斜流擴壓器任意中弧線造型3維彎扭葉片設計

楊元英 ，安志強 ，李 杜 ，黃生勤

（1.中國航發湖南動力機械研究所，2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室：湖南株洲412002）

0 引言

斜流/離心壓氣機受流道曲率變化、葉尖泄漏流動等因素的影響，其內部二次流強度十分明顯，會在葉輪出口形成經典的“尾跡-射流”現象[1-2]，并使下游擴壓器的進口條件惡化。隨著斜流/離心壓氣機負荷不斷提高，該問題越發突出，高扭曲、高馬赫數及高堵塞比的進口氣流會使擴壓器的性能急劇降低[3-5]，嚴重影響擴壓器和葉輪的匹配及擴壓器穩定工作范圍，極大制約了更高負荷斜流/離心壓氣機性能提升的空間。因此，如何設計高性能的擴壓器已經成為高負荷斜流/離心壓氣機設計成敗的關鍵。

傳統的葉片式擴壓器為直葉片形式，其優點是結構簡單，加工工藝好，成本低廉，缺點是對進口來流的適應性不佳，難以同時適應根尖來流。Bennett 等[6-8]提出的管式擴壓器能夠更好地適應葉輪出口的復雜流動，改善與葉輪的氣動匹配；Grates 等[9-10]通過對管式擴壓器的流動特點分析發現，其優良的氣動性能主要源自其大前掠前緣外形和自然形成的3 維彎曲結構特征，使得擴壓器入口段及喉道位置流動得到明顯改善，同時也能減小葉輪與擴壓器之間近機匣處的低速回流區，但是管式擴壓器普遍存在軸向出口氣流周向極不均勻、加工難度大、成本高、加工精度難以保證等問題；Bammert 等[11-13]對直葉片擴壓器開展改型設計時發現，擴壓器葉片采用進口彎扭設計，前緣采用帶凹槽、三角形豁口等處理，可以獲得較優的性能。中國在擴壓器3 維彎扭葉片設計方面研究較少，僅基于軸流壓氣機開展過類似的基礎性研究[14-15]。

為了結合葉片式擴壓器和管式擴壓器設計的優點，本文提出基于任意中弧線造型的擴壓器3 維彎扭葉片設計方法，采用該方法完成了對某高壓比斜流壓氣機擴壓器的改進設計，并通過3 維數值模擬對比分析了3 維彎扭葉片在壓氣機氣動性能提升及流場改善方面的效果。

1 擴壓器葉片任意中弧線造型方法

與基于葉型特征參數的傳統造型方法類似，基于任意中弧線的擴壓器葉片造型方法首先需要通過1維設計獲得擴壓器進/出口半徑r3/r4、進/出口角α1/α2（如圖1 所示），以及擴壓器子午流道，并通過S2流面計算獲得收斂的子午流線坐標，然后以子午流線對應的回轉面（S1流面）作為造型截面，生成任意中弧線葉型，進一步沿展向進行積疊形成3維葉片。

圖1 擴壓器葉片任意中弧線造型

擴壓器葉片任意中弧線造型流程和造型幾何參數分別如圖2、3所示。

圖2 擴壓器葉片任意中弧線造型流程

圖3 擴壓器葉片任意中弧線造型幾何參數

首先根據輸入的子午流線數據（xi,j,ri,j）按式（1）得到子午方向數據mi,j，并確立mi,j與xi,j、ri,j的數據關系；然后根據輸入的葉片角沿相對弦長的分布（dci,j,βi,j）按式（2）得到造型平面內（直角坐標系（xm,ym）所在平面）中弧線2維坐標，根據輸入的葉型厚度沿相對弦長的分布（dci,j,wi,j）在中弧線法線方向疊加葉型厚度，并添加前、尾緣，獲得造型平面上的2維葉型（xmi,j,ymi,j）；在此基礎上，按式（3）獲得葉型對應的柱坐標（ri,j,θi,j,xi,j），進一步按式（4）得到笛卡爾坐標葉型3 維數據（xi,j,yi,j,zi,j）；最后將各造型截面葉型沿展向進行3維積疊，獲得擴壓器3維葉片。

2 擴壓器彎扭葉片設計

2.1 設計參數

采用上述方法對某高壓比斜流壓氣機擴壓器葉片進行改進設計，該斜流壓氣機由斜流葉輪、斜流擴壓器、回流器構成，如圖4所示。為了單獨驗證3維彎扭擴壓器葉片設計方法在斜流壓氣機設計中的應用效果，在改進時擴壓器流道、進出口半徑、擴壓器葉片厚度保持原方案設計值不變。改進后，擴壓器葉片數由原來的21 片減少至19片。

圖4 斜流壓氣機子午流道

將改進后的擴壓器葉片角分布與改進前的葉片根、中、尖角度分布進行對比（如圖5 所示）。原方案擴壓器葉片設計也采用任意中弧線造型，但并未徹底地開展3 維彎扭葉片設計。與原方案相比，擴壓器葉片角主要做了以下調整改進：

圖5 改進前后擴壓器葉片角分布對比

（1）調整葉片負荷展向分布。增大根部負荷，減小尖部負荷；葉根進口角增大3°，出口角減小2.5°；葉中進、出口角均增大1°左右；葉尖進口角減小0.5°，出口角增大2.6°。

（2）調整葉片負荷流向分布。控制葉根40%弦長之前負荷基本不變，增大40%弦長之后負荷，減小葉尖50%弦長之后負荷，并且在80%弦長之后采用零加載設計。

（3）流場局部優化。根據擴壓器內部流動的3 維計算情況，微調葉根20%~80%弦長范圍的葉片角，控制該區域擴壓器，抑制附面層分離；微調葉尖20%弦長之前葉片角分布，消除近喘點尖部葉柵通道進口段壓力面局部分離。

