佟鼎，劉貴升，林森，宋志偉，王憲磊，賈曉亮，馬錦榮

(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；2.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐臨汾地區(qū)軍事代表室，山西 侯馬 043011；3.北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100071)

柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是不斷提高功率密度，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)體積減小、排放要求提高以及變海拔環(huán)境的適應(yīng)性需求提升等，研制性能高、質(zhì)量輕的單級(jí)高壓比渦輪增壓器勢(shì)在必行。

離心壓氣機(jī)是渦輪增壓器的核心部件，對(duì)于壓比大于3.0的離心壓氣機(jī)，其內(nèi)部流動(dòng)為跨聲速流動(dòng)，如何降低內(nèi)部激波、附面層干擾損失成為高壓比跨聲速離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1]。高壓比跨聲速離心壓氣機(jī)的研究主要集中在航空和船舶領(lǐng)域[2-5]。Hirotaka等[6]設(shè)計(jì)了壓比11的航空離心壓氣機(jī)，其進(jìn)口馬赫數(shù)達(dá)到1.6，并詳細(xì)分析了其內(nèi)部的流動(dòng)損失特征。Hunzike等[7]對(duì)船用高壓比增壓器的高流通能力進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，開發(fā)了壓比大于4.7的系列增壓器。陳江、季路成[8]針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)實(shí)施改型氣動(dòng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬，通過(guò)葉型基本特征的改變提升了壓氣機(jī)的效率。

與航空和船用離心壓氣機(jī)相比，車用離心壓氣機(jī)尺寸較小，其設(shè)計(jì)難度更大,尤其對(duì)于變海拔適應(yīng)性，要求壓氣機(jī)在滿足高壓比的同時(shí)，還要有較寬的流量范圍。對(duì)于車用高壓比離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外眾多的學(xué)者開展了大量的研究工作，主要集中在葉型優(yōu)化、流道改型和機(jī)匣拓穩(wěn)等方面[9-12]。在基本葉型優(yōu)化方面，V. C. Arunachalam等[13]通過(guò)數(shù)值仿真研究了葉片尾緣傾斜角對(duì)離心壓氣機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，合適的葉片傾斜角將會(huì)使壓氣機(jī)壓比提高、失速裕度增加。J. S. Oh等[14]對(duì)葉片的傾斜角也開展了相應(yīng)的研究工作，結(jié)果表明，合適的傾斜角能夠使離心葉輪尾跡分離區(qū)減緩，從而使流動(dòng)更加均勻，能夠有效提高葉輪效率和壓比。楊策等[15]針對(duì)直、正彎和反彎3種葉片的離心壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，得到了不同葉片離心葉輪的性能變化規(guī)律。初雷哲、杜建一等[16]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)不同葉片前緣形狀的離心壓氣機(jī)性能開展了研究，結(jié)果表明，鈍型、圓型和橢圓型前緣的葉片能夠提升離心壓氣機(jī)性能。隨著增壓壓比的提高，壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)分離加劇，流量范圍變窄，所帶來(lái)的設(shè)計(jì)難度更大。

本研究針對(duì)某增壓器原機(jī)高原適應(yīng)性不足的問(wèn)題，通過(guò)基本葉型的優(yōu)化，在原機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高壓比離心壓氣機(jī)葉輪，使其性能得到了進(jìn)一步的提升。

1 設(shè)計(jì)需求

圖1示出原型離心壓氣機(jī)性能與設(shè)計(jì)工況需求。原型離心壓氣機(jī)葉輪最高設(shè)計(jì)線速度為510 m/s,對(duì)應(yīng)圖1中的1.0Nd轉(zhuǎn)速線，從圖1可以看出，現(xiàn)有原型離心壓氣機(jī)可以滿足平原運(yùn)行工況，但是無(wú)法滿足高原運(yùn)行工況，壓比和流量范圍均達(dá)不到高原使用需求。

圖2示出原型離心壓氣機(jī)葉輪及平原設(shè)計(jì)點(diǎn)馬赫數(shù)分布。原葉輪由7支主葉片和7支分流葉片組成，葉片進(jìn)口氣流角為61°，出口氣流角為27.5°。當(dāng)離心壓氣機(jī)壓比大于3.0時(shí)，葉尖的相對(duì)馬赫數(shù)大于1，進(jìn)入到跨聲速流動(dòng)階段。從圖2可以看出，葉片前緣局部區(qū)域馬赫數(shù)已經(jīng)大于1，激波損失加劇。而高原改進(jìn)設(shè)計(jì)工況需求壓比為4.0，因此所帶來(lái)的激波、負(fù)面層損失將更為嚴(yán)重。要滿足高原使用需求，需要提升離心壓氣機(jī)的壓比，增強(qiáng)離心葉輪的做功能力并降低激波損失。

