低比轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)輪轂輪緣型線多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王智鑫，李瀟宇，方偉豪，汪陳芳

合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽合肥 230009

0 引言

廢氣渦輪增壓技術(shù)對(duì)提高內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放效果顯著，內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣能量小，渦輪增壓器壓比低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足，受渦輪增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性較差[1-3]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓氣機(jī)的電動(dòng)增壓技術(shù)具有較高的響應(yīng)速度，可以改善內(nèi)燃機(jī)低速性能和動(dòng)力性[4]。由于超高轉(zhuǎn)速電機(jī)成本較高，日常維護(hù)比較復(fù)雜，用于電動(dòng)增壓的新型低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)越來越受到關(guān)注。

A.J.Vine等[5]設(shè)計(jì)的離心壓氣機(jī)使用低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造成本低，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 20 000 r/min，單級(jí)壓比 1.62，試驗(yàn)驗(yàn)證效率超過60%。邱智凌等[6]設(shè)計(jì)用于燃料電池系統(tǒng)增壓的離心壓氣機(jī)由普通電機(jī)(20 000 r/min)驅(qū)動(dòng)，壓比達(dá)到1.6，效率達(dá)到 83%。法雷奧公司開發(fā)了一種響應(yīng)速度快的電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心式壓氣機(jī)，RICARDO采用法雷奧的方案并應(yīng)用于福特Ecoboost1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)后顯著提升了低轉(zhuǎn)速工況的轉(zhuǎn)矩。

基于葉輪幾何參數(shù)化，利用遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化是提高離心壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性和效率的有效措施。祁博武[7]利用三維數(shù)值仿真對(duì)二級(jí)增壓系統(tǒng)高壓壓氣機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)靠近輪緣側(cè)氣體流動(dòng)混亂，從進(jìn)口到出口蝸殼內(nèi)部流速減小，靜壓增加，蝸殼入口處靠近輪緣側(cè)流動(dòng)損失遠(yuǎn)大于輪轂側(cè)。宋沛原等[8]研究了離心泵誘導(dǎo)輪輪轂形狀對(duì)誘導(dǎo)輪性能影響，結(jié)果表明，相同入口條件下，不同誘導(dǎo)輪輪轂形狀產(chǎn)生不同的揚(yáng)程。張恒銘等[9]針對(duì)跨音速轉(zhuǎn)子Rotor 37，利用Design 3D模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片區(qū)域輪轂型線，優(yōu)化后壓氣機(jī)性能得到明顯提升，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率提升1.23%。楊春等[10]為解決壓氣機(jī)靜子角區(qū)分離堵塞，對(duì)靜子根部分離點(diǎn)軸線輪轂修型，優(yōu)化后葉柵出口堵塞量減少20.4%，靜子葉片10%葉高處總壓恢復(fù)系數(shù)提高6.516%。李相君等[11]為提高某壓氣機(jī)效率，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法對(duì)壓氣機(jī)的吸力面50%葉展進(jìn)行優(yōu)化，使壓氣機(jī)峰值效率提升1.7%。Xie Hong等[12]提出了一種改進(jìn)和優(yōu)化子午面上輪轂線的方法，用直線來描述輪轂輪廓，在一定程度上提高了壓氣機(jī)的失速裕度，但效率和壓比略微降低。龍雙喜等[13]對(duì)高輪轂比離心壓氣機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)子午流道的曲率半徑會(huì)嚴(yán)重影響葉輪內(nèi)部流動(dòng)，并在出口沿葉高方向造成較大的流動(dòng)分離，較小流道曲率會(huì)出現(xiàn)比較小的羅斯比數(shù)，使葉輪出口處低能流體橫向移動(dòng)，造成壓氣機(jī)性能惡化。孫士珺等[14]利用三維數(shù)值模擬比較了跨音速壓氣機(jī)第一級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的3種輪轂造型，結(jié)果表明波浪形輪轂型線比直線輪轂的流通能力增加，葉尖進(jìn)口激波強(qiáng)度降低。徐全勇等[15]比較了多級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)轉(zhuǎn)子4種輪轂形狀，發(fā)現(xiàn)凹形輪轂流通能力和轉(zhuǎn)子做功量提高，根部流場(chǎng)改善，效率提升。米攀等[16]對(duì)一款帶靜子間隙的單級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)與原型相比，非對(duì)稱造型靜子輪轂的壓氣機(jī)整體性能得到提升，壓比增加，效率提高0.9%。萬玉等[17]用貝塞爾曲線對(duì)某高速無油潤(rùn)滑離心空壓機(jī)葉片位置進(jìn)行參數(shù)化處理，建立Kigring近似模型多工況尋優(yōu)，優(yōu)化后等熵效率和壓比得到改善，表明葉片位置參數(shù)優(yōu)化可改善葉輪的性能。

上述研究大都是針對(duì)多級(jí)壓氣機(jī)與高壓比離心壓氣機(jī)，對(duì)低比轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)輪轂輪緣多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究尚未見報(bào)道。本文中以提高低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)多工況下的壓比和效率為目標(biāo)，采用NUMECA/FINE Design 3D對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)輪轂輪緣型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 研究對(duì)象及數(shù)值方法

1.1 研究對(duì)象

研究的壓氣機(jī)為一款帶分流葉片的低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)，壓氣機(jī)主要參數(shù)如表1，葉輪模型如圖1。

表1 低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)主要參數(shù)

