田紅艷，侯 康，佟 鼎，劉欣源

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心，天津 300401；2.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)

0 概述

離心壓氣機(jī)在航空航天、車輛動(dòng)力及能源化工等方面都有著廣泛的應(yīng)用。隨著需求的強(qiáng)化，要求離心壓氣機(jī)滿足高壓比、高效率的同時(shí)，還要有較寬的流量范圍。關(guān)于提升離心壓氣機(jī)流量范圍的方法，除了對(duì)離心葉輪本體進(jìn)行氣動(dòng)葉型設(shè)計(jì)之外，蝸殼的機(jī)匣處理[1-5]、進(jìn)氣預(yù)旋[6-7]等外部流動(dòng)控制改進(jìn)技術(shù)措施也是目前研究的熱點(diǎn)。進(jìn)氣預(yù)旋是指采用導(dǎo)葉改變壓氣機(jī)進(jìn)口氣流切向速度來重構(gòu)葉輪進(jìn)口的速度三角形，從而影響離心壓氣機(jī)的特性。對(duì)于進(jìn)氣預(yù)旋，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作。文獻(xiàn)[8-9]中采用粒子圖像測(cè)速儀測(cè)量了壓氣機(jī)進(jìn)口處的速度場(chǎng)，結(jié)果表明采用切向進(jìn)氣裝置能夠擴(kuò)大壓氣機(jī)的流量范圍。文獻(xiàn)[10]中對(duì)帶有進(jìn)氣預(yù)旋的單級(jí)離心壓縮機(jī)流動(dòng)特性進(jìn)行了仿真研究，研究表明在進(jìn)口大預(yù)旋條件下，除蝸舌外的周向位置外，葉輪內(nèi)流動(dòng)參數(shù)和主葉片受力趨于周向?qū)ΨQ分布。文獻(xiàn)[11]中以增壓器無葉擴(kuò)壓離心壓氣機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行了壓氣機(jī)預(yù)旋導(dǎo)葉及擴(kuò)壓器的重新設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明壓氣機(jī)進(jìn)口預(yù)旋在保證壓氣機(jī)最高效率情況下，能夠使壓氣機(jī)的流量范圍拓寬16.7%。文獻(xiàn)[12]中對(duì)某軸流進(jìn)口導(dǎo)葉渦輪增壓器開展了相應(yīng)的研究工作，指出負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機(jī)效率下降4個(gè)百分點(diǎn)，而正預(yù)旋導(dǎo)葉使效率下降1個(gè)百分點(diǎn)的結(jié)論。文獻(xiàn)[13]中對(duì)軸向和徑向不同的導(dǎo)葉形式開展了研究工作，發(fā)現(xiàn)相同導(dǎo)葉葉片角度對(duì)壓比的影響基本相同。文獻(xiàn)[14]中試驗(yàn)分析了軸向進(jìn)氣導(dǎo)葉葉輪出口氣流角，得到了在進(jìn)氣導(dǎo)葉影響下的葉輪出口氣流角分布規(guī)律。文獻(xiàn)[15]中針對(duì)高壓比壓氣機(jī)MAP需求，通過正負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉調(diào)節(jié)了壓氣機(jī)喘振/堵塞裕度。文獻(xiàn)[16]中提出了一種新型的預(yù)旋方法，在離心壓氣機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)壁設(shè)計(jì)了一排周向分布的孔，對(duì)輪緣附近的氣體進(jìn)行預(yù)旋，結(jié)果表明該方法可以有效擴(kuò)展壓氣機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的工作范圍，增強(qiáng)壓氣機(jī)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[17]中對(duì)進(jìn)氣預(yù)旋開展了相應(yīng)的研究工作，提出了一種有效提升壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的預(yù)旋結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)分析。文獻(xiàn)[18]中采用優(yōu)化算法優(yōu)化導(dǎo)向葉片，以降低壓縮機(jī)的質(zhì)量流量和功率并顯著提高效率。文獻(xiàn)[19]中討論了進(jìn)口導(dǎo)葉對(duì)壓氣機(jī)和泵預(yù)旋的調(diào)節(jié)作用，指出進(jìn)口導(dǎo)葉在葉輪進(jìn)口誘導(dǎo)流體速度旋轉(zhuǎn)，正預(yù)旋可以減小葉輪內(nèi)的二次流和回流，改善非設(shè)計(jì)工況的性能，而一定的負(fù)預(yù)旋可以減小大流量下葉輪進(jìn)口沖擊損失，但隨負(fù)預(yù)旋角度的增大，回流現(xiàn)象惡化，沖擊損失增大。同時(shí)進(jìn)口導(dǎo)葉的截面形狀、與葉輪進(jìn)口的軸向距離等也會(huì)影響壓氣機(jī)性能。文獻(xiàn)[20]中研究了軸流壓氣機(jī)近失速點(diǎn)性能與可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的影響規(guī)律，研究表明旋轉(zhuǎn)葉片向著葉片前緣吸力面方向可以推遲失速發(fā)生。

