王憲磊,劉欣源,張強,佟鼎,王依寧,趙洋

(1.中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術(shù)重點實驗室,天津 300400;2.廊坊舒暢汽車零部件有限公司,河北 廊坊 065000)

隨著離心壓縮機在石油化工、制冷系統(tǒng)、渦輪增壓器、微型燃氣輪機等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,用戶對其性能的要求也越來越高,因此,不斷提高離心壓縮機性能是研究人員面臨的問題。研究某些幾何特征對離心壓氣機性能的影響,進而采取措施來提高離心壓氣機的效率和壓比,擴大其穩(wěn)定工況范圍,是研究人員采用的重要方法[1]。

20世紀初期,葉片掠首先在軸流壓氣機中得到應(yīng)用,至今已進行了很多相關(guān)研究。葉片掠效應(yīng)的早期研究是應(yīng)用葉片后掠來提高性能,Hah等[2]通過對跨聲速風(fēng)機研究發(fā)現(xiàn),葉片前掠和后掠對風(fēng)機效率影響不大,但前掠可以增加風(fēng)機的失速裕度,后掠則減小風(fēng)機的失速裕度。Jang等[3]通過葉片的彎、傾、掠對一個跨聲速軸流壓縮機進行了優(yōu)化,最優(yōu)的葉輪內(nèi)部流動分離和激波強度減小,效率提高,其中葉片彎曲是提高葉輪效率最有效的方法。與軸流壓縮機相比,關(guān)于離心壓縮機葉片前緣掠的氣動效應(yīng)的研究比較有限。Hazby等[4]研究得出,前掠可以使壓縮機的效率更高、穩(wěn)定工況范圍更寬,后掠與之相反。Krain等[5]則通過葉片前緣后掠得到了更高的效率和更大的堵塞流量。Ganes等[6]通過改變前掠角和后掠角,發(fā)現(xiàn)掠效應(yīng)與掠角大小有關(guān),前掠和后掠各有優(yōu)勢。Xu等[7]發(fā)現(xiàn)離心葉輪葉片前緣傾對葉輪的性能有很大影響,前傾和后傾均能提高葉輪的最高效率,但后傾得到的效率更高,前傾得到的穩(wěn)定工況范圍更大。

由上述研究可知,葉尖前掠和后掠在對壓氣機性能影響上的表現(xiàn)各不相同,葉尖前掠葉形對壓氣機壓比性能有顯著影響。本研究重點針對全工況范圍下壓氣機壓比性能的顯著提升[8-12],以標(biāo)定后的無傾掠離心葉輪為基礎(chǔ)研究對象,在離心葉輪葉片前緣處沿子午面弦長方向進行葉尖前掠的葉形傾掠調(diào)整,通過詳細的CFD仿真分析,探明不同葉尖前掠角的葉輪對離心壓氣機內(nèi)部激波特性以及失穩(wěn)狀態(tài)下的內(nèi)部流動分離特性變化的影響規(guī)律,揭示葉尖前掠葉形對壓氣機特性的影響機理,通過進一步對前緣傾掠葉形優(yōu)化調(diào)整,實現(xiàn)離心壓氣機性能的提升。

1 數(shù)值仿真模型

本研究選取了具有完整試驗數(shù)據(jù)的某高壓比增壓器離心壓氣機葉輪,葉輪具體參數(shù)見表1。該葉輪為傳統(tǒng)進出口無掠葉形,用于初始CFD模型標(biāo)定,本研究CFD模型均參照此葉輪的模型網(wǎng)格尺度設(shè)置。模型包含了離心葉輪、無葉擴壓器和蝸殼。為了保證計算模型的精度,利用試驗數(shù)據(jù)對壓氣機葉輪三維數(shù)值計算模型進行了標(biāo)定。

表1 離心壓氣機葉輪基本參數(shù)

離心壓氣機葉輪由8支長葉片與8支短葉片組成,三維模型及子午面見圖1。

圖1 離心壓氣機葉輪及子午面視圖

圖2示出計算所采用的葉輪及蝸殼網(wǎng)格模型。采用TurboGrid進行葉輪網(wǎng)格劃分,并進行周向的網(wǎng)格復(fù)制,其他幾何部分網(wǎng)格劃分在Workbench ICEM中進行,總網(wǎng)格數(shù)為520萬,其中葉輪網(wǎng)格數(shù)為380萬。