1.2 優(yōu)化方法

利用NUMECA/FINE Design 3D對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過Autoblade對(duì)幾何模型進(jìn)行參數(shù)化擬合，生成數(shù)據(jù)庫(kù)樣本，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化算法尋找擬合曲線最優(yōu)值，進(jìn)行流場(chǎng)分析，生成新樣本，并不斷循環(huán)迭代尋優(yōu)得到離心壓氣機(jī)最佳性能的輪轂輪緣型線。其中輪轂型線與輪緣型線分別采用4個(gè)、5個(gè)控制點(diǎn)的貝塞爾曲線擬合，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)40個(gè)葉型樣本進(jìn)行近似函數(shù)擬合，其中目標(biāo)函數(shù)為：

Fobj=1-η1+1-η2=2-η1-η2，

(1)

式中η1、η2分別為近喘振點(diǎn)和設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率。

1.3 數(shù)值方法

流場(chǎng)計(jì)算采用單通道，利用 FINE/Turbo求解可壓縮的 Navier-Stoke 方程；湍流模型采用Spalart-Allmaras模型，控制方程的空間離散與時(shí)間離散分別采用 Jameson中心差分格式、 Runge-Kutta 四階顯式時(shí)間推進(jìn)法。輪轂及葉片表面為無滑移固壁邊界，輪緣為靜止的固壁邊界；低比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)進(jìn)口給定軸向進(jìn)氣、總溫、總壓；出口對(duì)于大流量工況下設(shè)定靜壓，小流量工況下設(shè)定壓力自適應(yīng)的流量。

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

葉輪通道網(wǎng)格采用05H型網(wǎng)格，葉尖間隙采用蝶形網(wǎng)格，底層網(wǎng)格厚度0.003 mm，為消除網(wǎng)格離散效應(yīng)對(duì)三維仿真計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)行葉輪網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，通過改變網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)得到疏密不同的網(wǎng)格，采用相同的湍流模型和邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到離心壓氣機(jī)總壓比和效率隨網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)變化的規(guī)律。

離心壓氣機(jī)網(wǎng)格獨(dú)立性校核如圖2所示。隨著葉輪網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)增加，壓氣機(jī)的壓比和效率也隨之增加，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)大于50萬后，壓氣機(jī)的壓比和效率基本不變。本文中葉輪網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)采用60萬，既可獲得較好的仿真結(jié)果，又可以節(jié)省計(jì)算成本。

2 結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)(0.08 kg/s)對(duì)原型壓氣機(jī)和輪轂輪緣優(yōu)化后的改型離心壓氣機(jī)的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3為優(yōu)化前后離心壓氣機(jī)輪轂輪緣型線，靠近葉輪進(jìn)口處輪轂型線的彎曲程度變小，而在靠近葉輪出口處彎曲程度變大。輪緣型線的彎曲程度減小，主要體現(xiàn)在葉輪近出口處葉片高度有所增加。從葉輪整體來看，葉片前緣部分葉高有所降低，尾緣部分葉高增加，葉片的彎曲程度增加。

圖4為輪轂與輪緣型線優(yōu)化前后壓比與效率性能曲線，在轉(zhuǎn)速為40 000 r/min時(shí)，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的壓比和效率分別提高了6.59%和3.73%。大流量區(qū)域壓比增加幅度相對(duì)于中小質(zhì)量流量來說較小，小質(zhì)量流量區(qū)域效率增加幅度對(duì)于中大流量來說較小。壓氣機(jī)整體性能明顯提高，說明對(duì)壓氣機(jī)輪轂輪緣優(yōu)化取得了明顯效果。

設(shè)計(jì)工況下主流葉片10%、90%葉高載荷分布如圖5所示。優(yōu)化前葉片載荷在葉片前緣較低，中部載荷較大，但是尾緣壓力面、吸力面壓差出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，葉片做功受到了嚴(yán)重影響，載荷分布同時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片中部泄漏嚴(yán)重。而優(yōu)化后葉片載荷分布更為合理，前緣、中部和尾緣載荷分布較為均勻，葉片尾緣達(dá)到了較高的壓力。

設(shè)計(jì)工況點(diǎn)優(yōu)化前后子午面靜壓分布云如圖6所示(圖中單位為 kPa)，輪轂輪緣優(yōu)化后壓氣機(jī)做功能力增強(qiáng)，葉輪出口處、擴(kuò)壓器靜壓增加最為明顯，優(yōu)化前后沿子午面流線方向靜壓變化規(guī)律一致，其中設(shè)計(jì)工況點(diǎn)沿子午面流線方向靜壓變化明顯，擴(kuò)壓器處?kù)o壓提高了4.84%。

改進(jìn)前后設(shè)計(jì)工況點(diǎn)90%葉高熵分布如圖7所示(圖中單位為J/(kg·K))。

由圖7可以看出，相比原型，優(yōu)化后葉片尾緣處的熵有了極大改善，高熵區(qū)域消失，壓力面低熵區(qū)面積得到了一定程度的增大。主葉片和分流葉片的尾緣、壓力面的熵有所減小，這說明流動(dòng)損失降低，而葉片尾緣的熵減小得益于尾緣的周向彎曲減小，流動(dòng)損失降低增加了做功能力，改善了出口氣體的流動(dòng)情況，使得壓氣機(jī)的性能得到一定提升。

3 結(jié)論

采用NUMECA/FINE Design 3D對(duì)壓氣機(jī)幾何進(jìn)行參數(shù)化，生成數(shù)據(jù)庫(kù)樣本，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)輪轂輪緣型線進(jìn)行優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

1)三維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)可有效提高離心壓氣機(jī)性能，對(duì)輪轂輪緣型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高離心壓多工況綜合性能。

2)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速40 000 r/min時(shí)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比和效率分別提高6.59%和3.73%。

3)壓氣機(jī)輪轂型線優(yōu)化影響葉輪內(nèi)部流場(chǎng)。優(yōu)化后葉片前緣、中部和尾緣載荷分布較為均勻，沿子午面流線方向擴(kuò)壓管處?kù)o壓提高明顯，較原型提高了3.968%。