和效率比較，表2和表3為比較數據。

由表2、表3可以看出，在控制總壓比為6.0不變的情況下，隨著分流葉片長度的增加，離心式壓氣機的等熵效率總體呈減少趨勢。出現這種現象的主要原因是由于氣流和分流葉片的摩擦導致的摩擦損失，分流葉片越長摩擦損失越嚴重。而在保持等熵效率不變的情況下，離心壓氣機的總壓比總體成增加趨勢。這是由于分流葉片越長，越能較好地延遲附面層分離，低速漩渦流體減少，極大降低附面層分離損失，從而改善流場結構。綜合比較后，分流葉片L*=0.4和L*=0.6時，效率和總壓比相差較小。故分流葉片為L*=0.4和L*=0.6時，離心壓氣機性能較好。

表2 控制總壓比為6.0時，離心壓氣機的效率比較

表3 控制效率為72%時，離心壓氣機的總壓比較

圖10為壓比為6.0，葉高為50%時，不同長度分流葉片離心壓氣機各截面的馬赫數分布圖。由圖10可以看出，由于附面層的分離，在5種離心壓氣機的葉根尾部均有一定面積的低速區，在該區域低速流體積聚，極大降低葉輪通道的流通性，甚至引起堵塞現象。在分流葉片長度為主流葉片長度的0.8、1.0倍(L*=0.8和L*=1.0)時，分流葉片過長導致流通通道狹窄，使邊界層互相干擾，附面層分離后形成較大面積的低速區，流體的流通能力極大降低，進而嚴重地影響離心壓氣機的性能。同時，在無分流葉片的離心壓氣機(L*=0)時，其尾緣葉根也有一定面積區域的低速區，這是由于無分流葉片而導致附面層提前分離，對比分析后發現在分流葉片長度為主流葉片0.4和0.6倍(L*=0.4和L*=0.6)時，在葉片尾部和葉片周圍的低速區域面積最小，流體的流動均勻性較好。

圖10 總壓比為6.0葉高為50%時，不同長度分流葉片離心壓氣機馬赫數分布圖

圖11為壓比為6.0，葉高為50%時，不同長度分流葉片離心壓氣機各截面的壓力分布圖。由于離心壓氣機的離心增壓作用，流通通道各截面的總壓力總體呈增加趨勢，但從進口處到主流葉片中部仍有小面積的壓降，這是由于氣流經過進口處激波而引起的總壓下降。在葉片尾緣根部出現一定的高載荷區，該現象在分流葉片長度為主流葉片長度的0、0.6、0.8和1.0倍(L*=0、0.6、0.8、1.0)時最為明顯，高壓區的存在將極大增加對離心壓氣機葉片的壓力載荷。同時也與進口壓強形成極大的逆壓梯度，使離心壓氣機的氣流流通能力極大降低。增加氣流的泄露損失和氣流在葉片之間的摩擦損失。而分流葉片長度為主流葉片長度0.4倍(L*=0.4)時，葉片根部的高壓區幾乎沒有。在各長度離心壓氣機的分流葉片前端幾乎都出現低壓區，這是由于在葉尖處形成小面積激波而導致總壓局部下降。但是當分流葉片長度為主流葉片長度的0.4倍(L*=0.4)時，卻沒有出現該現象，從主流葉片中部至根部總壓力分布均勻變化，依次遞增。可以看出流體與葉片的摩擦損失主要集中在主流葉片的中后部，并且要中后部葉片的疲勞強度較大，要時常進行強度檢查。

圖11 總壓比為6.0,葉高為50%時，不同長度分流葉片離心壓氣機壓比分布圖

為進一步比較分析分流葉片長度為主流葉片長度0.4和0.6倍(L*=0.4和L*=0.6)時，對離心壓氣機性能影響的優越性，本文分別對這兩種分流葉片長度的離心壓氣機的70%轉數進行數值研究，圖12為70%額定轉數下的特性曲線。由圖12可以看出，在近失速點附近兩種長度分流葉片的離心壓氣機效率和壓比相差不大。但是隨著流量的增大，L*=0.4長度的分流葉片不僅效率遠大于分流葉片為L*=0.6，而且壓比也略有增加，所以分離葉片長度為L*=0.4的離心壓氣機的性能更優越。

圖12 在70%換算轉數下，分流葉片為L*=0.4和L*=0.6的特性曲線

圖13為70%額定轉數下的最高效率點的相對馬赫數云圖，由圖13可以看出，葉根尾部均有附面層分離后形成的低速區，且分流葉片L*=0.6時，尾部葉根低速區面積較大，此時流動損失大。

圖13 分流葉片為L*=0.6和L*=0.4時，相對馬赫數分布圖

綜上可以看出，分流葉片長度為主流葉片0.4倍(L*=0.4)時，離心壓氣機流場結構較好，壓氣機性能優越。

3 結論

本文對不同分流葉片長度的離心壓氣機進行數值研究，并分析不同分流葉片長度時的離心壓氣機特性曲線及流場結構，得到以下結論：

(1)離心壓氣機應用分流葉片能改善內部的流場結構，但是分流葉片也不是越長越好，較長的分流葉片會引起流動損失，降低離心壓氣機的穩定工作裕度。綜合比較，分流葉片L*=0.4時，離心壓氣機的穩定工作裕度最寬。

(2)分流葉片長度不同，壓氣機的穩定工作的流量范圍不同，近失速點也不同。隨著分流葉片長度的增加，壓氣機的穩定工作區間先變寬再變窄。效率曲線總體呈下降趨勢，壓比曲線總體呈上升趨勢，近失速點呈左移趨勢。

(3)分流葉片的存在會減少離心壓氣機尾緣的低速區面積和主流葉片的載荷，文中保持其工作效率為72%時，不安裝分流葉片的離心壓氣機總壓比為4.98，但安裝分流葉片的離心壓氣機總壓比極大增加，最高可達6.10。

(4)隨著葉高的增加，流速變化梯度逐漸增大，尾緣的低速流體堵塞現象也逐漸嚴重。

(5)當不同長度分流葉片的離心壓氣機總壓比為6.0時，分流葉片L*=0.8的壓氣機效率達到最低，為72%；當效率恒定為72%時，分流葉片L*=0.8的壓氣機壓比達到最高，為6.13。

(6)由云圖分析，不同長度的分流葉片對流場有不同的影響，其中分流葉片長度為主流葉片長度0.4倍(即L*=0.4)時，不但能使離心壓氣機尾緣低速區面積減小，還能極大降低尾緣葉片的載荷和與進口形成的反壓，離心壓氣機流通能力加強，從而有效地提高離心壓氣機的性能。

綜上所述，當分流葉片長度為主流葉片0.4倍(L*=0.4)時，離心壓氣機的內部流場優越，性能較優。