微型離心壓氣機流場數值仿真與分析

譚春生　霍英東　張超　陳爍燦　簡必聰　劉睿智

摘 要：為了更好地研究微型渦噴發動機，本文通過使用BladeGen、TurboGrid、CFX等商用軟件對該66 mm微型離心式壓氣機構型進行三維建模，劃分六面體結構網格，并進行數值仿真計算，得到了壓氣機在20 000rpm至140000rpm的流量特性曲線。發現該型壓氣機在60 000 rpm至100 000 rpm之間有較寬的穩定工作區域，此結果與原發動機性能參數相吻合。同時，選取了100000rpm這一轉速下壓氣機在近喘工況、最佳工況、堵塞工況3種情況，對這三種情況下壓氣機內部的流場進行了分析，為今后壓氣機的改進提供了數據支持。

關鍵詞：微型渦噴發動機 離心式壓氣機 數值仿真

中圖分類號：TH452 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（b）-0022-04

Abstract：In this paper， by using BladeGen， Turbogrid and CFX commercial software for 3D modeling divided hexahedron grid and numerical simulation to the configuration 66mm micro centrifugal compressor. Finally get the compressor flow characteristic curve of 20 000 rpm to 140 000 rpm. It found that the efficiency of 94.7%. type compressor has a stable working area is the width is between 60 000 rpm and 100 000 rpm， the results coincide with the original engine performance parameters. At the same time， this paper selects the optimum condition of 100 000 rpm the speed of the compressor at near stall condition， the blocking condition three cases， on the flow field inside the compressor of the three cases were analyzed， to provide a reference for improvement the future of the compressor.

Key Words：Micro Turbojet Engine； Centrifugal Compressor； Numerical Simulation

壓氣機是渦輪噴氣式發動機的重要部件。作為微型渦噴發動機的核心，壓氣機的性能決定了發動機的整體性能。該課題以一款微型渦輪噴氣式發動機所使用的直徑為66 mm的微型離心壓氣機為研究對象，分析其各工況流動特性與性能。

西安交通大學的趙會晶等人運用CFD方法模擬了離心壓氣機葉輪前緣傾掠對壓氣機性能的影響[1]，韓國仁荷大學與三星泰科能源設備研發中心通過進化算法對離心式壓氣機葉輪進行多目標優化[2]，由此可見對于離心式壓氣機的研究一直是熱門話題。

該文主要采用數值模擬的方法對某一構型微型離心壓氣機進行流場分析以及性能測試。數值模擬的方法可以在短時間內獲得較為精準的流場以及實驗結果，可以模擬各種復雜的流動。通過改變初始條件與邊界條件獲得不同工況下該構型離心式壓氣機的流量特性曲線，同時獲得不同轉速、不同流量下葉輪流道內氣體流動情況、葉片表面的壓力與速度矢量分布和不同葉高的壓力分布與速度矢量分布。

1 壓氣機三維構型建模

根據擴壓器尺寸以及機匣尺寸確定子午面幾何形狀，確定子午面尺寸參數后使用CFX-BladeGen組件進行葉輪建模。經過與創新創業項目的壓氣機實物進行比對與實驗，確定了葉片構型。

葉片數量：5組葉片，每組包含一片主葉片與一片小葉片；葉片角度：主葉片進氣角49°，出氣角12°；小葉片進氣角69°，出氣角5°。通過測量各截面葉厚及葉片安裝角可繪制出葉輪模型。

確定各項參數后即可生成葉輪的三維模型并確定最終構型，最終葉輪構型如圖1所示。

2 壓氣機流場數值計算

此次課題的CAD模型已經使用ANSYS BladeGen建立完成，選擇使用ANSYS TurbiGrid進行網格劃分，使用ANSYS CFX進行求解并使用ANSYS CFD-Post進行后處理分析。

2.1 導入模型

將之前在BladeGen組件中生成的葉片模型導入CFX中的TurboGrid組件，準備進行網格劃分。

2.2 網格劃分

將模型導入TurboGrid后，軟件會根據BladeGen的模型信息自動劃分出計算域，包括進氣口、出氣口、主頁片、小葉片、機匣面、輪轂面以及兩個切面共8個部分，如圖2。

導入模型后輸入葉尖間隙為固定距離0.2 mm。

為獲得較好的網格質量，在Topology set中Placement選擇Traditional with Control Point，通過控制點控制網格形狀。在Mesh Data菜單中，Node Count選項選擇Fine（250 000），使生成的網格包含大約250 000個節點，提高網格密度。