本文中針對(duì)進(jìn)口端壁導(dǎo)葉對(duì)離心壓氣機(jī)特性影響開展了相應(yīng)的研究工作，分別討論了堵塞工況、最高效率工況和小流量工況下，正負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉對(duì)離心壓氣機(jī)性能的影響，給出了一種可以有效調(diào)節(jié)離心壓氣機(jī)性能的端壁導(dǎo)葉預(yù)旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，易于加工和安裝，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)值仿真模型及標(biāo)定

以某進(jìn)口無導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)為研究對(duì)象。幾何模型依據(jù)實(shí)物構(gòu)建，包括進(jìn)口管路、葉輪、無葉擴(kuò)壓器和蝸殼。壓氣機(jī)的葉輪由7支主葉片和7支分流葉片組成，計(jì)算區(qū)域劃分及葉輪如圖1所示。主要幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域及葉輪示意圖

表1 壓氣機(jī)主要幾何參數(shù)

采用全周葉輪通道網(wǎng)格和蝸殼進(jìn)行計(jì)算，用TurboGrid對(duì)葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行周向網(wǎng)格復(fù)制，其他幾何部分在Workbench ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)量370萬，其中葉輪網(wǎng)格數(shù)量208萬，網(wǎng)格劃分示意圖見圖2。

圖2 離心壓氣機(jī)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

仿真計(jì)算通過ANSYS-CFX求解，選用SST湍流模型，差分方法為一階迎風(fēng)格式，轉(zhuǎn)靜交界面為Stage速度平均處理。壓氣機(jī)進(jìn)口溫度298 K，初始?jí)簭?qiáng)為101 325 Pa。 固壁邊界條件為絕熱，無滑移條件。數(shù)值計(jì)算過程中壓氣機(jī)出口條件給定初始靜壓，由大流量工況向小流量計(jì)算，當(dāng)出口靜壓條件響應(yīng)不明顯時(shí)改用質(zhì)量流量，直到接近壓氣機(jī)的失速點(diǎn)使殘差呈上升趨勢(shì)而計(jì)算結(jié)果的各個(gè)參數(shù)值無法收斂時(shí)停止計(jì)算，認(rèn)為已達(dá)到離心壓氣機(jī)喘振工況。其收斂性判定依據(jù)：(1) 全局殘差和各仿真參數(shù)殘差下降3個(gè)量級(jí)；(2) 進(jìn)出口流量相對(duì)誤差小于0.5%；(3) 效率和壓比特性收斂至定值或出現(xiàn)周期性震蕩。