性能試驗和CFD仿真得到的壓氣機特性如圖3所示。

圖3 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn),在各個轉(zhuǎn)速下,CFD能夠較為準確地預(yù)測出對應(yīng)的最高效率點和堵塞點位置。仿真結(jié)果的最大效率值比試驗結(jié)果高約3個百分點,壓比值略高。

從整個工況來看,在各個轉(zhuǎn)速下效率和壓比隨流量的變化趨勢基本一致,且誤差在可以接受的范圍內(nèi),證明選取的數(shù)值計算方法是可信的,在之后的研究均采用相同的網(wǎng)格模型尺度、計算方法及收斂判斷準則,只是計算域的邊界條件設(shè)置有所不同。

2 仿真計算結(jié)果分析

2.1 葉片前緣傾掠對壓氣機性能的影響

壓氣機主葉片前緣前掠對壓氣機性能和內(nèi)部流動的影響不涉及分流葉片掠形問題。利用 Bladegen 軟件在進口無掠葉形的基礎(chǔ)上設(shè)計了3種不同前緣前掠角(5°,10°,15°)的離心壓氣機,具體如圖4和圖5所示。

圖4 葉尖前掠子午面

圖5 葉尖前掠三維模型

為了驗證葉尖前掠對葉輪最高等熵效率和壓比的提升效果,基于原型葉輪,分別對葉尖前掠角為5°,10°和15°的葉輪進行三維建模,建立相應(yīng)的計算網(wǎng)格,保證擴壓器、蝸殼幾何及網(wǎng)格與研究內(nèi)容一致。為了得到壓氣機的計算特性曲線,在70 000 r/min的轉(zhuǎn)速下,逐漸提高出口背壓,利用上一個背壓的收斂值作為下一個背壓的初場,直至壓比出現(xiàn)下降或者全局收斂殘差波動非常大時停止。通過數(shù)值計算進行仿真模擬試驗,且網(wǎng)格處理精度保持一致。性能試驗和CFD仿真得到的壓氣機特性如圖6所示。

圖6 不同葉尖前掠角下的計算結(jié)果對比

通過對不同葉尖前掠角模型的計算結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)壓氣機葉輪的流量范圍隨葉尖前掠角的增大而拓寬,壓比及效率也隨之增大。結(jié)果表明：在葉片前緣處沿子午面弦長方向進行葉尖前掠處理,會使壓氣機的流量裕度、壓比及效率得到提升。

通過圖6壓比特性對比可以看出,隨著壓氣機前掠角的增加,在全工況范圍內(nèi),壓氣機的壓比都得到了一定程度的提升。通過效率對比結(jié)果可以看出,由于流量范圍的提升,所對應(yīng)峰值效率的流量點向大流量偏移,相較于無掠葉形,在大流量工況,峰值效率略有提升,在經(jīng)過峰值效率點以后的小流量工況,并不存在明顯的隨前掠角變化的有規(guī)律的趨勢。從仿真結(jié)果來看,前掠角為5°的葉形在小流量工況的效率要略優(yōu)于其他葉形。

為了分析造成上述性能變化的機理,下面將對葉輪內(nèi)部的流動狀態(tài)進行詳細分析。

1) 堵塞工況

圖7示出了 4 種方案在堵塞工況下 95%葉高截面相對馬赫數(shù)(Ma)分布云圖。在葉輪通道中存在兩道明顯激波,每個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,為通道激波,并大體上接近于正激波的形狀。脫體曲線激波的上半段為外伸激波,一直伸向葉片列的右上方。分流葉片前緣的吸力面同樣存在一道通道激波。通過圖7可以看出,主葉片前緣的脫體激波強度隨著前掠角的增加得到了一定程度的改善,分流葉片的通道激波同樣得到了一定程度的降低。葉片前緣前掠在堵塞工況下對葉頂附近激波強度有明顯減弱趨勢,相比于無掠葉形,前掠能夠有效減少由激波帶來的損失,對應(yīng)的效率特性也印證了這種特征。

圖7 堵塞工況下95%葉高相對Ma云圖

由于葉頂間隙流與激波過后的亞聲速氣流摻混,對分流葉片兩側(cè)氣流造成影響,使得分流葉片兩側(cè)形成大范圍的低能流團。低能流團主要附著在分流葉片兩側(cè),對通道下游形成氣流堵塞。隨著前掠角的增大,分流葉片壓力面?zhèn)刃纬傻牡湍芰鲌F強度明顯減弱,這也能夠?qū)Χ氯髁康脑黾悠鸬揭欢ǖ淖饔?。由此可?主葉片前掠對葉頂間隙泄漏流也有所改善,并且這種改善效果隨掠角的增加而增強。

