任濟民， 梁前超， 賀 星，高海寧

(1. 海軍工程大學 艦船動力工程軍隊重點實驗室，武漢 430033；2.海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

微型燃氣輪機用途廣泛，可以在無人機、巡航導彈、坦克等軍用車輛中用作動力來源，也可以在電網中用作發(fā)電裝置[1]。微型燃氣輪機的核心部件由離心壓氣機、燃燒室以及渦輪組成，其中離心壓氣機起到提供壓縮空氣的作用。離心壓氣機由葉輪和擴壓器兩部分組成，其中葉輪旋轉對氣體做功，而擴壓器則起到對氣體減速增壓的作用。離心壓氣機雖然內部流動復雜，但單級增壓比高，因具有一體化結構而易加工制造，并且穩(wěn)定工作范圍大[2]。為了使微型燃氣輪機推力或者效率滿足預期設計目標，人們對所需要的離心壓氣機性能提出了更高的要求。

離心式壓氣機的研究手段主要有兩種，一種是實驗研究，另外一種是數值模擬計算。數值模擬計算具有成本低、周期短的優(yōu)點，但在仿真結果的準確性驗證方面存在困難。隨著計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)的發(fā)展，網格劃分越來越精細，湍流模型設計越來越合理，數值模擬的準確性得到了很大的提高。離心壓氣機的設計已經進入快速發(fā)展階段，設計方法不斷更新升級，葉輪的設計從二維研究向三維直曲面以及三維自由曲面發(fā)展，掠葉片技術、分流葉片技術、多葉輪串列技術[3-4]的應用都對葉輪流場的改善起到了一定的作用。

帶分流葉片的離心壓氣機設計是目前市場上最常見、最廣泛的。分流葉片能有效地改善葉輪出口尾流和內部流動情況，降低進口氣流的沖擊損失，減小葉片自身厚度對氣流的阻礙[5]。本文設計的離心壓氣機模型均為帶分流葉片的模型，離心壓氣機的一維、二維設計和三維造型都可以借助CFD的方法快速生成[6]。在旋轉機械中，對于軸流葉柵的稠度和離心壓氣機擴壓器的稠度研究較多，而有關離心壓氣機葉輪葉片稠度研究的文獻相對較少。本文利用Vista CCD進行一維計算，并運用Bladegen進行二維設計和三維造型，構造出設計壓比為4.2，轉速為90 000 r/min的壓氣機模型，對離心壓氣機葉輪葉片稠度進行分析，給出設計模型的最佳葉輪葉片數量。

1 葉輪氣動設計

1.1 葉輪初步設計

在通常情況下，對葉輪進行氣動設計時首先要進行一維計算，確定葉輪子午面基本輪廓。選用Vista CCD軟件做一維計算，給定葉輪部分結構和氣體進口總溫、進口總壓、設計流量、壓比等參數，可輸出計算結果。一維計算沒有考慮擴壓器總壓損失，所以壓比計算輸入值要在5以上，才能得到4.2的實際壓比。表1為計算給定參數。

表1 計算給定參數

1.2 葉輪二維、三維造型設計

將Vista CCD計算生成的結果傳遞到Bladegen，可計算得到葉輪的二維子午輪廓圖，如圖1所示。葉輪出口半徑與進口半徑分別為62 mm和43.9 mm，葉輪出口高度為5.1 mm。

圖1 葉輪子午面輪廓圖

由于葉輪轉速高，載荷大，為使葉輪能夠達到一定強度，在葉輪的Blade-to-Blade視圖中，對葉片進行了加厚處理，如圖2所示。葉片加厚之后Blade-to-Blade視圖如圖3所示，葉根處最大厚度為2.9 mm。葉片為扭葉片造型。由于葉輪的體積、流道較小，前后掠型對葉輪流道通流環(huán)境影響小，所以并沒有對葉輪采用掠型設計。

圖2 葉片厚度分布圖

(a) 葉根 (b) 25%葉高

(c) 75%葉高 (d) 葉頂

圖3 葉片Blade-to-Blade視圖

將葉輪葉片Blade-to-Blade模型進行徑向疊積后，生成了三維仿真模型。接下來對模型的子午輪廓進行微調，使用三維流場來分析檢驗模型。對壓氣機的設計有三個要求：(1)具有良好的氣動性能；(2)設計模型方便加工制造；(3)葉輪要具有適當的強度與硬度。