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真模型的正確性，首先對(duì)進(jìn)口無導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)開展性能臺(tái)架試驗(yàn)，壓氣機(jī)特性試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖3所示。從中可以看出在不同轉(zhuǎn)速下，數(shù)值模擬都能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出對(duì)應(yīng)的最高效率點(diǎn)和堵塞點(diǎn)位置，仿真結(jié)果的大流量工況的效率和壓比值略高。分析認(rèn)為仿真性能與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因在于：一是數(shù)值仿真模型與真實(shí)試驗(yàn)樣機(jī)的差異，仿真模型中的間隙，壁面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，而真實(shí)的樣機(jī)存在加工偏差、壁面粗糙度等問題，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。二是仿真條件與真實(shí)試驗(yàn)測(cè)量的差異，仿真時(shí)性能參數(shù)的計(jì)算依賴于計(jì)算域的選取，邊界條件可以按照理想狀態(tài)設(shè)定為絕熱壁面，但是實(shí)際測(cè)量時(shí)性能測(cè)點(diǎn)存在一定程度的不穩(wěn)定性，且壓氣機(jī)蝸殼、葉輪和潤(rùn)滑油都有一定的熱量損失，同時(shí)在壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中測(cè)量參數(shù)的不均勻和波動(dòng)都會(huì)造成測(cè)量的誤差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在差異。但從整個(gè)工況來看，數(shù)值模擬都較好地預(yù)測(cè)出了對(duì)應(yīng)的高效率點(diǎn)和工作范圍，誤差在可接受范圍內(nèi)。之后的研究均采用相同的網(wǎng)格模型尺度、計(jì)算方法及收斂判斷準(zhǔn)則。

圖3 壓氣機(jī)特性仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 進(jìn)口端壁導(dǎo)葉預(yù)旋結(jié)構(gòu)

2.1 進(jìn)氣預(yù)旋原理

進(jìn)氣預(yù)旋結(jié)構(gòu)一般布置在離心壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口前端，通過改變壓氣機(jī)進(jìn)口氣流切向速度來重構(gòu)葉輪進(jìn)口的速度三角形。

圖4 壓氣機(jī)葉輪進(jìn)氣預(yù)旋速度三角形示意圖

2.2 進(jìn)口端壁導(dǎo)葉預(yù)旋結(jié)構(gòu)

本研究中的進(jìn)口端壁導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)是在文獻(xiàn)[16]中研究工作的基礎(chǔ)上提出的，將預(yù)旋導(dǎo)葉布置于壓氣機(jī)進(jìn)口管路的端壁上，結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)，選定兩種導(dǎo)葉，分別為正、負(fù)預(yù)旋30°，采用等長(zhǎng)等靜葉出口角流型設(shè)計(jì)，同時(shí)由于空間結(jié)構(gòu)限制，選定周向?qū)~數(shù)目為10支，導(dǎo)葉葉片右側(cè)與壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口距離為 26 mm，導(dǎo)葉軸向長(zhǎng)度為24 mm，葉高12 mm，具體結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 進(jìn)口端壁導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)示意圖

建立具有端壁進(jìn)氣導(dǎo)葉的離心壓氣機(jī)幾何模型，建立數(shù)值仿真模型，為了保證數(shù)值仿真的一致性，網(wǎng)格尺度和前述標(biāo)定模型保持一致。壓氣機(jī)進(jìn)口端壁導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分見圖6。

圖6 壓氣機(jī)進(jìn)口端壁導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壓氣機(jī)特性結(jié)果

針對(duì)建立的數(shù)值仿真模型進(jìn)行計(jì)算，選定 70 000 r/min、80 000 r/min和90 000 r/min為計(jì)算對(duì)象，采用相同的收斂性判定準(zhǔn)則進(jìn)行性能計(jì)算。圖7是不同轉(zhuǎn)速情況下無預(yù)旋導(dǎo)葉和預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖。從流量-壓比的性能曲線可以看出，正預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機(jī)的阻塞流量和喘振流量向小流量方向偏移，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉在流量特性上與正預(yù)旋剛好相反，使壓氣機(jī)特性向大流量工況偏移。以中間轉(zhuǎn)速80 000 r/min為例，存在正預(yù)旋導(dǎo)葉時(shí)，離心壓氣機(jī)堵塞流量偏移6.0%，喘振流量偏移14.4%。同樣在該運(yùn)行轉(zhuǎn)速，存在負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉時(shí)，離心壓氣機(jī)堵塞流量偏移1.8%，喘振流量偏移4.0%。從流量-效率特性可以看出正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠提升離心壓氣機(jī)最高效率和小流量工況下的效率特性，低速時(shí)最高效率可提升0.5個(gè)百分點(diǎn)。負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使離心壓氣機(jī)效率大幅度下降，最高效率最多可下降約4個(gè)百分點(diǎn)。

