葉輪葉片后彎角對壓縮機內流場的影響分析

Effect of impeller blade back-sweep angle on internal characteristic of centrifugal compressor

賴晨光，段孟華，莊　嚴，陳小雄，陳永燕

LAI Chen-guang, DUAN Meng-hua, ZHUANG Yan, CHEN Xiao-xiong, CHEN Yong-yan

（重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400050）

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葉輪葉片后彎角對壓縮機內流場的影響分析

Effect of impeller blade back-sweep angle on internal characteristic of centrifugal compressor

賴晨光，段孟華，莊嚴，陳小雄，陳永燕

LAI Chen-guang, DUAN Meng-hua, ZHUANG Yan, CHEN Xiao-xiong, CHEN Yong-yan

（重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400050）

摘 要：利用CFD軟件對離心壓縮機的三維流場進行了數值模擬分析，并對離心壓縮機性能進行了分析。流場模擬的湍流模型采用RNG k-ε模型，離心壓縮機旋轉區與非旋轉區的耦合采用了MRF模型。在葉輪葉片后彎角變化從35°～55°對壓縮機的內流場進行分析，且旋轉流體邊界采用了滑移網格。得出了壓縮機內部流場的壓力及速度分布云圖，在此基礎上對壓縮機性能進行了對比分析。模擬結果有助于了解風機內流場的運動規律，為風機葉片的設計提供了參考。

關鍵詞：離心壓縮機；葉片后彎角；數值模擬；內流場；性能分析

0 引言

離心壓縮機是通過葉輪的轉動提高氣體的動能，再將動能轉化為壓力能的一種增壓機械[1]。由于結構緊湊，單級壓比高和工作范圍廣等特點，廣泛的應用于工業各領域。由于環保和節能要求日益緊迫，車用廢氣渦輪增壓器快速普及，壓縮機的輕量化、高壓比、高流量成為近年來研究的熱點[2]。其內流場的流動狀態非常復雜，常出現的流動現象有分離、渦流、脫流、尾跡和二次流等[3]，這些流動對壓縮機氣動性能有很大的影響。由于實驗成本、條件的限制，單純的憑借實驗手段測量流場細微結構很困難，甚至無法實現?；贑FD理論的壓縮機流場模擬被逐漸采用，成為了解優化壓縮機流場提高性能的重要技術手段[4～7]。本文在對壓縮機流場模擬的基礎上對不同葉片后彎角的離心壓縮機性能進行對比分析。

1 幾何模型與網格

本文離心壓縮機為單級離心壓縮機，它由離心葉輪、無葉擴壓器、蝸殼組成。離心葉輪由專業的ANSYS軟件BladeGen模塊建立，無葉擴壓器和蝸殼由CATIA建立。離心葉輪有6片主葉和6片副葉，均為徑向三元葉片，如圖1所示，圖中A，B，C，分別代表50°，45°，40°的后彎角葉片。

離心壓縮機結構示意圖如圖2所示，進口輪轂直徑D1為16mm，進口輪緣直徑D2為42.8mm，葉輪出口直徑D3為59.2mm，擴壓器收縮段直徑D4為82mm，擴壓器出口直徑D5為104mm，葉片安裝角為42°，設計轉速為120000rev/min，設計壓比為2.12，設計流量為0.115kg/s，葉片后彎角為優化參數，變化范圍從35°～55°。

圖1　離心壓縮機葉輪

圖2　離心壓縮機剖面示意圖

利用ANSYS前處理軟件ICEM對模型進行網格劃分，網格單元總數1093800，網格質量為0.3，如圖3所示。

2 數值模擬方法

本文計算采用能很好地解決速度修正值和壓力修正值不一致的問題的SIMPLEC算法，其較快的計算速度可使整體計算時間減少，并使用了RNG k-ε模型作為湍流模型。壓縮機入口為軸向質量流率入口，其大小為0.115Kg/s，入口溫度為288.15K；出口靜壓為預設值，其大小需要調試，再選取出口靜壓以便滿足設計壓比。經參數化求解，由圖4可知，預設出口靜壓值逐漸增加，壓比逐漸減小，當出口相對靜壓為145000Pa，壓縮機壓比達到設計壓比。壓縮機葉輪轉速為120000rev/ min，除旋轉葉輪外其他固面全部為靜止。通過改變壓縮機葉輪葉片后彎角且其他邊界條件不變來計算壓比。

圖3　幾何模型網格分布

圖4　預設出口靜壓的壓比特性

3 計算結果分析

3.1 壓縮機性能

本文研究后彎角是由于后彎葉輪加給氣體的能量主要為變壓力能，而動能只占小部分，因此后彎葉輪效率較高。文中計算了葉片后彎角從35°～55°在設計壓比和設計流量下的壓縮機壓比特性曲線，如圖5所示，在45°之前是后彎角越大，壓比越高，45°后彎角之后壓比逐漸降低。后彎角越大，離開轉子進入到擴壓器的動能就越小，流動損失將會減小；但過大的后彎角會使葉輪出口速度的不均勻程度變大，同時使出口氣流角偏大，惡化了壓縮機擴壓器的進口條件，使其效率降低，穩定工作范圍變窄，同時對壓縮機壓比有影響。

