佟鼎， 徐思友， 楊策， 劉瑩， 張俊躍， 張繼忠

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300400； 2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院， 北京 100081)

雙面葉輪離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性研究

佟鼎1， 徐思友1， 楊策2， 劉瑩1， 張俊躍1， 張繼忠1

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300400； 2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院， 北京 100081)

針對(duì)雙面葉輪離心壓氣機(jī)的葉輪內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)單、雙面離心壓氣機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了CFD仿真模型的正確性。并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)探討了雙面葉輪出口處流動(dòng)的摻混特性以及機(jī)匣處理對(duì)雙面離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：雙面離心壓氣機(jī)較單面壓氣機(jī)流量范圍有了較大的提升，雙面葉輪壓氣機(jī)擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)極大的不對(duì)稱(chēng)性，從而導(dǎo)致了葉輪出口處的摻混效應(yīng)。機(jī)匣處理裝置可以使雙面離心壓氣機(jī)處在良好的并行工作狀態(tài)，對(duì)改善壓氣機(jī)性能有很重要的作用。

壓氣機(jī)； 雙面葉輪； 流動(dòng)特性； 機(jī)匣處理； 臺(tái)架試驗(yàn)

雙面葉輪離心壓氣機(jī)的葉輪是由傳統(tǒng)單面葉輪背靠背連接組成，具有流量范圍寬、體積小、瞬態(tài)性能好的特點(diǎn),該結(jié)構(gòu)類(lèi)似于水輪機(jī)中的雙吸泵結(jié)構(gòu)[1-3]，而且該葉輪在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上也曾得到短暫的應(yīng)用。目前，雙面離心壓氣機(jī)葉輪已經(jīng)應(yīng)用到了車(chē)用小型渦輪增壓器上[4-5]，與單面葉輪相比，在流通能力相同的條件下雙面葉輪的直徑減小了將近30%，能夠使渦輪工作在最佳速比附近，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)和渦輪的良好匹配，因此，雙面葉輪離心壓氣機(jī)在渦輪增壓領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

雙面葉輪壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)與常規(guī)增壓器壓氣機(jī)設(shè)計(jì)相比有非常大的差別，主要體現(xiàn)在雙面葉輪采用背靠背布置方式，兩個(gè)葉輪要共享擴(kuò)壓器與蝸殼流通通道，并且具有獨(dú)立的進(jìn)口。與單面離心壓氣機(jī)相比，雙面離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)更為復(fù)雜，包括擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)的摻混，壓氣機(jī)進(jìn)口流動(dòng)的畸變性等。目前，對(duì)于傳統(tǒng)單面離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)已經(jīng)開(kāi)展了眾多的研究[6-14]，而針對(duì)雙面葉輪壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究較少。馬娟娟等人[15]采用數(shù)值模擬方法研究了雙面葉輪兩側(cè)葉片周向位置及兩側(cè)葉片進(jìn)口總壓差對(duì)葉輪性能及葉輪出口氣流流動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明：雙面葉輪兩側(cè)葉片相對(duì)周向位置對(duì)葉輪級(jí)性能影響較小，但對(duì)擴(kuò)壓器對(duì)稱(chēng)面處氣流速度分布影響較大。楊策[16]采用數(shù)值方法對(duì)非均衡進(jìn)口條件下雙面離心葉輪的流動(dòng)特性進(jìn)行研究， 探討了進(jìn)口條件存在差異的情況下對(duì)擴(kuò)壓器損失分布的影響。本研究在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)雙面葉輪壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展了相應(yīng)的研究。

1 雙面葉輪離心壓氣機(jī)特性試驗(yàn)研究

為了獲得雙面壓氣機(jī)總體特性變化以及與單面葉輪相比流量范圍的提升程度，首先針對(duì)同一葉型的單、雙面葉輪進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比分析。