生成網格后通過添加與移動控制點來獲得一個較好的拓撲學模型，如圖3，從而得到質量更好的網格。最終生成的網格如圖4，共包含251 137個節點與232 320個網格單元，全部為六面體網格。

2.3 初始條件設定

（1）初始計算域。

基本設置：Material設置為“Air Idea Gas”；Reference Pressure設置為“1 atm”；Domain Motion中Option設置為“Rotating”；Angular Velocity設置為計算所需求轉速。

（2）湍流模型的選擇。

對于離心式壓氣機的計算，比較適合的有模型與SST模型。比較兩種模型的優勢，該課題選擇使用模型作為計算的湍流模型。

（3）熱傳導模型：在此次計算中將壓縮過程理想化為絕熱過程，因此熱傳導模型選擇Total Energy。

（4）確定邊界條件。

在該次計算中，邊界條件如下所示。

Inlet：固定總溫298 K，總壓1atm，進氣方向與轉軸平行；Outlet：平均靜壓，該文通過改變出口平均靜壓值以模擬不同工況；Wall：機匣，輪轂；葉片均設置為無滑移、不導熱壁面；Interface：設置葉間隙平面為接合平面；Rotational Periodicity：為減少計算量，取葉片的1/5計算，其兩側壁面設置為旋轉周期邊界。

2.4 求解設置

完成初始設置后，在模型的出口面上添加一個監測點，以便在計算時觀察收斂情況。在求解設置時需要確定計算收斂殘差與迭代步數。此次計算中將收斂殘差設置為10-5，迭代步數為最大500步，無論哪個條件先到達即認為結果收斂。前處理完成后生成相應的def文件，在求解器中進行計算。

2.5 求解器計算

在求解過程中，監視器會顯示計算殘差的折線圖，同時可以監控在上文中加入的檢測點的總壓數值，以輔助判斷計算是否收斂，若總壓趨于平穩可判斷計算收斂。

3 數值計算結果與分析

在該章中對葉片的計算結果進行分析，繪制出該構型葉片的流量特性圖，并對葉片在3個不同工作狀態下的流場進行分析。

3.1 壓氣機流量特性

表征壓氣機性能最主要的描述是壓氣機的流量特性圖[3]。壓氣機的增壓比隨著壓氣機流量的減小而增大，但當流量減小至某一值時，壓氣機效率急劇下降。在流量特性曲線中，將所有轉速下的喘振邊界連起來即可得到整臺壓氣機的喘振邊界。喘振邊界將流量特性曲線分為了兩個區域，左側為不穩定工作區，右側為穩定工作區，當壓氣機工作狀態落入不穩定工作區時，壓氣機進入喘振狀態，此時增壓比下降，壓氣機效率下降，在壓氣機工作中要極力避免[4]。

該文中使用CFD方法計算出壓氣機的流量特性，可以節省大量時間與經費，在壓氣機初期設計時有較好的應用，可以快速地對壓氣機效率進行評估。在該文中計算了7個轉速條件下（20 000～140 000 rpm）通過改變出口靜壓改變壓氣機工況，通過觀察壓氣機是否出現分離渦以及是否出現堵塞以分辨壓氣機是否在穩定工作狀態，以此繪制出壓氣機的流量特性曲線，如圖5與圖6。

由圖5和圖6中可以得出以下幾點。

（1）在20 000～40 000 rpm的轉速區間內，壓氣機的增壓比較低，同時穩定工作區也很小，在壓氣機流量變化較大時，壓氣機效率下降明顯。

（2）在60 000-100 000 rpm的轉速區間內，壓氣機增壓比較高，穩定工作區也比較大，壓氣機效率隨流量變化較緩慢。

（3）在120 000-140 000 rpm的轉速區間內，壓氣機增壓比很高，但由于此時葉片吸力面氣流已超音速，在葉片吸力面產生斜激波，同時由于葉片攻角為負，在葉盆部分出現氣流分離，這兩種現象堵塞葉片流道，使葉片幾乎無法穩定工作。表現為即使出口平均靜壓持續降低，壓氣機流量也不上升，此時壓氣機出現堵塞，增壓比與效率均直線下降。

由此可以判斷出壓氣機在各個轉速下的穩定工作區。此結果與原發動機慢車轉速30 000 rpm，最大轉速110 000 rpm的性能參數相吻合，當飛機在巡航狀態時，壓氣機正好處于60 000～100 000 rpm這一穩定工作轉速之間。