1.3 葉輪葉片稠度對氣動性能影響分析

為了探究葉輪葉片稠度對葉輪性能的影響，并且尋求最佳的葉輪葉片數目，利用Bladegen分別建立帶6、7、8、9、10、11、12個主葉片和分流葉片的模型。網格利用TurboGrid軟件構造。為了使單通道計算域內網格密度保持一致，減小網格數量對結果的影響，葉輪的單通道網格節(jié)點數分別設置為50萬、42萬、37.5萬、33.3萬、30萬、27萬、25萬。其中，帶9個葉片的葉輪模型和單通道網格如圖4所示。

圖4 9葉片葉輪模型和單通道網格

邊界條件設置如下：進口總壓為101 325 Pa；葉輪轉速為90 000 r/min；葉輪出口氣流量為0.9 kg/s；計算模型為k-ε模型。對上述所有葉輪進行CFX仿真分析，處理結果如圖5、圖6和圖7所示。圖5為設計轉速下葉片數量與葉輪效率的關系，圖6、圖7為設計轉速下葉片數量與出口靜壓、出口總壓的關系。

圖5 葉片數量與葉輪效率的關系

圖6 葉片數量與出口靜壓的關系

圖7 葉片數量與出口總壓的關系

由圖5至圖7可知，隨著葉片數量的增加，葉片效率、出口靜壓、出口總壓都呈現先增加后減小的趨勢。圖8為6葉片葉輪、9葉片葉輪和12葉片葉輪的壓力面、吸力面壓力分布圖。由圖8可知，葉片數目越少，壓力面與吸力面的壓差越大，因而氣體流動分離現象越嚴重，導致效率、靜壓、總壓都下降。此外葉片數目過少會使流道邊界增厚，并且增加單個葉片的載荷。而葉片數量過多，則會增加摩擦損失，還會阻塞氣體流入進氣口，使得效率下降。因此葉輪需要設置合理的葉片數目來提高效率。在本文設計的葉輪中，對葉片數目為9的葉輪進行 CFX計算，葉輪的效率為89.2%，入口平均靜壓為86 619.3 Pa，出口平均靜壓為190 345 Pa，總壓為532 649 Pa，葉輪出口靜壓占比為35.9%。

(a) 6葉片葉輪

(b) 9葉片葉輪

(c)12葉片葉輪

圖8 葉輪壓力面、吸力面壓力分布圖

2 擴壓器的設計

由CFX軟件仿真得到葉輪的平均出口氣流角為30°，葉輪出口平均速度為355 m/s。由于葉輪出口溫度較高，所以出口速度并沒有超過聲速。葉輪出口靜壓為185 309 Pa，總壓為532 649 Pa。由以上出口參數可知葉輪出口氣流具有高溫、高速、高壓等特點，且具有不均勻性，這使擴壓器與葉輪的匹配存在一定的難度。

2.1 擴壓器模型的建立

氣體在流出葉輪到進入擴壓器之前流經的一段區(qū)域可以看作無葉擴壓區(qū)域。無葉擴壓區(qū)域是葉輪和擴壓器之間的緩沖段，不能太大，否則會增加摩擦損失。有葉擴壓器有導流的作用，總壓恢復效率高于無葉擴壓器。有葉擴壓器的幾種常見且成熟的類型有翼型擴壓器、楔形擴壓器、管式擴壓器等。

本次設計選用NACA翼型擴壓器，擴壓器入口安裝角和出口氣流角保持一致。本次設計選取的無葉擴壓段長度為9 mm。有葉擴壓器的葉片數為18個，周向長度設計為葉輪高度的0.3～0.45。如果葉片過短，則起不到擴壓效果，如果葉片過長，則會增加摩擦損失。最終設計擴壓器出口半徑為95 mm。

利用Bladegen軟件完成擴壓器的建模。將擴壓器葉片高度設計為沿著氣體流向逐漸增高的形式，如圖9所示，以提高擴壓器的擴壓效果。擴壓器進口處高度為5.1 mm，出口高度為9 mm，這樣的設計使氣體的通流面積增加得更多，擴壓效果更好。

圖9 擴壓器截面與三維模型

和葉輪網格建立方式相同，選用ATM Optimized方法，利用TurboGrid軟件建立擴壓器的網格，網格節(jié)點數為32萬。利用CFX軟件將葉輪與擴壓器模型放置在一起進行計算，如圖10所示。邊界條件如下：入口總壓為101 325 Pa；出口流量為0.9 kg/s；轉速為90 000 r/min；計算模型為k-ε模型。

