徐弘歷

（中國航發(fā)湖南航空動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

斜流風(fēng)機(jī)由于其獨(dú)特的流道方式，兼具了離心風(fēng)機(jī)的高壓比、寬裕度以及軸流風(fēng)機(jī)的大流量、高效率等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于紡織、冶金、航空以及電力等領(lǐng)域[1]。國外研究學(xué)者Kaneko等[2]率先針對斜流風(fēng)機(jī)開展了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測量與流動控制研究。而國內(nèi)對斜流風(fēng)機(jī)的研究起步較晚，其中吳克啟等[3]開展的斜流風(fēng)機(jī)三元設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)工作為國內(nèi)斜流風(fēng)機(jī)研究奠定了基礎(chǔ)；隨著數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展，游斌等[4]系統(tǒng)性研究表明對常規(guī)斜流葉輪進(jìn)行前緣彎掠設(shè)計(jì)能有效擴(kuò)大喘振裕度以及減弱下游尾跡；高星等[5]數(shù)值模擬研究表明斜流葉輪強(qiáng)根部設(shè)計(jì)有利于減少內(nèi)部流動損失和改善出口流場的均勻性；侯志泉等[6]研究機(jī)車用斜流風(fēng)機(jī)時發(fā)現(xiàn)增加葉輪葉片進(jìn)口角和出口角能明顯改善葉根壓力面流動分離。

針對航空排砂用斜流風(fēng)機(jī)的研究很少，僅有美國通用公司早年撰寫的報(bào)告作了功能概述[7]。該型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于在控制尺寸和重量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)高效低損葉片，同時保證葉片耐磨蝕，因此本文在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)上，開展排砂用斜流風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計(jì)研究，對流道及葉片進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)與流動機(jī)理研究，為排砂風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。

1 數(shù)值校核

1.1 研究對象

本文研究的排砂用斜流風(fēng)機(jī)流道如圖1所示，由進(jìn)口段、斜流葉輪、斜流靜子及出口段組成，其中葉輪包含3個主葉片和3個分流葉片，靜子包含13個葉片。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 斜流風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 某斜流風(fēng)機(jī)構(gòu)型

1.2 數(shù)值方法

計(jì)算域取周期葉片單元，即葉輪通道取1片主葉片和1片分流葉片，靜子通道取1片靜葉。圖2為TurbGrid軟件生成的計(jì)算域網(wǎng)格，葉片區(qū)域采用O型網(wǎng)格，其他流道采用H型網(wǎng)格。壁面第一層網(wǎng)格高度為6×10-6m保證y+＞30，網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)確定網(wǎng)格為180萬。在CFX數(shù)值模擬中采用k-ε湍流模型；壁面絕熱無滑移，葉輪區(qū)選取旋轉(zhuǎn)系，流域交接面采用混合平面法交換數(shù)據(jù)。進(jìn)口邊界給定總溫（288.2 K）和總壓（99 925 Pa），出口邊界給定靜壓。

圖2 風(fēng)機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格

對比原型風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示，數(shù)值計(jì)算壓比和效率特性整體略高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但計(jì)算獲得壓比特性和效率特性與試驗(yàn)值吻合度都比較好，最大偏差不超過5%，計(jì)算精度可保證流場分析的準(zhǔn)確性。

圖3 原始風(fēng)機(jī)計(jì)算與試驗(yàn)性能對比

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 子午流道

由圖4可知，葉輪進(jìn)口采用前掠設(shè)計(jì)，并整體抬升了葉輪出口半徑，以期減小葉輪內(nèi)部氣流的周向轉(zhuǎn)折角；加寬轉(zhuǎn)靜子間距，增加了靜子進(jìn)口環(huán)面面積，以降低靜子進(jìn)口馬赫數(shù)；斜流靜子出口軸向距離保持不變，流道光順處理以增加曲率半徑。

圖4 子午流道改進(jìn)前后對比

2.2 葉輪葉片

葉輪葉片造型采用結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的直紋葉片；由于葉輪進(jìn)口前掠，以及出口半徑的增加，導(dǎo)致葉輪進(jìn)口幾何角發(fā)生變化，葉輪進(jìn)出口幾何角β由一維設(shè)計(jì)確定，如圖5所示，葉尖幾何角沿流向近似均勻分布，而葉根采取了類似離心壓氣機(jī)的后彎葉片幾何角分布，后彎角為35°。

圖5 改進(jìn)前后幾何角對比

2.3 靜子葉片

原靜葉負(fù)荷量級小，尖部設(shè)計(jì)太“輕松”了，而根部超負(fù)荷運(yùn)行，擬通過調(diào)整葉片負(fù)荷的徑向分布給根部減負(fù)，抑制根部角渦發(fā)展來改善流動。在三維葉型設(shè)計(jì)中，徑向載荷受徑向密流影響極大，常采用葉片彎、掠和傾等調(diào)整手段，其中掠技術(shù)會加大軸向長度，不作考慮。正彎葉片產(chǎn)生由中部指向兩側(cè)端壁的葉片力徑向分量，正傾葉片產(chǎn)生由輪蓋指向輪轂的葉片力徑向分量，因此對靜葉采用正彎正傾綜合設(shè)計(jì)。由于斜流靜子進(jìn)口馬赫數(shù)較低，故采用類NACA翼型的設(shè)計(jì)方法，圖6為斜流靜子葉片的幾何角分布。

圖6 靜子葉片幾何角分布

3 性能分析

利用三維仿真獲得100%轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)性能特性，如圖7所示，改進(jìn)風(fēng)機(jī)壓比和效率特性向右上方移動，其中最大壓比提升了1.7%，峰值效率提升了9%，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率提升到0.7，而最大功率下降了3.4 kW，達(dá)到改進(jìn)目標(biāo)。改進(jìn)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場狀況良好，如圖8所示，通過控制葉輪葉片葉尖進(jìn)口吸力面曲率減小程度和低曲率段長度，有效避免了吸力面上的二次流加速，同時壓力面分離也較弱；靜子葉片根部的低速分離區(qū)明顯得到抑制。

圖7 風(fēng)機(jī)改進(jìn)前后特性對比

圖8 改進(jìn)后風(fēng)機(jī)流場速度矢量

圖9為靜子輪轂表面剪切應(yīng)力分布增加二次流動的發(fā)展，在吸力面中游形成明顯的分離線，在原始靜子通道存在較大的渦，對下游產(chǎn)生了極大影響，渦誘導(dǎo)速度使得下游出現(xiàn)回流，并使下游跨通道的剪切應(yīng)力線出現(xiàn)分叉而形成三維附著線；而改進(jìn)靜子通道中渦狀分布大為減弱，三維附著線位置提前，回流減小，提升區(qū)域流動性能。

圖9 靜子輪轂剪切應(yīng)力線分布

4 結(jié)論

本文提出了渦軸發(fā)動機(jī)排砂用斜流風(fēng)機(jī)的性能提升改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，主要結(jié)論如下。

（1）減小葉輪葉片偏置角可控制吸力面氣流二次加速及壓力面低速流動分離；靜葉正彎正傾設(shè)計(jì)能有效削弱通道渦，增強(qiáng)流線附著，抑制根部回流和中部流動分離，提升區(qū)域流動性能。

（2）改進(jìn)后，風(fēng)機(jī)最大壓比提升了1.7%，峰值效率提升了9%，最大功率下降3.4 kW。