圖8示出堵塞工況葉輪子午面的熵增分布圖。從圖8中可以看出熵的演變規(guī)律,高熵區(qū)在葉輪中部位置以后,由葉頂區(qū)域逐漸向葉輪通道內(nèi)擴展。雖然通道激波損失隨著前掠角的增加而增強,但是通過激波損失估算公式可估算出激波損失在葉輪總損失中占比非常小,而葉輪通道內(nèi)的流動損失是總體損失的主要部分。從馬赫數(shù)的分析結(jié)果可以看出,低能流團主要附著在分流葉片兩側(cè),所對應(yīng)的熵增分布也說明了這一點。從總體熵增分布情況來看,隨著前掠角的增加高,熵區(qū)減少,因此,所對應(yīng)的離心壓氣機效率是升高的。

圖8 堵塞工況下子午面靜熵分布

圖9示出堵塞工況下無掠和前掠葉形95%葉高湍動能云圖。湍動能是衡量湍流強度和湍流混合能力的重要指標(biāo),通過計算結(jié)果可以看出,對于目標(biāo)跨聲速離心壓氣機內(nèi)部流動,在葉輪通道葉頂區(qū)域膨脹發(fā)展以后,湍流強度在葉輪出口處達到最大,這部分區(qū)域主要分布在主葉片壓力面和分流葉片的吸力面之間。結(jié)合圖7該葉高處的馬赫數(shù)分布可以進一步分析,對于跨聲速離心壓氣機內(nèi)部流動,通道激波對間隙渦的發(fā)展具有重要的影響。激波表現(xiàn)為強間斷和大的逆壓梯度,波前的流體膨脹和波后的流體壓縮會加速間隙渦的破裂,從而使得間隙泄漏的效應(yīng)在葉片后半部分達到最大,從而間隙泄漏流動與激波作用相互結(jié)合,使得二次流的發(fā)展在此區(qū)域得到增強,湍流強度增加。從計算結(jié)果來看,隨著前掠角的逐漸增加,湍流強度能夠得到一定程度的降低,這是因為前緣前掠使葉片葉頂軸向弦長變長,葉片單位長度負荷減小,因而更不易發(fā)生失速,降低了這部分效應(yīng)與間隙泄漏的結(jié)合。

2) 最高效率工況

圖10示出4 種方案最高效率工況下95%葉高相對馬赫數(shù)云圖。通過計算結(jié)果可以看出,在主葉片前緣均存在一道斜激波,同時在通道下游存在大范圍的低速能團。隨著前緣掠角增大,主葉片前緣附近產(chǎn)生的斜激波強度有所增強,這主要是因為前掠角的增加造成堵塞流量增加,對應(yīng)的最高效率點向大流量偏移,對于內(nèi)部流體工質(zhì)其相對速度是增加的,所以相對馬赫數(shù)略有提高。對應(yīng)的大范圍低速能團主要分布在分流葉片的兩側(cè),隨著前掠角的增加,分流葉片吸力面低能流團逐漸減弱,而壓力面的低能流團得到增強,這主要是因為前掠使葉頂軸向弦長增大,主葉片的葉間泄漏效應(yīng)沿葉展向下游擴展。

圖11示出最高效率工況葉輪子午面的熵增分布圖。對于所計算的4種工況,高熵區(qū)在葉輪中部位置,從總體熵增分布情況來看,隨著前掠角的增加,高熵區(qū)的分布區(qū)減少,因此,所對應(yīng)的離心壓氣機效率略有升高。

圖11 最高效率工況下子午面靜熵分布

由于壓氣機氣流經(jīng)歷了擴壓過程,真實流動很復(fù)雜。黏性和復(fù)雜的幾何形狀引起各種形式的二次流,并表現(xiàn)為不同的渦系,由此形成的流動有很強的三維性和有旋性,因此分析壓氣機內(nèi)部的二次流變化特征能夠進一步揭示內(nèi)部氣流的流動狀態(tài)。沿葉輪通道流動方向,劃分近似與主流方向垂直的4個截面(A—D),如圖12所示。

圖12 通道截面劃分示意

圖13示出了最高效率工況葉輪內(nèi)部選定截面的流線圖譜。根據(jù)流線狀態(tài)可以看出,在葉輪進口處近葉根部分出現(xiàn)通道渦,該通道渦靠近主葉片吸力面,沿流動方向逐漸減弱擴散并消失。該通道渦隨著前掠角的增加而逐漸增強,主要是由于葉輪前掠角增加,使得葉輪沿徑向距離增加,進而該部分流動出現(xiàn)較大的速度梯度,造成了流動的分離。

