徑向擴壓器特征參數(shù)對某離心壓氣機流場及性能的影響研究

趙振國 韋威 楊華斌

摘 要：本文以某組合壓氣機離心級為研究對象，采用三維粘性數(shù)值模擬方法分析了徑向擴壓器進、出口半徑對離心壓氣機流場及性能的影響，結(jié)果表明：對于該離心壓氣機，D3/D2在1.05～1.17范圍內(nèi)，減小徑向擴壓器進口半徑有利于提高壓氣機工作效率和流通能力，但易導(dǎo)致其穩(wěn)定工作范圍大幅降低;D4/D3在1.34～1.43范圍內(nèi)，減小徑向擴壓器出口半徑對離心壓氣機特性影響不大，可以大幅降低壓氣機最大徑向尺寸，對于壓氣機減重有較大參考意義。

關(guān)鍵詞：徑向擴壓器;特征參數(shù);離心壓氣機;流場;性能

高效、高負荷離心壓氣機在中小型航空發(fā)動機中得到了廣泛的使用。作為離心壓氣機的一個關(guān)鍵部件，擴壓器性能的優(yōu)劣對于離心壓氣機性能有著重要影響。研究表明[1]，離心葉輪出口氣流動能約占葉輪耗功的25%～50%，且氣流具有較大的切向速度。徑向擴壓器通過半徑的增加使氣流減速增壓，并使氣流以希望的角度偏轉(zhuǎn)，軸向擴壓器則進一步偏轉(zhuǎn)氣流至燃燒室進口所需方向。由于擴壓器內(nèi)部流動為復(fù)雜的三維粘性流動，氣流在強逆壓力梯度下容易發(fā)生分離，帶來較大的流動損失[2]，為高性能擴壓器設(shè)計帶來較大的難度。

為了更好地進行擴壓器設(shè)計，國內(nèi)外許多學(xué)者對擴壓器工作特性的影響因素進行了大量的研究。Pampreen等[3]早在上世紀七十年代即對直角擴壓器進行研究，發(fā)現(xiàn)葉片進口扭曲可改善擴壓器氣動性能。Senoo等[4]提出了低稠度葉片擴壓器概念，并指出葉片喉道限制了擴壓器堵塞流量，采用低稠度葉片擴壓器可獲得更優(yōu)的性能。初雷哲等[5]指出適當調(diào)整擴壓器的葉片傾角可以減小流場波動，并對擴壓器中的流動分離有重要影響。張朝磊等[6]數(shù)值研究了擴壓器葉片氣動設(shè)計方法，獲得了一些有意義的結(jié)論。

本文以某型組合壓氣機離心級為研究對象，分別研究和認識了徑向擴壓器葉片進、出口半徑等特征參數(shù)對該離心壓氣機流場和氣動性能的影響，為該離心壓氣機的改進設(shè)計提供參考。

1數(shù)值研究方案

1.1數(shù)值計算方法

本文數(shù)值模擬研究采用CFX13.0軟件，計算域包括離心葉輪、徑向擴壓器和軸向擴壓器三排葉片，采用TurboGrid13.0生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，定常計算求解三維Navier-Stokes方程組，差分格式采用高精度格式，湍流模型采用K-epsilon模型。為了使計算分析更具有可比性，本文各算例計算網(wǎng)格均采用相同的網(wǎng)格模板生成，網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格密度均保持一致，計算邊界條件亦保持一致。

1.2徑向擴壓器葉片進口半徑對性能的影響

本文研究對象為某組合壓氣機離心級，其徑向擴壓器流道為等寬度流道，葉片采用雙圓弧設(shè)計。分別選取不同的徑向擴壓器葉片進口半徑，用方案1～方案4表示，其葉片前緣在子午面上的位置如圖1所示。為保證葉片喉道面積不變，適當對徑向擴壓器蓋側(cè)流道進行了偏移。通過對比這四種方案擴壓器流場來分析徑向擴壓器葉片進口半徑對性能的影響。

1.3徑向擴壓器葉片出口半徑對性能的影響

徑向擴壓器葉片出口半徑通常可以影響發(fā)動機的最大徑向尺寸，對整臺發(fā)動機的重量有著重要影響。本文分別選用不同的徑向擴壓器葉片出口半徑，用方案5～方案8表示，其葉片尾緣在子午面上的位置如圖2所示。通過對比這四種方案擴壓器流場來分析徑向擴壓器葉片出口半徑對性能的影響。

2數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1徑向擴壓器葉片進口半徑對性能的影響

圖3為采用不同徑向擴壓器葉片進口半徑的離心壓氣機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的特性圖對比，圖中可以看出，隨著D3/D2的增加，徑向擴壓器葉片進口馬赫數(shù)依次減小，則喉道處的馬赫數(shù)亦隨之減小，但喉道面積不變，因此壓氣機的堵點流量依次降低。此外，四種方案的峰值壓比依次降低，穩(wěn)定工作范圍則依次升高，穩(wěn)定裕度分別為22%、28%、30%和32%。如果將離心葉輪尾緣至徑向擴壓器葉片前緣之間的部分看作無葉段，則縮短無葉段的長度有利于減小無葉段的流動損失，提高該離心壓氣機的工作效率，且提高其流通能力，但是無葉段過短則會導(dǎo)致穩(wěn)定工作范圍大幅降低。