圖1 原型離心壓氣機(jī)性能與設(shè)計(jì)工況需求

圖2 原型壓氣機(jī)葉輪及平原設(shè)計(jì)點(diǎn)馬赫數(shù)分布(95%葉高)

離心壓氣機(jī)壓比表述式為

P02/P01=[1+(Δh0/h01)ηt-t]γ/(γ-1)。

(1)

式中：01代表葉輪入口；02代表葉輪出口；P為總壓；ηt-t為壓氣機(jī)總-總效率。根據(jù)歐拉方程：

Δh0=U2Vu2-U1Vu1=U2Vu2=ωr2Vu2。

(2)

其中，速度變量分解見圖3。

圖3 葉輪出口速度三角形

由葉輪出口速度三角形可得：

Vu2=U2-Vr2tanβ2。

(3)

綜合以上方程可得：

(4)

通過(guò)以上公式可以看出：可以通過(guò)提高壓氣機(jī)的效率，在r2不變的情況下，提升旋轉(zhuǎn)角速度ω、降低葉片后彎角β2來(lái)提升壓氣機(jī)的壓比。

因此，在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行特別關(guān)注：

1) 降低葉輪進(jìn)口馬赫數(shù)；

2) 選定合適的葉輪出口氣流角與出口寬度；

3) 降低葉片載荷(loading)；

4) 提升離心壓氣機(jī)穩(wěn)定性。

由于改進(jìn)設(shè)計(jì)要以現(xiàn)有增壓器為基礎(chǔ)，為了盡可能減小改動(dòng)，葉輪的幾何參數(shù)要保持與原型機(jī)一致，因此受到一定的約束。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)設(shè)計(jì)將依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)及改型關(guān)注點(diǎn)通過(guò)一維初始設(shè)計(jì)確定基本葉型幾何參數(shù)(葉輪進(jìn)口直徑、葉輪進(jìn)口氣流角等)，通過(guò)三維CFD仿真詳細(xì)設(shè)計(jì)分析內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化葉型結(jié)構(gòu)。改進(jìn)設(shè)計(jì)流程見圖4。

圖4 改進(jìn)設(shè)計(jì)流程圖

2.1 初始設(shè)計(jì)

2.1.1葉輪進(jìn)口

葉輪進(jìn)口設(shè)計(jì)首先要滿足壓氣機(jī)需求的堵塞流量，同時(shí)要以盡可能降低葉輪進(jìn)口馬赫數(shù)為準(zhǔn)則，根據(jù)選取的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，基于兩區(qū)模型性能預(yù)測(cè)方法，利用相應(yīng)的損失模型，借助Compal一維性能預(yù)測(cè)軟件，對(duì)葉輪進(jìn)口參數(shù)進(jìn)行一維預(yù)測(cè)。

圖5和圖6分別示出堵塞流量隨進(jìn)口氣流角以及相對(duì)馬赫數(shù)隨葉輪進(jìn)出口輪徑比的變化趨勢(shì)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為滿足高原運(yùn)行點(diǎn)使用堵塞流量需求，選定葉片進(jìn)口氣流角為62.8°，葉輪進(jìn)出口輪徑比為0.72。

圖5 堵塞流量隨進(jìn)口氣流角的變化

圖6 相對(duì)馬赫數(shù)隨葉輪進(jìn)出口輪徑比的變化

2.1.2葉輪出口

圖7 壓氣機(jī)葉輪后彎角示意

離心壓氣機(jī)的葉輪出口對(duì)壓比和效率有著決定性的影響。增加后彎角β(見圖7)可以提高葉輪的效率和穩(wěn)定性，然而在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉輪出口速度是限定的，要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升壓比，應(yīng)該降低葉片的后彎角。后彎角降低太小，做功能力提升不足，而后彎角降低過(guò)大，會(huì)使得效率下降明顯，因此，將后彎角由原27.3°改為20°。

2.1.3初始葉型

葉片的進(jìn)出口參數(shù)確定以后，需要進(jìn)一步確定葉片的子午流道以及葉片的初始角分布。通過(guò)單流管等氣動(dòng)計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，控制葉片載荷、相對(duì)速度(馬赫數(shù))分布并進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而得到葉片初始子午葉型。葉片角的分布需綜合考慮最大負(fù)荷位置、葉片包角、葉片傾斜角等，葉片角分布一確定，葉片包角和葉片傾斜角也就確定了。