圖10 壓氣機網格模型

2.2 擴壓器氣動分析

經過CFX仿真計算分析，葉輪的出口壓力為413 235 Pa，壓氣機整機效率為77.67%，達到了設計要求。

壓氣機子午面的靜壓和總壓分布如圖11所示。氣體由葉輪進入擴壓器時減速增壓，靜壓上升，但葉輪和擴壓器之間存在嚴重的摩擦損失，而且擴壓器不做功，所以氣體總壓下降。

圖11 靜壓、總壓子午面分布圖

壓氣機子午面速度分布如圖12所示。氣體速度在葉輪出口處驟然升高，超過聲速，產生激波，波后靜壓明顯升高。氣體流進擴壓器后，在通流面積增加時受到擴壓器導流的作用，速度逐漸降低。

圖12 子午面速度分布圖

由于擴壓器葉片靜止不動，沿葉高方向擴壓器壓力分布基本相同。圖13給出擴壓器不同葉高處壓力分布圖，葉片前緣有一小片高壓區(qū)域，這是由于氣體從葉輪流出，在進入擴壓器之前與葉片前緣發(fā)生了碰撞，使得局部氣體壓力升高。

圖13 擴壓器10%、50%、90%葉高壓力分布圖

2.3 擴壓器性能對比

本文設計的擴壓器葉片葉高逐漸增加，和普通的葉高不變的擴壓器相比，出口面積增大。為了分析該擴壓器的性能，建立了普通的擴壓器模型，該模型葉片形狀(如圖14所示)和本文的設計葉片相同，但是葉高沒有變化。將該模型與9葉片葉輪配合，運用CFX軟件對該模型進行數值仿真，邊界條件的設置與本文設計的壓氣機保持相同。

圖14 普通擴壓器截面與三維模型

經過CFX計算，普通型壓氣機效率為77.2%，略低于設計型的壓氣機，圖15為子午面各項參數對比圖。由靜壓分布對比圖可知，具有普通型擴壓器的離心壓氣機出口壓力大約為270 000 Pa，遠遠小于設計型擴壓器的出口壓力，這說明本文設計的擴壓器模型能有效提高壓氣機的擴壓能力。由速度分布對比圖可以看出，擴壓器的變化并不會影響葉輪內部的流場，氣體在葉輪出口處速度驟然升高，存在激波增壓過程，但設計型的擴壓器模型在出口處速度較小，減速增壓效果較好。氣體進入葉輪后，總壓處于下降狀態(tài)，CFX計算結果顯示普通型擴壓器出口總壓為444 200 Pa，設計型擴壓器出口總壓為456 153 Pa，后者的損失較小，效率較高。

(a) 普通型(左)和設計型(右)擴壓器靜壓分布圖

(b) 普通型(左)和設計型(右)擴壓器速度分布圖

(c) 普通型(左)和設計型(右)擴壓器總壓分布圖

圖15 子午面各項參數對比圖

圖16為普通型擴壓器與設計型擴壓器50%葉高的速度分布對比圖。設計型的擴壓器尾緣存在大面積的低流速區(qū)域， CFX計算結果顯示， 設計型擴壓器出口速度為341 m/s，普通型擴壓器出口速度為520 m/s。普通型擴壓器葉片前緣吸力面和壓力面處都存在一小部分高速區(qū)域，氣體減速效果不好，而設計型擴壓器僅在壓力面處存在高速區(qū)域，速度分布較均勻。

圖16 50%葉高的普通型(左)和設計型(右)擴壓器速度分布圖

3 結 論

本文運用數值仿真的方法，對離心壓氣機的葉輪和擴壓器進行了優(yōu)化設計，得到如下結論：

1)本文所優(yōu)化設計的離心壓氣機從一維計算，到二維輪廓設計，再到三維徑向疊積，壓比達到4.2，滿足了設計要求。

2)葉輪需要合理的葉柵稠度來提高效率，本文設計的葉輪最佳葉片數目為9，可以在保證葉輪效率的同時減小摩擦損失。

3)葉高逐漸增加的翼型擴壓器相比于普通的翼型擴壓器，其通流面積增加得更多，并且導流效果更好，增壓作用更強。氣體在設計型擴壓器中流動更均勻，流動損失更小。