圖1示出了單、雙面離心壓氣機(jī)葉輪示意。葉輪直徑為70 mm，單面由10支全長(zhǎng)葉片組成，雙面葉輪為單面完全鏡像結(jié)構(gòu)。

圖1 單、雙面離心壓氣機(jī)葉輪示意

圖2與圖3分別示出了增壓器試驗(yàn)布置示意及增壓器試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)系統(tǒng)由 4 個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是空氣管路系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中空氣管路系統(tǒng)引導(dǎo)空氣在試驗(yàn)臺(tái)中運(yùn)行，主要完成壓氣機(jī)出口氣源調(diào)控、燃燒室進(jìn)口氣源調(diào)控、渦輪進(jìn)口溫度調(diào)控等功能。燃油系統(tǒng)為燃燒室提供燃油，并對(duì)燃燒室出口溫度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。潤(rùn)滑系統(tǒng)為試驗(yàn)件的軸承體提供滿(mǎn)足壓力要求的潤(rùn)滑油，保證其正常工作。控制系統(tǒng)通過(guò)控制試驗(yàn)裝置中的各個(gè)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制試驗(yàn)運(yùn)行，并采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，空氣管路系統(tǒng)控制壓縮空氣進(jìn)入燃燒室，與燃油系統(tǒng)提供的燃油混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動(dòng)渦輪做功，渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)壓縮空氣。為雙面離心壓氣機(jī)布置2個(gè)進(jìn)口管路，在進(jìn)口處分別布置壓力、溫度、流量傳感器。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖2 增壓器試驗(yàn)布置示意

圖3 增壓器試驗(yàn)臺(tái)架

圖4 單雙面葉輪的特性試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與單面葉輪相比，在壓比相同程度時(shí)雙面葉輪流量范圍得到了較大的提升。

2 數(shù)值仿真模型及模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步研究雙面離心壓氣機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)數(shù)值仿真的方式對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行具體的分析。

2.1 仿真模型的建立

仿真模型主要參考實(shí)際雙面葉輪壓氣機(jī)幾何結(jié)構(gòu)，采用Numeca軟件建模。葉輪主體部分網(wǎng)格中，葉輪流道及回流結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格在AutoGrid5中生成，而進(jìn)氣管路、蝸殼、后方葉輪進(jìn)氣流道的網(wǎng)格通過(guò)IGG生成,網(wǎng)格區(qū)域劃分見(jiàn)圖5。壓氣機(jī)級(jí)總計(jì)算網(wǎng)格達(dá)到1 497萬(wàn)。各部分網(wǎng)格的交界面在IGG中使用FNMB連接。

圖5 網(wǎng)格劃分區(qū)域

計(jì)算采用Sparlart-Allmaras湍流模型，采用二階中心格式空間差分方法，四階Runge-Kutta時(shí)間項(xiàng)處理方法迭代求解，采用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂。

進(jìn)口邊界條件：軸向進(jìn)氣，溫度298 K，壓力100 kPa。

出口邊界條件：質(zhì)量流量、初始?jí)毫Α?/p>

固壁邊界條件：絕熱，無(wú)滑移。

2.2 模型驗(yàn)證

圖6示出了壓氣機(jī)級(jí)轉(zhuǎn)速為65 000 r/min與85 000 r/min時(shí)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。圖中數(shù)據(jù)顯示，壓比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，而效率仿真值與試驗(yàn)值存在一定差異。造成計(jì)算性能與試驗(yàn)性能存在差別的可能原因如下：一是存在幾何差別，進(jìn)口管路及蝸殼出口管路在計(jì)算模型中進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化；二是存在熱狀態(tài)差別，計(jì)算中不考慮傳熱的影響，與試驗(yàn)中實(shí)時(shí)傳熱有所不同。但從總體結(jié)果上看，仿真模型基本體現(xiàn)了雙面離心壓氣機(jī)的性能，可以認(rèn)為模型是正確的。

圖6 計(jì)算性能與試驗(yàn)性能對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果及討論

為了分析雙面葉輪離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，選定85 000 r/min工況進(jìn)行詳細(xì)討論。

3.1 雙面葉輪工作模式

圖7示出了壓氣機(jī)前、后方葉輪流量比與壓比變化曲線。前、后方葉輪流量比定義為流經(jīng)前方葉輪的氣體流量與流經(jīng)后方葉輪的氣體流量的比值。

圖7 前、后方葉輪流量比與壓比特性

從圖7中可以看到，從大流量至最高壓比流量工況點(diǎn)(E)，前、后方葉輪流量比基本保持在1.25左右，表明前、后方葉輪同時(shí)處于正常的并行工作狀態(tài)(A-E)；而隨著流量減小，壓氣機(jī)壓比到達(dá)最高值后開(kāi)始下降，前、后葉輪流量比急劇增大，壓比僅從1.8降到1.79，流量比從1.3增加到2.2，表明在該流量工況時(shí)，前方葉輪的流量遠(yuǎn)大于后方葉輪的流量，前方葉輪成為主要工作葉輪，即存在前方葉輪單獨(dú)工作模式(E-F)。