圖8 子午流道示意

通過(guò)計(jì)算，最終確定的子午流道及葉片角分布見圖8與圖9。因?yàn)閴罕纫撸枰M(jìn)一步提升葉輪的做功能力，因此與原型葉輪相比，輪轂弧線具有更大的曲率及通道子午面積。輪緣進(jìn)口前緣的曲率一般取為0，以避免或減小激波引起的流動(dòng)分離。原型葉輪壓比較低，最大負(fù)荷分布在子午流道中部；改型葉輪葉片最大負(fù)荷在60%～80%子午流道處，這就意味著最低輪緣β角在70%～80%子午流道處。

圖9 葉片角分布

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

初始設(shè)計(jì)中，通過(guò)一維的初始計(jì)算確定了葉片的基本形狀，以下將通過(guò)CFD數(shù)值仿真，進(jìn)行詳細(xì)的葉輪設(shè)計(jì)，主要包括分流葉片的設(shè)計(jì)、葉輪出口葉型的優(yōu)化以及壓氣機(jī)葉輪的強(qiáng)度校核計(jì)算分析。

2.2.1分流葉片改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖10 分流葉片位置示意

目前國(guó)內(nèi)外一些高壓比、高效率的離心式壓氣機(jī)葉輪廣泛采用分流葉片的型式。實(shí)踐證明，帶分流葉片的離心壓氣機(jī)葉輪既減少了進(jìn)口氣流的阻塞，又提高了葉輪出口的滑移系數(shù)，不僅使葉輪效率提高，而且由于改善了葉輪出口流場(chǎng)，壓氣機(jī)整機(jī)性能也得到提高。分流葉片通常是長(zhǎng)葉片的截?cái)?，其進(jìn)口直徑一般根據(jù)長(zhǎng)葉片進(jìn)口處的相對(duì)馬赫數(shù)大于分流葉片進(jìn)口處的相對(duì)馬赫數(shù)的原則來(lái)確定。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，離心壓氣機(jī)葉片的前掠將會(huì)對(duì)離心壓氣機(jī)性能改善起到明顯的作用。因此在分流葉片的設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)分流葉片進(jìn)口原則，確定初始位置為25%輪轂長(zhǎng)度處，針對(duì)分流葉片采用無(wú)掠和前掠10°的兩種方案進(jìn)行流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析(見圖10)?？紤]到葉輪較多的葉片數(shù)可以降低氣流在葉輪入口以及出口處的滑移，增加葉片對(duì)氣流的做功和導(dǎo)流作用，因此，將原葉輪的7大7小葉片增加為9大9小葉片。

計(jì)算采用CFX求解器， Shear-Stress Transport湍流模型，一階迎風(fēng)格式差分方法，進(jìn)口邊界條件為軸向進(jìn)氣，溫度298 K，壓力101 325 Pa。

計(jì)算優(yōu)先采用靜壓出口條件，每個(gè)轉(zhuǎn)速下均由大流量工況向小流量工況計(jì)算，當(dāng)出口壓力條件響應(yīng)不明顯時(shí)，改為質(zhì)量流量，直至結(jié)果參數(shù)值無(wú)法收斂時(shí)停止計(jì)算，認(rèn)為此時(shí)已經(jīng)達(dá)到離心壓氣機(jī)喘振邊界。

葉輪網(wǎng)格劃分見圖11。計(jì)算采用單葉輪通道，葉輪設(shè)計(jì)過(guò)程未考慮蝸殼影響，計(jì)入進(jìn)口及擴(kuò)壓器部分，總網(wǎng)格數(shù)為60萬(wàn)。計(jì)算選定3條轉(zhuǎn)速線(0.67Nd、0.76Nd和0.86Nd)，Nd為原型壓氣機(jī)設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速。性能計(jì)算結(jié)果見圖12。

圖11 葉輪網(wǎng)格劃分示意

圖12 兩種葉型離心壓氣機(jī)葉輪特性對(duì)比

通過(guò)圖12可以看出，在所計(jì)算的3條轉(zhuǎn)速線工況下，分流葉片前掠對(duì)于壓比特性影響不大，隨著轉(zhuǎn)速增高，分流葉片前掠使得堵塞流量略有下降，這是因?yàn)槿~片的前掠略微改變了葉輪通道的喉道面積。對(duì)比效率特性可以看出，分流葉片的前掠能夠提升壓氣機(jī)的峰值效率，在所計(jì)算的3種轉(zhuǎn)速工況下峰值效率均略有提升。