3.2 不同流量下壓氣機內部流場與性能

取100 000 rpm這一特定轉速分析在不同流量條件下壓氣機的流場變化以及性能變化。

從圖7可看出，壓氣機的增壓比在進入喘振狀態以前隨著流量的下降幾乎直線上升，但是從效率曲線可以看出，壓氣機的效率存在一個最大值，在該點左邊時，壓氣機向喘振邊界靠近，效率降低；在該點右邊時，壓力面開始出現氣流分離堵塞通道，導致壓氣機效率下降。當流量超過某一值時壓氣機通道堵塞嚴重，此時改變出口靜壓壓氣機流量變化不明顯，但效率與增壓比卻直線下降。

（1）最佳工況點壓氣機內部的流場。

100 000 rpm下效率最高的工況代表在此轉速下，該工況點時壓氣機工作最穩定，流場最通暢，此時壓氣機的各項損失最小，是壓氣機的最佳工作狀態。

（2）喘振邊界點壓氣機內部的流場。

當流量減小到喘振邊界時，葉片吸力面開始出現氣流分離，氣流分離產生的分離渦堵塞氣流通道使壓氣機效率下降，此時若繼續降低流量，壓氣機將進入喘振狀態，吸力面出現大面積氣流分離，流道被堵塞，增壓比與效率均急劇下降，壓氣機進入不穩定工作狀態。

（3）大流量工況下壓氣機內部流場。

流過壓氣機的流量過大同樣會導致壓氣機效率下降。在流量過大時，葉片出現負攻角，在壓力面出現氣流分離。由于壓力面空氣壓力較大不容易產成類似吸力面氣流分離時那樣的分離渦，但同樣會堵塞氣流通道。

4 結論

使用BladeGen軟件進行建模，并使用CFX TurboGrid軟件對模型進行網格劃分。并使用ANSYS CFX軟件對劃分完畢的網格進行計算。在CFX中通過改變壓氣機出口平均壓力以及壓氣機轉速得到一系列工況點繪制出流量特性曲線并對其進行分析。并選擇典型轉速分析不同流量條件下壓氣機內部流場以及壓氣機性能變化。經過以上工作可以得出以下結論。

（1）壓氣機的增壓比與壓氣機轉速與流過壓氣機的流量密切相關，在一定范圍內轉速越大，壓氣機的增壓比越高，流過壓氣機的氣體流量越大，壓氣機增壓比越低。

（2）壓氣機在每一個特定轉速下其效率均隨著氣體流量的改變而改變，在每一個特定轉速下均有一個最佳工況點，此時壓氣機效率達到最高，無論工況點移動到該點左邊或是右邊，壓氣機效率都將下降。

（3）壓氣機工況點向左移動至喘振邊界附近時，最先在葉尖附近出現分離渦，同時尾跡渦流進一步擴大。若工況點進一步向左移動，此時葉尖泄漏渦、葉片吸力面出現的分離渦、尾跡渦可能混合在一起，產生一個較大的湍流區阻塞流道，使壓氣機效率與增壓比急劇下降。同時由于湍流區的阻礙，其前方氣流發生偏轉，可能出現旋轉失速現象。壓氣機工況點向右移動時流量過大，壓氣機可能出現堵塞現象，葉片進入負攻角狀態，氣流在壓力面出現分離，在壓力面位置產生湍流區。當流量進一步增大，湍流區也不斷擴大，最終與尾跡渦流混合，完全堵塞壓氣機流道。

使用CFD方法的優點有成本低、準確度高、實驗周期短等，但其與實際情況依舊存在差別。現今3D打印技術飛速發展，可以利用3D打印快速成型技術在CFD計算之后將葉輪模型制作出實體，在試驗臺上進行測試并計算結果。

參考文獻

[1] 趙會晶，王志恒，席光，等.葉片前緣傾掠對離心葉輪氣動性能的影響[J].西安交通大學學報，2015，49（11）：1-7.

[2] JH Kim，JH Choi，et al.Multi-objective optimization of a centrifugal compressor Impeller through evolutionary algorithms[J].IMechE Part A：J. Power and Energy，2010（224）：711-721.

[3] 鐘利軍，李人憲.小型離心壓氣機結構參數優化與流量特性的仿真計算[J].內燃機學報，2010，6（3）：11-15.

[4] 瞿紅春，林兆福.民用航空燃氣渦輪發動機原理[M].北京：兵器工業出版社，2006.