改進前后擴壓器葉片葉根、葉尖截面葉型對比如圖6 所示。從圖中可見，改進前、后擴壓器葉片喉道尺寸基本保持不變。

圖6 擴壓器改進前后葉型對比

為了消除擴壓器葉片稠度減小后帶來的尖部區域出口段吸力面流動分離，進行展向積疊時采用切向彎3 維設計（如圖7 所示），同時給出最終獲得的擴壓器3 維葉片模型。通過葉片角調整，在擴壓器葉片前緣自然形成沿切向呈“C”型的彎曲外形，且擴壓器進口半徑r3保持與改進前一致，即未改變擴壓器無葉段半徑比r3/r4。

圖7 擴壓器葉片3維積疊及模型

2.2 氣動性能對比分析

采用3 維數值模擬的方法對本文斜流壓氣機擴壓器改進效果進行數值評估與分析。采用CFX13.0單通道定常求解進行計算，其網格拓撲結構如圖8 所示。斜流葉輪大葉片進口采用J 型網格、小葉片進口采用H 型網格，葉片周圍采用O 型網格，葉輪葉尖給定0.25 mm 均勻間隙，間隙內采用非匹配H 型網格；擴壓器進、出口均采用J 型網格。各葉片排網格近壁面第1層網格尺度為0.005 mm，最小正交性大于15°，最大延展比小于5。選用k-e湍流模型1 階差分格式進行求解，近壁面采用scalable壁面函數法封閉，各葉片排間交接面采用基于“混合平面法”的周向平均守恒方法（Stage）計算。

圖8 3維計算網格拓撲結構

采用上述3 維計算方法獲得的斜流壓氣機原方案設計轉速特性及與其試驗結果的對比如圖9 所示。從圖中可見，3 維計算的斜流壓氣機設計點流量偏小0.12%、效率偏低0.6 個百分點，設計轉速喘振裕度偏大0.9 個百分點、峰值效率偏低0.4 個百分點、喘點效率偏高0.6個百分點。各項性能參數與試驗值的偏差均在當前3維計算精度的可接受范圍內。

圖9 3維計算特性試驗結果校驗

擴壓器改進前后斜流壓氣機設計轉速3 維計算特性對比如圖10 所示。從圖中可見，與原方案相比，采用3 維擴壓器后，斜流壓氣機設計點流量幾乎沒變，設計點效率增大0.3個百分點，設計轉速喘振裕度增加1.0 個百分點、近喘點壓比略增大的同時效率提高0.2 個百分點、擴壓器與回流器工作點總壓恢復系數均有0.3 個百分點的提升；在設計點到近喘點范圍內斜流壓氣機壓比、效率、擴壓器及回流器總壓恢復系數均有所增大。

圖10 斜流壓氣機改進前后設計轉速計算特性

擴壓器改進前后斜流壓氣機相對轉速n=0.85~1.00 范圍內3 維計算特性對比如圖11 所示。從圖中可見，改進后，斜流壓氣機非設計轉速峰值效率均提升0.3個百分點以上，喘點壓比略微增加。

圖11 斜流壓氣機改進前后非設計轉速計算特性

2.3 3維流場分析

改進前后斜流壓氣機設計點擴壓器葉片通道根、中、尖截面馬赫數分布如圖12 所示。從圖中可見，即使擴壓器葉片稠度減小，采用3 維彎扭葉片改進設計的擴壓器通道流動也有明顯改善。與原方案相比，改進后擴壓器根部截面20%弦長之后的壓力面流動分離消除，中部截面50%弦長左右的附面層增厚也得到了抑制，尖部截面通過切向彎設計控制了稠度減小帶來的流動惡化。因此，改進后擴壓器出口氣動堵塞大幅減少，使得下游回流器進口馬赫數由改進前的0.40 下降到改進后的0.39，提升了回流器性能（圖10（d））所示。

圖12 改進前后擴壓器設計點馬赫數

進一步對比改進前后斜流壓氣機近喘點擴壓器葉片通道根、中、尖截面馬赫數分布如圖13 所示。與原方案相比（圖5），由于改進后擴壓器根部進口負攻角增大3°，尖部截面擴壓器喉道面積減小，使得在近喘點時擴壓器根部和尖部截面流動明顯改善，有效抑制了擴壓器根部與尖部截面葉片表面附面層的發展；但擴壓器中部截面由于稠度和進口負攻角略微減小，吸力面40%弦長附近呈現出了較為明顯的附面層增厚。

圖13 改進前后擴壓器近喘點馬赫數

3 結論

本文采用基于任意中弧線造型的斜流擴壓器3維彎扭葉片設計方法，優化了某高壓比斜流壓氣機擴壓器葉片展向及流向負荷分布，擴壓器葉片數也由優化前的21 片減少至19 片，實現了斜流壓氣機氣動性能提升及流動改善。通過對3 維數值計算結果的分析得到如下結論：

（1）采用3 維彎扭擴壓器葉片后，斜流壓氣機設計點效率提高0.3 個百分點，設計轉速喘振裕度增大1.0 個百分點，在設計點到近喘點范圍內斜流壓氣機壓比、效率、擴壓器及回流器恢復系數均有所增大。

（2）3 維彎扭葉片可有效改善斜流壓氣機設計點擴壓器根部流動，基本消除擴壓器根部壓力面附面層分離，同時較大程度地抑制了擴壓通道后半段附面層增厚，提升擴壓器性能。