圖7 不同壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速下仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 內(nèi)部流動(dòng)特性分析

為了探明離心壓氣機(jī)特性變化的產(chǎn)生機(jī)理，以80 000 r/min為研究對(duì)象，分析不同工況點(diǎn)(堵塞、最高效率、小流量工況)的內(nèi)部流動(dòng)特性變化。

3.2.1 堵塞工況分析

圖8給出了無預(yù)旋導(dǎo)葉、負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉和正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)葉輪90%葉高的相對(duì)馬赫數(shù)分布。從圖中結(jié)果可以看出，對(duì)于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)，在葉輪主葉片和分流葉片吸力面存在高馬赫數(shù)區(qū)域，主葉片的前緣處有一道脫體曲線激波，這道激波的下半截伸向相鄰葉片的吸力面延伸，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǖ兰げ?，且大體上接近于正激波的形狀。由于進(jìn)口預(yù)旋導(dǎo)葉的存在，激波的形態(tài)發(fā)生了較大的變化，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使激波增強(qiáng)，正預(yù)旋導(dǎo)葉可以降低主葉片前緣的激波強(qiáng)度。由于激波的增強(qiáng)帶來了額外的流動(dòng)損失是流量-效率特性上負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使效率降低的原因。在葉輪出口處，無預(yù)旋和預(yù)旋影響的離心壓氣機(jī)均存在低能流團(tuán)，主要是受葉頂分離流動(dòng)和出口分離流動(dòng)影響產(chǎn)生的。正預(yù)旋和無預(yù)旋離心葉輪低能流團(tuán)分布差異不大，負(fù)預(yù)旋進(jìn)口的離心葉輪低能流團(tuán)分布范圍略有降低。

圖8 堵塞工況葉輪90%葉高相對(duì)馬赫數(shù)分布

圖9為葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角隨葉高位置(沿葉高由輪穀到輪蓋方向)的變化圖。由圖9可以看出，進(jìn)口預(yù)旋導(dǎo)葉的存在明顯改變了葉輪進(jìn)口60%葉高位置以上范圍的相對(duì)氣流角，這與導(dǎo)葉徑向高度相對(duì)應(yīng)。負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使該區(qū)域氣流角絕對(duì)值增大，而正預(yù)旋作用相反，降低了進(jìn)口相對(duì)氣流角的絕對(duì)值。葉片進(jìn)口角為62°，從圖中可以看出正預(yù)旋能夠使得入流氣流沖角變小，從而帶來效率的提升。

圖9 堵塞工況葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角隨葉高位置變化

圖10是葉輪進(jìn)口相對(duì)速度隨葉高位置的變化圖。從圖10中可以看到，預(yù)旋導(dǎo)葉在改變了葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角的同時(shí)，也改變了進(jìn)口的相對(duì)速度分布，相比于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使進(jìn)口速度增加，正預(yù)旋導(dǎo)葉則降低了進(jìn)口的速度分布。速度的增加使得堵塞流量增加，這與壓比-流量特性上預(yù)旋導(dǎo)葉的作用相對(duì)應(yīng)，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉增加了堵塞流量，而正預(yù)旋導(dǎo)葉使堵塞流量略有降低。

圖10 堵塞工況葉輪進(jìn)口相對(duì)速度隨葉高位置變化

3.2.2 最高效率工況分析

從流量-效率變化曲線(圖7)可以看出，對(duì)于分析對(duì)象80 000 r/min，相比于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)，正預(yù)旋導(dǎo)葉可以使壓氣機(jī)最高效率有所提升，而負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機(jī)效率明顯下降。下面將從內(nèi)部流動(dòng)特性分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

圖11給出了最高效率工況葉輪子午面靜熵分布。從圖11可以看出，高熵區(qū)主要位于葉輪葉頂部分，影響范圍約占子午通道面積的1/5,從葉輪進(jìn)口一直延伸至葉輪出口，這說明在最高效率工況，造成通道內(nèi)流動(dòng)損失的主要原因在于葉頂間隙泄露和主流道流動(dòng)。對(duì)比3種情況，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉造成葉輪通道流道損失最大，正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)葉輪最小。

