高勇強 唐方明 徐威陽

摘 要： 本文對某小型離心壓氣機進行氣動優(yōu)化設(shè)計。通過改變離心葉輪、徑向擴壓器葉型，優(yōu)化了離心葉輪與徑向擴壓器的匹配，壓氣機設(shè)計點流量提高1.0%，效率提高1.5個百分點，喘振裕度提高3.2個百分點。

關(guān)鍵詞：離心葉輪;徑向擴壓器;優(yōu)化

離心壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，單級增壓比高，廣泛運用于小型渦扇發(fā)動機、渦軸/渦槳發(fā)動機、輔助動力裝置等[1～2]。高性能壓氣機是航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，提高壓氣機的效率、喘振裕度，將對航空發(fā)動機的性能產(chǎn)生重大影響[3～5]。某小型航空發(fā)動機高壓壓氣機由單級離心壓氣機構(gòu)成，該離心壓氣機由離心葉輪、徑向擴壓器、軸向擴壓器組成。本文針對該離心壓氣機進行氣動優(yōu)化設(shè)計。

1 數(shù)值計算方法

網(wǎng)格劃分采用CFX中Turbogrid模塊。離心葉輪網(wǎng)格數(shù)19萬左右，徑向擴壓器網(wǎng)格數(shù)16萬左右，軸向擴壓器網(wǎng)格數(shù)12萬左右，總網(wǎng)格數(shù)約47萬（如圖1）。離心葉輪葉頂間隙設(shè)置為0.45mm，其余無間隙。

邊界條件給定如下：進口邊界條件給定總壓101325Pa、總溫288.15K;離心葉輪給定轉(zhuǎn)速（設(shè)計轉(zhuǎn)速）;出口邊界條件給定平均靜壓;壁面邊界條件設(shè)置為絕熱無滑移條件;交接面設(shè)置為混合平面法。

判斷計算收斂的準則：殘差≤10-4;100個物理時間步內(nèi)進出口流量相差≤0.5%進口流量。逐步增加軸向擴壓器出口被壓，得到壓氣機從堵點到失速點的特性線。

2 原型壓氣機計算及分析

對原型壓氣機進行計算、分析，分別取出離心葉輪、徑向擴壓器的特性發(fā)現(xiàn)：離心葉輪匹配在峰值效率左支，徑向擴壓器匹配在偏右支（如下圖2），從而導致壓氣機效率偏低。比較合理的匹配方式為：離心葉輪匹配在峰值效率點附近的右支，徑向擴壓器匹配在最高總壓恢復系數(shù)附近的右支。這樣既能使壓氣機有較高的效率，又能保證壓氣機有足夠的喘振裕度。由此確定了優(yōu)化的思路：降低離心葉輪流量，增加徑向擴壓器的喉道面積，優(yōu)化離心葉輪與徑向擴壓器的匹配。

3 氣動優(yōu)化設(shè)計

為了盡可能少的改動離心壓氣機零件，優(yōu)化前后流道沒有變化，只改變離心葉輪、徑向擴壓器葉型。離心葉輪采用直紋面葉片造型。徑向擴壓器、軸向擴壓器為直板葉型。由于徑向擴壓器出口馬赫數(shù)低，其出口流場的改變對軸向擴壓器特性影響不大，優(yōu)化未改變軸向擴壓器葉型。葉片角分布決定了壓氣機性能，優(yōu)化主要通過調(diào)整葉片角分布實現(xiàn)，其余設(shè)計參數(shù)不變或者微調(diào)。

3.1 離心葉輪優(yōu)化

優(yōu)化后的離心葉輪葉片數(shù)、厚度分布不變，根部進口葉片角關(guān)小，出口后彎角增加。優(yōu)化前后的離心葉輪如下圖3（紅色-原型葉片，綠色-優(yōu)化葉片）。

3.2 徑向擴壓器優(yōu)化

優(yōu)化后徑向擴壓器葉片數(shù)不變，葉型厚度分布與原型壓氣機相同。進口段葉片角開大，喉道面積增加，葉片折轉(zhuǎn)角減小°。優(yōu)化前后的徑向擴壓器如下圖4。

3.3 優(yōu)化前后結(jié)果及分析

與原型壓氣機相比，優(yōu)化后壓氣機設(shè)計點流量高1.0%，效率高1.5個百分點，喘振裕度高3.2個百分點（如圖5）。

優(yōu)化后的離心葉輪峰值效率與原型壓氣機相當，徑向擴壓器特性優(yōu)于原型壓氣機（如圖2、6）。離心葉輪匹配在了峰值效率點附近的右支，徑向擴壓器匹配在了最高總壓恢復系數(shù)附近的右支（如下圖6）。設(shè)計點離心葉輪效率略低于原型壓氣機，徑向擴壓器總壓恢復系數(shù)顯著提高，優(yōu)化后壓氣機整體性能有所提升。

優(yōu)化前后壓氣機設(shè)計點根、中、尖部截面的馬赫數(shù)分布如下圖7、8。優(yōu)化后離心葉輪尖部低速區(qū)略微擴大;徑向擴壓器進口馬赫數(shù)略微降低，根中尖截面的分離區(qū)減小;優(yōu)化前后軸向擴壓器根、中、尖部截面的流場基本不變。

由于優(yōu)化的離心葉輪后彎角增加，離心葉輪做功能力降低，離心葉輪出口壓比下降，優(yōu)化的徑向擴壓器進口馬赫數(shù)下降，如下圖9。

與原型徑向擴壓器相比，優(yōu)化的徑向擴壓器進口段、出口段葉片負荷降低，中間段葉片負荷輕微提高，出口段葉背附近分離區(qū)得到了抑制（見圖10），徑向擴壓器總壓恢復系數(shù)顯著提高。

4 結(jié)論

本文對某小型跨音速離心壓氣機進行了優(yōu)化。通過改變離心葉輪、徑向擴壓器葉型，優(yōu)化了離心葉輪與徑向擴壓器的匹配，計算結(jié)果表明：與原型壓氣機相比，優(yōu)化后壓氣機設(shè)計點流量高1.0%，效率高1.5個百分點，喘振裕度高3.2個百分點。

參考文獻：

[1] 胡曉煜.世界中小型航空發(fā)動機手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[2] 銀越千，金海良，陳璇.渦軸/渦槳發(fā)動機壓氣機流動特點與發(fā)展趨勢.航空學報[J]， 2017.

[3] Shook P， Oakes W，F(xiàn)agan J. The Design of a High speed Research Centrifugal Compressor [R].AIAA 94-2798，1994 .

[4] 杜建一，祁志國，趙曉路等.高比轉(zhuǎn)速離心壓氣機模型及葉輪內(nèi)部三維流場分析與改進[C].工程熱物理學會2003年學術(shù)會議，2003.

[5] 殷明霞，桂幸民.高速微型離心壓氣機的改型設(shè)計.燃氣渦輪試驗與研究[J]，2007，20.

作者簡介：

高勇強（1988—），男，漢族，河南漯河市人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機氣動設(shè)計。