圖13 最高效率工況葉輪內(nèi)部不同截面流線圖譜

隨著流動在葉輪通道內(nèi)的進一步發(fā)展,在葉頂附近形成較強的間隙渦,無掠角的情況下可以非常明顯看到間隙渦的發(fā)展,隨著前掠角的增加,間隙泄漏現(xiàn)象得以緩解和改善。在近葉輪出口位置4 種葉輪截面二次流的渦結(jié)構(gòu)相同,說明前緣前掠對二次流產(chǎn)生的影響已經(jīng)消除。通過以上分析得出,葉片前緣前掠對葉輪內(nèi)部二次流的影響主要集中在葉頂間隙泄漏流及通道渦的重新分布上,對葉輪出口影響較小,前掠能夠改善泄漏渦的形態(tài),但是也帶來了進口通道渦的增強,這部分分析將為自由掠葉形設(shè)計提供相應(yīng)的依據(jù)。

3) 小流量工況

圖14和圖15示出了小流量工況葉輪內(nèi)部流線圖和葉輪進口流線圖,結(jié)合對比壓氣機壓比特性和效率特性,可知壓氣機在小流量工況整體內(nèi)部流動特征無特異化差別,流動狀態(tài)基本類似,說明葉片前掠主要影響了壓氣機的偏大流量工況的特性。

圖14 小流量工況葉輪內(nèi)部流線圖

圖15 小流量工況葉輪進口流線圖

綜上所述,通過對不同葉尖前掠角度葉形的壓氣機性能仿真計算及內(nèi)部流場特性的分析,考慮到葉輪結(jié)構(gòu)強度等因素,為實現(xiàn)壓氣機性能的進一步提升,以葉尖前掠10°的葉輪為模型,進行優(yōu)化設(shè)計研究。

2.2 基于葉片前緣傾掠的葉形優(yōu)化

通過主葉片前緣進口掠型的結(jié)果分析可知,壓氣機葉輪前緣前掠能夠一定程度上改善壓氣機的特性,能夠增加壓氣機的壓比和堵塞流量,在一定程度上改善壓氣機的效率。為進一步優(yōu)化葉輪進口流動特性,在葉尖前掠10°的葉輪模型基礎(chǔ)上,采用自由掠葉形改善葉輪內(nèi)部流動特性,具體措施如圖16所示。

圖16 主葉片前緣自由掠葉形示意

以葉片葉尖前掠10°葉形為優(yōu)化基礎(chǔ),將主葉片子午面進口進行波形處理,通過BladeGen軟件逐層調(diào)節(jié)葉片的角度分布及厚度分布,從而得到本節(jié)研究的自由掠葉形葉輪模型。

采用如圖16所示的自由掠葉形的出發(fā)點在于通過前緣自由掠葉形改變前緣激波形態(tài),以更加適應(yīng)進口的流動,降低流動損失。由前文的分析可知,前緣前掠葉形在最高效率點損失在前緣葉頂處明顯增強,因此擬采用前緣自由掠優(yōu)化該部分。

自由掠、前緣前掠葉形和無掠葉形壓比和效率特性曲線對比如圖17和圖18所示。從圖中可以看出,自由掠葉形相較于前緣前掠葉形在性能上又得到一定程度的改善。在全工況范圍內(nèi)壓比提升,隨著轉(zhuǎn)速的提高,壓比提升更加明顯,效率在中低轉(zhuǎn)速得到了一定程度的提升。而在高轉(zhuǎn)速70 000 r/min,中小流量工況時,自由掠葉形的效率較前緣前掠葉形要高,而在堵塞流量工況時自由掠葉形的效率比前緣前掠葉形低。對于流量范圍,自由掠葉形在中低轉(zhuǎn)速與前緣前掠葉形堵塞流量相當(dāng),而在高轉(zhuǎn)速下,堵塞流量略有下降。從穩(wěn)定性層面來看,自由掠葉形的流動穩(wěn)定性更好,所以在小流量的工況點表現(xiàn)更優(yōu),帶來的喘振流量能夠向小流量方向偏移。

圖18 自由掠、前緣前掠葉形和無掠葉形效率特性曲線對比

特性的變化印證了前述的研究內(nèi)容：采用前緣前掠能夠增加葉片的做功面積,帶來了壓比和穩(wěn)定性的提升,前緣自由掠葉形的采用,更加適應(yīng)進口的流動,降低流動損失,進而帶來效率的提升。