圖11 最高效率工況葉輪子午面靜熵分布

圖12是最高效率工況葉輪表面的靜熵分布。葉輪表面的靜熵主要體現(xiàn)流體與葉輪表面的摩擦損失的大小，從圖12中可以看出，葉輪表面的高熵區(qū)主要位于葉輪進(jìn)口吸力面葉頂處，隨著葉高的降低，流體速度降低，摩擦損失變小。相比于無預(yù)旋導(dǎo)葉離心葉輪，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉離心葉輪葉頂高熵區(qū)峰值及區(qū)域明顯增大，而正預(yù)旋導(dǎo)葉所起作用剛好相反，能夠有效降低葉輪葉頂部分的高熵區(qū)域。結(jié)合圖11的分析結(jié)果，可以清晰地解釋預(yù)旋導(dǎo)葉在流量-效率上所體現(xiàn)的變化趨勢(shì)。

圖12 最高效率工況葉輪表面靜熵分布

造成效率特性變化原因主要是進(jìn)口導(dǎo)葉所起的作用。圖13給出了最高效率工況葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角隨葉高位置變化情況，與堵塞點(diǎn)分布相類似(圖9)，進(jìn)口預(yù)旋導(dǎo)葉改變了葉輪進(jìn)口60%葉高位置以上范圍的相對(duì)氣流角，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使該區(qū)域氣流角絕對(duì)值增大，而正預(yù)旋降低了進(jìn)口相對(duì)氣流角的絕對(duì)值，從而使葉輪進(jìn)口氣流沖角與葉輪設(shè)計(jì)值相對(duì)應(yīng)，使效率得到了提升。

圖13 最高效率工況進(jìn)口相對(duì)氣流角隨葉高位置變化

3.2.3 小流量工況分析

對(duì)于小流量工況，從離心壓氣機(jī)的特性曲線(圖7)可以明顯看出， 正預(yù)旋導(dǎo)葉帶來了壓氣機(jī)穩(wěn)定性的明顯提升。圖14是小流量工況葉輪子午面流線分布曲線。從圖14中可以看出，離心壓氣機(jī)在接近喘振工況時(shí)，葉輪通道內(nèi)產(chǎn)生了大面積的回流區(qū)域，回流區(qū)域基本占了子午通道面積的1/3，葉輪通道逆壓流動(dòng)和間隙泄漏結(jié)合效應(yīng)明顯。負(fù)預(yù)旋與無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)類似，流動(dòng)情況惡劣，壓氣機(jī)葉輪子午通道內(nèi)部存在兩個(gè)明顯的回流渦團(tuán)，分別存在于壓氣機(jī)進(jìn)口和中后部的位置。而正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況略優(yōu)于上述二者，葉輪進(jìn)口渦團(tuán)的延伸擴(kuò)展趨勢(shì)得到了明顯的抑制，葉輪中后部雖流動(dòng)紊亂，但沒有形成明顯的渦旋。

圖14 小流量工況葉輪子午面流線分布

與圖14內(nèi)部流動(dòng)情況相對(duì)應(yīng)，圖15所示為葉輪子午面湍動(dòng)能分布。湍動(dòng)能是衡量湍流強(qiáng)度的指標(biāo)。從圖15中可以看出，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部湍動(dòng)能最強(qiáng)，無預(yù)旋次之，正預(yù)旋最弱，這說明正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠有效改善小流量工況點(diǎn)離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。圖16是小流量工況葉輪子午面靜熵分布云圖。流動(dòng)損失與葉輪內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)息息相關(guān)，從前述結(jié)果來看，由于葉片葉頂處的流動(dòng)狀態(tài)變差，導(dǎo)致了流動(dòng)損失的加劇。

