渦軸發動機排砂用斜流風機改進設計及內流分析

徐弘歷

（中國航發湖南航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

斜流風機由于其獨特的流道方式，兼具了離心風機的高壓比、寬裕度以及軸流風機的大流量、高效率等優點，使其廣泛應用于紡織、冶金、航空以及電力等領域[1]。國外研究學者Kaneko等[2]率先針對斜流風機開展了詳細的實驗測量與流動控制研究。而國內對斜流風機的研究起步較晚，其中吳克啟等[3]開展的斜流風機三元設計方法和試驗工作為國內斜流風機研究奠定了基礎；隨著數值模擬技術發展，游斌等[4]系統性研究表明對常規斜流葉輪進行前緣彎掠設計能有效擴大喘振裕度以及減弱下游尾跡；高星等[5]數值模擬研究表明斜流葉輪強根部設計有利于減少內部流動損失和改善出口流場的均勻性；侯志泉等[6]研究機車用斜流風機時發現增加葉輪葉片進口角和出口角能明顯改善葉根壓力面流動分離。

針對航空排砂用斜流風機的研究很少，僅有美國通用公司早年撰寫的報告作了功能概述[7]。該型風機設計難點在于在控制尺寸和重量的基礎上，設計高效低損葉片，同時保證葉片耐磨蝕，因此本文在總結前人研究基礎上，開展排砂用斜流風機氣動設計研究，對流道及葉片進行精細化設計與流動機理研究，為排砂風機設計提供一定指導。

1 數值校核

1.1 研究對象

本文研究的排砂用斜流風機流道如圖1所示，由進口段、斜流葉輪、斜流靜子及出口段組成，其中葉輪包含3個主葉片和3個分流葉片，靜子包含13個葉片。主要設計參數見表1。

表1 斜流風機主要設計參數

圖1 某斜流風機構型

1.2 數值方法

計算域取周期葉片單元，即葉輪通道取1片主葉片和1片分流葉片，靜子通道取1片靜葉。圖2為TurbGrid軟件生成的計算域網格，葉片區域采用O型網格，其他流道采用H型網格。壁面第一層網格高度為6×10-6m保證y+＞30，網格無關性檢驗確定網格為180萬。在CFX數值模擬中采用k-ε湍流模型；壁面絕熱無滑移，葉輪區選取旋轉系，流域交接面采用混合平面法交換數據。進口邊界給定總溫（288.2 K）和總壓（99 925 Pa），出口邊界給定靜壓。

圖2 風機計算域網格

對比原型風機在設計轉速下的數值模擬結果與試驗結果，如圖3所示，數值計算壓比和效率特性整體略高于試驗數據，但計算獲得壓比特性和效率特性與試驗值吻合度都比較好，最大偏差不超過5%，計算精度可保證流場分析的準確性。

圖3 原始風機計算與試驗性能對比

2 改進設計

2.1 子午流道

由圖4可知，葉輪進口采用前掠設計，并整體抬升了葉輪出口半徑，以期減小葉輪內部氣流的周向轉折角；加寬轉靜子間距，增加了靜子進口環面面積，以降低靜子進口馬赫數；斜流靜子出口軸向距離保持不變，流道光順處理以增加曲率半徑。

圖4 子午流道改進前后對比

2.2 葉輪葉片

葉輪葉片造型采用結構簡單、加工方便的直紋葉片；由于葉輪進口前掠，以及出口半徑的增加，導致葉輪進口幾何角發生變化，葉輪進出口幾何角β由一維設計確定，如圖5所示，葉尖幾何角沿流向近似均勻分布，而葉根采取了類似離心壓氣機的后彎葉片幾何角分布，后彎角為35°。

圖5 改進前后幾何角對比

2.3 靜子葉片

原靜葉負荷量級小，尖部設計太“輕松”了，而根部超負荷運行，擬通過調整葉片負荷的徑向分布給根部減負，抑制根部角渦發展來改善流動。在三維葉型設計中，徑向載荷受徑向密流影響極大，常采用葉片彎、掠和傾等調整手段，其中掠技術會加大軸向長度，不作考慮。正彎葉片產生由中部指向兩側端壁的葉片力徑向分量，正傾葉片產生由輪蓋指向輪轂的葉片力徑向分量，因此對靜葉采用正彎正傾綜合設計。由于斜流靜子進口馬赫數較低，故采用類NACA翼型的設計方法，圖6為斜流靜子葉片的幾何角分布。

圖6 靜子葉片幾何角分布

3 性能分析

利用三維仿真獲得100%轉速下風機性能特性，如圖7所示，改進風機壓比和效率特性向右上方移動，其中最大壓比提升了1.7%，峰值效率提升了9%，設計點效率提升到0.7，而最大功率下降了3.4 kW，達到改進目標。改進風機內部流場狀況良好，如圖8所示，通過控制葉輪葉片葉尖進口吸力面曲率減小程度和低曲率段長度，有效避免了吸力面上的二次流加速，同時壓力面分離也較弱；靜子葉片根部的低速分離區明顯得到抑制。

圖7 風機改進前后特性對比

圖8 改進后風機流場速度矢量

圖9為靜子輪轂表面剪切應力分布增加二次流動的發展，在吸力面中游形成明顯的分離線，在原始靜子通道存在較大的渦，對下游產生了極大影響，渦誘導速度使得下游出現回流，并使下游跨通道的剪切應力線出現分叉而形成三維附著線；而改進靜子通道中渦狀分布大為減弱，三維附著線位置提前，回流減小，提升區域流動性能。

圖9 靜子輪轂剪切應力線分布

4 結論

本文提出了渦軸發動機排砂用斜流風機的性能提升改進設計方法，主要結論如下。

（1）減小葉輪葉片偏置角可控制吸力面氣流二次加速及壓力面低速流動分離；靜葉正彎正傾設計能有效削弱通道渦，增強流線附著，抑制根部回流和中部流動分離，提升區域流動性能。

（2）改進后，風機最大壓比提升了1.7%，峰值效率提升了9%，最大功率下降3.4 kW。