為了探明效率提升的機(jī)制，圖13示出0.67Nd轉(zhuǎn)速最高效率工況點(diǎn)兩種葉型90%葉高靜熵分布的對(duì)比情況。從靜熵分布的情況可以看出，分流葉片前掠能夠抑制葉輪通道下游部分的低能流團(tuán)的分布，改善通道內(nèi)部的流動(dòng)損失情況，因此在效率上有一定的提升。

圖13 兩種葉型90%葉高靜熵分布對(duì)比

2.2.2葉輪出口葉型優(yōu)化

圖14 葉輪出口葉型優(yōu)化示意

氣流在工作葉輪的作用下高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下進(jìn)行壓縮，在葉輪中后位置得到較多的歐拉功輸入，因此葉輪尾緣對(duì)壓比的提升作用明顯?；诖?，在直出口葉片葉型的基礎(chǔ)上，采用曲線出口葉型，進(jìn)一步增加葉輪出口葉片的做功能力，以達(dá)到進(jìn)一步提升壓比的目的，優(yōu)化示意見圖14。為了與直出口葉型進(jìn)行對(duì)比分析，網(wǎng)格尺度與前述一致，計(jì)算依然選定3條轉(zhuǎn)速線(0.67Nd、0.76Nd和0.86Nd)，Nd為原型壓氣機(jī)設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速。

圖15示出曲線出口葉型和直葉型壓氣機(jī)壓比和效率特性曲線。通過(guò)圖15可以看出，在全工況范圍內(nèi)，壓氣機(jī)的壓比和穩(wěn)定性有所提升。從流量范圍來(lái)看，曲線出口葉型葉輪在提升壓比的同時(shí)使喘振流量向小流量方向移動(dòng)，在一定程度上提升了流動(dòng)穩(wěn)定性；而堵塞流量并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的變化。從效率特性可以看出，曲線出口葉型葉輪在計(jì)算工況整體效率有所提升。為了分析性能變化原因，本研究詳細(xì)分析了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化。

通過(guò)圖16子午面總壓分布對(duì)比可以看出，曲線出口葉型離心壓氣機(jī)葉輪在葉輪出口位置處總壓提升效果明顯。主要是因?yàn)榍€出口葉型會(huì)使葉頂軸向弦長(zhǎng)增大，而增大的區(qū)域主要在葉片尾緣。葉片中后位置是葉輪內(nèi)氣流從軸向轉(zhuǎn)為徑向的區(qū)域，也是傳遞能量將氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿闹黧w，曲線出口葉型增加了葉輪葉片對(duì)流體做功的當(dāng)量面積，使做功能力增強(qiáng)，壓比提升。

通過(guò)圖17葉輪流道90%葉高的相對(duì)馬赫數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出，在主葉片前緣均存在一道斜激波，在通道下游存在大范圍的低速能團(tuán)。兩種葉型葉輪對(duì)應(yīng)的大范圍低速能團(tuán)主要分布在分流葉片的兩側(cè)，隨著葉輪出口葉型的優(yōu)化，兩側(cè)低能流團(tuán)的分布發(fā)生了明顯變化，曲線出口葉型分流葉片壓力面低能流團(tuán)的范圍大幅度降低。這主要是因?yàn)椴捎们€出口葉型使得葉頂軸向弦長(zhǎng)增大，而增大的區(qū)域主要在葉片尾緣，而葉片中后位置是葉輪內(nèi)氣流從軸向轉(zhuǎn)為徑向的區(qū)域，能夠進(jìn)一步抑制尾緣流動(dòng)分離與葉間泄漏效應(yīng)的結(jié)合，從而降低葉尖泄漏對(duì)主流道內(nèi)流動(dòng)的影響。

通過(guò)圖18兩種葉型離心壓氣機(jī)葉輪90%葉高靜熵分布可以看出，曲線出口葉型葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失更小。結(jié)合馬赫數(shù)分布特征可以看出，分流葉片兩側(cè)的低能流團(tuán)是造成流動(dòng)損失的主要因素。曲線出口葉型對(duì)低能流團(tuán)的抑制減小了流動(dòng)損失，因此在整體的效率特性表征上，要優(yōu)于直出口葉型。