圖15 小流量工況葉輪子午面湍動(dòng)能分布

圖16 小流量工況葉輪子午面靜熵分布

圖17是小流量工況葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角隨葉高位置變化圖。受進(jìn)口回流渦團(tuán)的影響，氣流角相比于之前工況變化較大，對(duì)應(yīng)回流區(qū)域內(nèi)(≥80%葉高位置)相對(duì)氣流角絕對(duì)值先增加后減小。在導(dǎo)葉影響區(qū)域內(nèi)(≥60%葉高位置)，正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)進(jìn)口氣流角絕對(duì)值最小，因而有效地改善了離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。

圖17 小流量工況葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角隨葉高位置變化

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析可以看出，壓氣機(jī)進(jìn)口布置正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠使性能整體向小流量區(qū)域偏移并提升其最高效率，負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使性能變差。因此，針對(duì)正預(yù)旋導(dǎo)葉進(jìn)行了樣件加工，為了保證進(jìn)口狀態(tài)的可對(duì)比性，同樣加工了無導(dǎo)葉的進(jìn)口連接管，樣件實(shí)物如圖18所示。

圖18 進(jìn)口端壁正預(yù)旋導(dǎo)葉與無導(dǎo)葉裝置樣件

將正預(yù)旋導(dǎo)葉與無導(dǎo)葉裝置分別安裝至渦輪增壓器離心壓氣機(jī)入口，分別進(jìn)行性能試驗(yàn)及結(jié)果的對(duì)比分析。離心壓氣機(jī)樣件如圖19所示。

圖19 離心壓氣機(jī)試驗(yàn)樣件

試驗(yàn)時(shí)通過外氣源提供空氣進(jìn)入燃燒室燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)庖则?qū)動(dòng)渦輪，從而帶動(dòng)離心壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)。從壓氣機(jī)大流量端開始數(shù)據(jù)采集，直至接近壓氣機(jī)的喘振工況。每一等轉(zhuǎn)速線需測(cè)量不少于6個(gè)工況點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)除喘振點(diǎn)外，其他工況點(diǎn)需穩(wěn)定3 min～5 min后再采集參數(shù)。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖20所示。

圖20 離心壓氣機(jī)性能對(duì)比結(jié)果

通過圖20的進(jìn)口端壁正預(yù)旋導(dǎo)葉與無導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)的性能對(duì)比結(jié)果可以看出，離心壓氣機(jī)的MAP整體向小流量偏移，在偏小流量工況下的壓氣機(jī)效率得到了明顯的提升。以壓比2.3時(shí)為例，無預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)流量范圍0.23 kg/s～0.53 kg/s,具有正預(yù)旋導(dǎo)葉離心壓氣機(jī)流量范圍0.19 kg/s～0.52 kg/s,流量范圍擴(kuò)大率為10%。以流量0.25 kg/s為例，效率由78%提升至80%。所得試驗(yàn)結(jié)果基本與仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

(1) 正預(yù)旋導(dǎo)葉使壓氣機(jī)的阻塞流量和喘振流量向小流量方向偏移，可有效提升離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。而負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉在流量特性上與正預(yù)旋剛好相反，使壓氣機(jī)特性向大流量工況偏移。

(2) 正預(yù)旋導(dǎo)葉能夠提升離心壓氣機(jī)最高效率和小流量工況下的效率特性，依據(jù)仿真結(jié)果可以看出低速時(shí)離心壓氣機(jī)最高效率可提升0.5個(gè)百分點(diǎn)。負(fù)預(yù)旋導(dǎo)葉使離心壓氣機(jī)效率大幅度下降，最高效率最多可下降約4個(gè)百分點(diǎn)。

(3) 進(jìn)口預(yù)旋導(dǎo)葉的存在明顯改變了葉輪進(jìn)口的相對(duì)氣流角。正預(yù)旋能夠使得入流氣流沖角變小，從而帶來效率的提升；負(fù)預(yù)旋會(huì)使壓氣機(jī)效率特性變差。

(4) 從研究結(jié)果來看，雖然正預(yù)旋導(dǎo)葉使離心壓氣機(jī)堵塞流量略有降低，但是效率和穩(wěn)定性提升顯著，可以作為調(diào)整離心壓氣機(jī)特性的有效手段。