3.2 雙面葉輪擴(kuò)壓器內(nèi)摻混流動(dòng)特性

流量比特性表明，對(duì)于共享擴(kuò)壓器的兩側(cè)進(jìn)氣壓氣機(jī)而言，流經(jīng)前、后葉輪的氣體流量在不同工況下存在很大區(qū)別，會(huì)造成葉輪出口流動(dòng)不均勻。雙面葉輪擴(kuò)壓器流動(dòng)特征與傳統(tǒng)擴(kuò)壓器存在區(qū)別，尤其對(duì)于處在最高壓比左側(cè)的小流量工況，前、后方葉輪流量差值懸殊。

圖8a至圖8e分別示出了壓氣機(jī)葉輪出口下游擴(kuò)壓器段徑向速度、切向速度、軸向速度、總壓、總溫的子午平均分布，圖中由左至右5個(gè)工況分別對(duì)應(yīng)圖7所示的A，B，C，D，E工況。從這些子午分布云圖中可見(jiàn)，對(duì)所有工況，由于前方葉輪流量均大于后方葉輪流量，除切向速度外，其余量分布在擴(kuò)壓器兩側(cè)均呈現(xiàn)不均勻性，隨著流量減小，不均勻性進(jìn)一步加劇。

圖8 擴(kuò)壓器內(nèi)部各參數(shù)分布云圖

圖8a中的徑向速度分布顯示，在所有工況中，前方葉輪的徑向速度均大于后方葉輪的徑向速度，這主要是由于前方葉輪的流量大于后方葉輪的流量；隨著流量減小，后方葉輪擴(kuò)壓器段低速流體區(qū)域增大，并造成回流區(qū)。在近最高壓比工況點(diǎn)D，后方葉輪擴(kuò)壓器壁面已出現(xiàn)明顯的回流區(qū)，而隨著流量進(jìn)一步減小至E工況點(diǎn)，該回流區(qū)已充滿(mǎn)整個(gè)后方葉輪擴(kuò)壓器面，并發(fā)展到后方葉輪出口上游葉輪流道內(nèi)。

圖8b中的切向速度分布顯示，從A工況至D工況，前、后葉輪出口下游的流動(dòng)基本對(duì)稱(chēng)，而E工況后方葉輪出口的切向速度則要比前方葉輪出口的切向速度大得多，表明后方葉輪較前方葉輪輸入更多的歐拉功。

圖8c中的軸向速度分布顯示，在擴(kuò)壓器后半段軸向速度接近于0，表明后半段內(nèi)氣流的摻混并不激烈。

由圖8d中的總溫子午平均分布圖可見(jiàn)，在各個(gè)流量工況下，后方葉輪的溫度都要比前方葉輪的溫度高，尤其在E工況下這個(gè)趨勢(shì)更加明顯。

圖8e中的總壓分布顯示，前方葉輪側(cè)的總壓明顯要高于后方葉輪側(cè)的總壓。

3.3 雙面離心壓氣機(jī)機(jī)匣處理內(nèi)流動(dòng)特性

機(jī)匣處理能夠改變離心壓氣機(jī)葉片葉頂處的流動(dòng)狀態(tài)分布，從而有效拓寬離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。在雙面離心壓氣機(jī)上采用機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)方式，但是由于前后葉輪的布置局限，機(jī)匣處理的結(jié)構(gòu)存在差異，體現(xiàn)不同的流動(dòng)特性。

圖9示出了各工況點(diǎn)(A-F)經(jīng)機(jī)匣處理回流槽流出的氣體量。定義氣體由后槽流到前槽的方向?yàn)檎较?，表明氣體離開(kāi)葉輪通道。從圖中曲線可以看出，在堵塞工況點(diǎn)附近兩側(cè)葉輪均有一部分氣體經(jīng)回流槽進(jìn)入葉輪流道。隨著流量減小，流經(jīng)回流槽進(jìn)入葉輪流道的氣體量逐漸減小。隨著流量進(jìn)一步減小，回流槽內(nèi)氣流方向發(fā)生改變，部分氣體從葉輪流道經(jīng)后槽離開(kāi)流至前槽后重新流回到葉輪進(jìn)口上游，且隨著壓氣機(jī)流量減小回流氣體量增大。當(dāng)轉(zhuǎn)入前方單側(cè)葉輪工作模式后，由于前方葉輪工況向大流量方向移動(dòng)，由回流槽流出的氣體流量減?。缓蠓饺~輪回流槽氣體流量增加，回流氣體比例從35%增加到近60%。結(jié)果表明在前方單側(cè)葉輪工作模式中，后方葉輪主要依靠很大的進(jìn)氣回流量來(lái)維持葉輪的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 前、后方葉輪機(jī)匣處理內(nèi)流量特性