經(jīng)過(guò)葉輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終確定采用前掠分流葉片及曲線出口葉型作為最終優(yōu)化改進(jìn)葉輪的葉型方案。

圖18 兩種葉型離心壓氣機(jī)葉輪90%葉高靜熵分布對(duì)比

2.2.3葉片厚度分布及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

葉片厚度分布關(guān)系著葉片強(qiáng)度、堵塞裕度、加工限制和輪轂擴(kuò)散等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)詳加考慮。

圖19示出調(diào)整后的壓氣機(jī)葉輪葉片厚度分布?；诖撕穸确植冀⒂邢拊抡婺Ｐ?，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，邊界條件為葉輪前端面軸向約束，輪背裝配面周向約束。圖20示出設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速葉輪的等效應(yīng)力分布。最大等效應(yīng)力為386 MPa，位于輪孔中心(靠近輪背)。葉輪的材料為鍛鋁合金2A70，其屈服強(qiáng)度370 MPa，強(qiáng)度極限410 MPa。雖然最大應(yīng)力略微超過(guò)屈服強(qiáng)度，但只是局部產(chǎn)生塑性變形，因此滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖19 原型及改型壓氣機(jī)葉輪葉片厚度分布

圖20 改型壓氣機(jī)葉輪等效應(yīng)力分布

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成壓氣機(jī)葉輪氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行加工，并進(jìn)行性能試驗(yàn)。葉輪實(shí)物見圖21。試驗(yàn)原理見圖22。

渦輪端由氣源提供動(dòng)力，通過(guò)氣源提供空氣進(jìn)入燃燒室燃燒，為渦輪提供高溫高壓燃?xì)狻u輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要是通過(guò)調(diào)節(jié)渦輪進(jìn)口流量、壓力和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)試驗(yàn)控制臺(tái)顯示的參數(shù)穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程一般從壓氣機(jī)大流量端開始，根據(jù)實(shí)際需要保持一定的流量間隔，逐漸減小流量，直到接近喘振流量工況。

圖21 原型機(jī)及新設(shè)計(jì)離心壓氣機(jī)葉輪實(shí)物

1—雙扭線流量計(jì)；2—流量計(jì)壓差傳感器；3—壓氣機(jī)入口溫度壓力傳感器；4—轉(zhuǎn)速傳感器；5—待測(cè)壓氣機(jī)；6—壓氣機(jī)出口溫度壓力傳感器；7—電動(dòng)排氣控制閥；8—電動(dòng)微調(diào)閥；9—渦輪；10—機(jī)油濾清器；11—回油泵；12—機(jī)油泵；13—換熱器；14—機(jī)油箱；15—燃燒室；16—燃油流量計(jì)；17—點(diǎn)火及切斷裝置；18—燃油調(diào)節(jié)閥；19—燃油箱；20—燃油泵；21—進(jìn)氣流量計(jì)；22—進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥；23—進(jìn)氣旁通閥；24—風(fēng)機(jī)。圖22 試驗(yàn)原理

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果(見圖23)可以看出，改型的離心壓氣機(jī)在壓比和流量范圍上得到了大幅提升，最高壓比可以達(dá)到4.68，較原型機(jī)提升了23.5%。雖然效率較原型機(jī)略有下降，但是能夠滿足柴油機(jī)的整機(jī)匹配需求，保證了增壓器在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下可靠地運(yùn)行。

圖23 改型與原型離心壓氣機(jī)性能曲線對(duì)比

4 結(jié)論

a) 兩區(qū)模型性能預(yù)測(cè)技術(shù)具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值，在較少的輸入信息需求下，可快速預(yù)測(cè)壓氣機(jī)特性，同時(shí)其控制載荷葉片造型技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)；

b) 分流葉片前掠使得堵塞流量略有下降，但是能夠在一定程度上提升壓氣機(jī)的峰值效率，主要是分流葉片前掠能夠抑制葉輪通道下游部分的低能流團(tuán)的分布，改善通道內(nèi)部的流動(dòng)損失情況；

c) 采用曲線出口葉型能夠有效提升壓氣機(jī)葉輪的壓比和效率，增加葉輪葉片對(duì)流體的做功的當(dāng)量面積，使做功能力增強(qiáng)；葉頂軸向弦長(zhǎng)增大，能夠進(jìn)一步抑制尾緣流動(dòng)分離與葉間泄漏效應(yīng)的結(jié)合效果，抑制分流葉片兩側(cè)低能流團(tuán)的分布，從而提高效率。