圖5　后彎角與壓比的關系

同時計算了不同葉片后彎角在不同轉速和不同流量下壓縮機壓比特性曲線，如圖6、圖7和圖8所示，轉速由70000增至140000rev/min，隨著葉輪轉速的增加，壓比值逐漸增大；入口流量增加的同時壓比隨之減小，直到達到喘振流量；在壓比隨轉速和流量的變化中，在40°～50°的范圍里，45°后彎角的壓比和效率較其他都高，40°后彎角的壓比和效率較其他都低，這進一步驗證了后彎角-壓比、效率的關系。

圖6　轉速-壓比特性

圖7　流量-壓比特性

圖8　流量-效率特性

3.2 流場分析

在設計工況下，通過分析葉輪葉片后彎角為40°，45°和50°三種壓縮機的流線分布可以發現壓縮機內部流線都是繞旋轉軸做旋轉運動，且在蝸舌處有明顯的渦旋，由此表明在蝸舌處的流動比較復雜，蝸舌的設計也是影響壓縮機性能的一個重要因素。對比蝸殼的流線分布可以發現，40°和50°后彎角的壓縮機在蝸舌處都有一定程度的轉折，會導致較大的流動損失，而45°后彎角的壓縮機在蝸舌處的流線相比要平穩些。并且40°和50°壓縮機蝸殼內漩渦強度較大，導致蝸殼內流動損失增加，從而降低流動效率。

對于離心壓縮機內部的流動，由于蝸殼的存在，流場特性的周向分布是不對稱的。圖9給出了設計工況下蝸殼表面和內部的靜壓分布云圖，從蝸殼進口到出口靜壓持續上升；靜壓隨蝸殼截面面積的增大而增大，在蝸殼外壁面處靜壓達到最大，在葉輪的徑向方向，靜壓值隨徑向半徑的增加而增加。在靜壓不斷升高時，速度下降梯度很明顯，此壓縮機的功能就是將空氣引至發動機的進口，氣流速度的一部分能量轉化為壓力能，氣流的速度進一步降低到發動機所需要的程度。

圖9　壓縮機靜壓云圖分布

圖10　葉輪靜壓云圖分布

圖10為葉輪和擴壓器表面的靜壓云圖分布，由圖可知，三種葉片后彎角的壓縮機靜壓分布大致相同，在蝸舌附近的靜壓值較其他地方都要高，且45°后彎角靜壓比40°和50°的要高，由于45°后彎角氣流離開轉輪進入擴壓器的動能比40°要小，流動損失小，靜壓值要比40°的要高。50°后彎角比45°后彎角大，過大的后彎角會使葉輪出口速度的不均勻程度變大，同時使出口氣流角過大，惡化了壓縮機擴壓器的進口條件，使其效率降低。

圖11　葉輪和擴壓器表面的動壓云圖

圖11為葉輪和擴壓器表面的動壓云圖分布，動壓的概念來源于伯努利方程，其值為ρv2/2，與速度的平方成正比。由圖可知，40°后彎角的轉輪出口處的動壓比45°和50°都大，進入擴壓器的動能越大，流動損失隨之增加。45°后彎角葉輪葉片的動壓最小，葉片將氣流的進入轉輪的動能轉化成壓力能的效率最高。從葉片的動壓分布來看，在葉輪旋轉產生的離心力作用下氣流在靠近輪蓋一側的流動速度要高于輪轂一側。葉片壓力面的動壓壓力梯度小于吸力面，這是因為氣流在受到壓力面沖擊時，將動能轉化為了壓力能。

4 結論

利用數值模擬的方法得到了35°～55°葉輪葉片后彎角的壓比特性和內流場特性，通過對它們的分析發現，適當的增加葉輪葉片后彎角可以明顯的提高壓縮的性能，在45°以下增加后彎角，可以有效的減少氣流的流動損失；45°以后增加后彎角，會使轉輪出口的氣流角增加，這會惡化擴壓器的進口條件，使其穩定工作的范圍變窄，影響壓縮機的性能。

參考文獻：

[1] 范玉亭.車載高效離心風機內部流動的數值模擬[D].中國石油大學,2011.4.

[2] 陳濤.內燃機增壓離心壓縮機多工況通流設計方法研究[D].清華大學,2010.10.

[3] Dickmann HP,Wimmel TS,Szwedowicz J, Filsinger D,Roduner CH. Unsteady Flow in a Turbocharger Centrifugal Compressor: Three-dimensional Computational Fluid Dynamics Simulation and Numerical and Experimental Analysis of Impeller Blade Vibration[J].Turbomach 2006,128:455-65.

[4] R. Aghaei tog, A.M.Tousi, A. Tourani. Comparison of Turbulence Methods in CFD Analysis of Compressible Flows in Radial[J]. Turbomachines. Aircraft Engineering and Aerospace Technology 2008,80(6):657-665.

[5] Kui Jiao,Harold Sun, Xianguo Li. Numerical Simulation of Air Flow Through Turbocharger Compressors with Dual Volute Design[J].Applied Energy 2009,86:2494-2506.

[6] 馬宏偉,蔣浩康,徐月亭,等.離心壓縮機轉子內近端壁區三維紊流流場[J].航空動力學報,2000(4):347-352.

作者簡介：賴晨光（1978 -），男，教授，博士，主要從事汽車與高速列車空氣動力學以及車身結構優化設計等方面的研究工作。

基金項目：國家自然科學基金（51305477）

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TH452

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0079-03