為了直觀分析內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，選取C與E工況點(diǎn)的子午流線分布來(lái)進(jìn)一步討論，子午流線結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 C與E 工況點(diǎn)的子午流線分布

由圖10中的子午流線可以看出，對(duì)于前后方葉輪，在大流量工況(工況C)下，氣體經(jīng)回流槽進(jìn)入葉輪通道；在小流量工況(工況E)下，氣體由回流后槽流出葉輪通道，再經(jīng)前槽重新進(jìn)入葉輪通道。通過(guò)對(duì)比分析帶有進(jìn)氣回流葉輪兩種工況的流線分布，可發(fā)現(xiàn)各工況流動(dòng)基本相似，并未存在本質(zhì)上的差別，而只存在后方葉輪內(nèi)前緣分離區(qū)域及擴(kuò)壓器分離區(qū)域面積大小的區(qū)別。雙面葉輪從并行工作模式到單側(cè)葉輪工作模式的轉(zhuǎn)換主要取決于后方葉輪的流動(dòng)狀態(tài)，是后方葉輪不穩(wěn)定流動(dòng)累積到一定程度的體現(xiàn)?？梢哉J(rèn)為，雙面壓氣機(jī)工作模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程伴隨著后方葉輪的失穩(wěn)過(guò)程。流線分布顯示，雙面葉輪中后方葉輪的失穩(wěn)過(guò)程與傳統(tǒng)單面葉輪離心壓氣機(jī)的失穩(wěn)過(guò)程相似。由于具有部分周向進(jìn)氣回流和彎曲管道進(jìn)口的后方葉輪在級(jí)流量減小到一定程度后會(huì)進(jìn)入惰轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此可以推斷，由于進(jìn)氣管道面積、方向的多變性，后方葉輪進(jìn)口氣流均勻性差，更容易發(fā)生分離流動(dòng)。

4 結(jié)論

a) 與單面葉輪相比，雙面葉輪在流量范圍上得到了較大的提升；

b) 雙面葉輪離心壓氣機(jī)兩側(cè)葉輪存在兩種工作狀態(tài)：從最大流量至最高壓比工況點(diǎn)，流經(jīng)前、后方葉輪的流量基本相同；在最高壓比工況左側(cè)的小流量點(diǎn)，隨著流量減小，流經(jīng)前方葉輪的氣體流量遠(yuǎn)大于流經(jīng)后方葉輪的流量，前方葉輪為主要工作葉輪；

c) 在大流量工況，擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)基本對(duì)稱(chēng)；在小流量工況，由于兩側(cè)葉輪流量差距較大，擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)極大的不對(duì)稱(chēng)性；

d) 進(jìn)氣機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)能有效拓寬壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，雙面葉輪從并行工作模式到單側(cè)葉輪工作模式的轉(zhuǎn)換主要取決于后方葉輪的流動(dòng)狀態(tài)，是后方葉輪不穩(wěn)定流動(dòng)累積到一定程度的體現(xiàn)。后方葉輪進(jìn)口氣流均勻性差，更容易發(fā)生分離流動(dòng)。

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[編輯： 姜曉博]

Internal Flow Characteristics of Centrifugal Compressor with Double Side Impeller

TONG Ding1, XU Siyou1, YANG Ce2, LIU Ying1, ZHANG Junyue1, ZHANG Jizhong1

(1. National Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology, China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China;2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The internal flow characteristics of centrifugal compressor with double side impeller were researched. Then the CFD simulation model was verified by the comparison between single and double side impeller on the test bench. Based on the model, the mixing flow characteristics at the outlet and the effect of casing treatment on internal flow for the double side centrifugal compressor were discussed in detail. The results show that the mass flow improves with the double side impeller instead of the single one. The internal flow in diffuser shows a large asymmetry, which leads to the blending effect at the outlet. The casing treatment device can help the double side compressor to run concurrently in a good state, which is important to improve the comperssor performance.

compressor； double side impeller； flow characteristic； casing treatment； bench test

2016-06-18；

2016-11-30

柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(61422120101162212001)；2016年度柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展基金

佟鼎(1982—)，男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)增壓技術(shù)；tongding1234@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.013

TK421.8

B

1001-2222(2016)06-0067-05