為了進一步分析內(nèi)部流動情況,針對70 000 r/min最高效率工況點,對比自由掠葉形與前緣前掠葉形葉輪內(nèi)部流動情況。

如圖19所示,根據(jù)葉片前緣掠型特性,沿葉高方向劃分4個等值面,分析葉片前緣的流動特征。

圖19 沿流道方向等值面示意

圖20示出了4個等值面馬赫數(shù)分布情況(自由掠與前緣前掠對比)。從圖中可以看出,隨著葉高的降低,馬赫數(shù)降低。相比于前緣前掠葉形,在相同葉高等值面上,自由掠葉形的激波強度都明顯降低。到50%葉高以下,自由掠葉形進口速度已經(jīng)低于1馬赫。說明采用自由掠葉形能夠改善進口的激波形式,有效地改進了葉輪進口的流動狀態(tài)。

圖20 流道內(nèi)不同葉高面相對馬赫數(shù)分布等值線圖

圖21示出兩種葉形壓力面與吸力面靜熵的分布形態(tài)。從靜熵的分布來看,兩種葉形在壓力面分布形式基本一致,自由掠葉形葉輪在輪中部的靜熵略低于前緣前掠葉形。差異主要體現(xiàn)在吸力面,吸力面氣流流速更大(可以從馬赫數(shù)的分布看出),由于自由掠葉形能夠改善葉片前緣上部的激波形態(tài),所以從熵增情況來看,該位置的靜熵值要更低,流動損失更小,在效率特性上能夠帶來改善和提升。

圖21 兩種葉形壓力面與吸力面靜熵分布

從圖17壓比特性的變化可以看出自由掠葉形能夠明顯帶來壓比的提升,葉輪出口總壓是衡量的表征因素。圖22示出了兩種葉形出口的總壓分布情況。從總壓分布情況來看,在壓力分布形式上,二者基本是一致的。

圖22 兩種葉形葉輪出口總壓分布

圖23示出兩種葉形60%葉高載荷分布的對比情況,總體上能夠反映自由掠葉形特性的改進情況。在進口位置,葉片吸力面表面靜壓突變,自由掠葉形要更低,表明激波強度降低;對于出口位置靜壓,自由掠葉形略微高于前緣前掠葉形,表明前緣自由掠葉形可以在一定程度上提升壓比。

圖23 兩種葉形60%葉高載荷分布對比

3 試驗驗證

在完成氣動驗證的基礎(chǔ)上,開展了離心壓氣機葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計和樣件加工,進而進行了兩種葉形葉輪的性能試驗對比分析。圖24示出前緣自由掠葉形葉輪的子午面圖及厚度分布。

圖24 葉輪厚度分布

在進行葉輪工程化應(yīng)用之前,需要對葉輪厚度分布進行優(yōu)化設(shè)計,并對優(yōu)化后的葉輪模型進行模態(tài)計算(見圖25),以測試該葉輪在標(biāo)況轉(zhuǎn)速下的自振頻率及整體應(yīng)力分布情況是否符合工程設(shè)計要求。

圖25 模態(tài)計算

通過計算可知,單葉片的倍頻比為3.8(大于3.5),其自振頻率符合工程設(shè)計要求。整體葉輪的應(yīng)力分布情況如表2所示,可見設(shè)計值均符合要求。因此,該葉輪設(shè)計方案可進行工程化應(yīng)用。

表2 葉輪應(yīng)力分布

加工樣件和試驗臺架如圖26所示。從圖27和圖28壓氣機性能試驗對比結(jié)果可以看出,在全工況范圍內(nèi),采用自由掠葉形的離心壓氣機性能全部得到改善,在65 000 r/min轉(zhuǎn)速下,壓比提升約4%,流量范圍提升約4%,最高等熵效率提升了0.2%。

圖28 效率性能試驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

a) 隨著壓氣機葉輪前緣前掠角的增加,在全工況范圍內(nèi),壓氣機的壓比和堵塞流量都得到了一定程度的提升,峰值效率得到一定的改善;

b) 采用前緣自由掠葉形更加適應(yīng)進口的流動,改善了葉輪進口的激波形態(tài),降低了流動損失,從而帶來效率的提升;

c) 試驗驗證結(jié)果表明：在全工況范圍內(nèi),采用自由掠葉形葉輪的離心壓氣機性能全部得到改善,在65 000 r/min轉(zhuǎn)速下,壓比提升約4%,流量范圍提升約4%,最高等熵效率提升了0.2%。