圖4為近設(shè)計點徑向擴壓器50%葉高處葉片表面靜壓分布。圖中可以看出，四種方案下徑向擴壓器葉片表面壓力分布發(fā)生了明顯的變化。隨著D3/D2的增加，徑向擴壓器葉片弦長變短，葉片載荷明顯降低。且圖中可以看出，徑向擴壓器的擴壓作用主要發(fā)生在葉片的前半段，因此D3/D2的變化對該區(qū)域的載荷分布有著明顯影響。

圖5所示為近設(shè)計點下四種方案的無葉段、徑向葉片、轉(zhuǎn)彎段、軸向葉片和擴壓器的相對總壓恢復(fù)系數(shù)的分布。圖中可以看出，隨著徑向葉片進口逐漸遠離離心葉輪出口，無葉段增長，其摩擦損失增加，總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低;徑向葉片進口馬赫數(shù)降低，總壓恢復(fù)系數(shù)升高;由于氣體在徑向葉片內(nèi)減速擴壓程度降低，徑向葉片出口和軸向葉片進口馬赫數(shù)增加，轉(zhuǎn)彎段和軸向葉片的總壓恢復(fù)系數(shù)均有所降低。在各分段的共同作用下，整個擴壓器的總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低。

2.2徑向擴壓器葉片出口半徑對性能的影響

圖6為采用不同徑向擴壓器葉片出口半徑的離心壓氣機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的流量-壓比特性圖對比，圖7為近設(shè)計點下擴壓器各排葉片進口馬赫數(shù)沿展向分布。圖中可以看出，在本文算例D4/D3范圍內(nèi)，增減徑向擴壓器進口半徑對離心壓氣機堵點流量并無影響，由于計算中保持葉片喉道面積不變，則四種方案喉道處氣流速度基本保持一致。分析流場發(fā)現(xiàn)，在此范圍內(nèi)，D4/D3的變化對離心葉輪和徑向擴壓器進口流場基本無影響，但對擴壓器內(nèi)部流場有明顯影響。同時可以看到，四種方案的離心壓氣機特性線基本吻合，穩(wěn)定工作范圍隨D4/D3的減小依次降低，穩(wěn)定裕度分別為29.1%、27.8%、26.7%和25.4%。

圖8為近設(shè)計點下四種方案的總壓恢復(fù)系數(shù)在擴壓器內(nèi)的分布圖。前文分析認為，D4/D3的減小對徑向葉片進口流場沒有影響，此處也可看到，無葉段的總壓恢復(fù)系數(shù)亦基本保持不變。由于徑向葉片弦長變短，葉型損失減小，其總壓恢復(fù)系數(shù)有所增加。但同樣由于氣體在徑向葉片內(nèi)減速擴壓程度降低，軸向葉片進口馬赫數(shù)增加，轉(zhuǎn)彎段和軸向葉片的總壓恢復(fù)系數(shù)均有降低。結(jié)合圖6可以看出，D4/D3在1.34～1.43范圍內(nèi)時，這四部分的總壓損失大致可以抵消，因此整級壓氣機的特性基本不變，但是壓氣機的最大徑向尺寸降低了11%，對于壓氣機減重具有較大的參考意義。

3結(jié)束語

本文通過研究某離心壓氣機徑向擴壓器葉片進、出口半徑對壓氣機內(nèi)部流動的影響，得出以下結(jié)論：

（1）對于該離心壓氣機，D3/D2在1.05～1.17范圍內(nèi)時，徑向擴壓器進口半徑的減小有利于減小無葉段流動損失，提高壓氣機工作效率，并提高其流通能力，但是容易導(dǎo)致壓氣機穩(wěn)定工作范圍大幅降低;

（2）徑向擴壓器的擴壓作用主要發(fā)生在葉片前半段;

（3）D4/D3在1.34～1.43范圍內(nèi)時，減小徑向擴壓器出口半徑對離心壓氣機特性影響不大，壓氣機穩(wěn)定工作范圍亦只是小幅降低，但可以大幅降低壓氣機最大徑向尺寸，有利于其重量減輕;

（4）后續(xù)工作還需要繼續(xù)進行各特征參數(shù)對離心壓氣機流場及性能的綜合影響研究。

參考文獻：

[1] Dutton J C， Piemsomboon P， Jenkins P E. Flowfield and Performance Measurements in a Vaned Radial Diffuser[J]. Journal of Fluids Engineering， 1986，108（2）：141-147.

[2] Moore J， Moore J G. Three Dimensional Viscous Calculations for Assessing the Thermodynamic Performance of Centrifugal Compressors-Study of the Eckardt Compressor[R]. AGARD CP 282，1980.

[3] Pampreen R C. The Use of Cacade Technologyin Centrifugal Compressor Vaned Diffuser Design[J]. Journal of Engineering for Power，1972， 94（3）： 187-192.

[4] Senoo Y， Hayami H， Ueki H. Low Solidity Tandem Cascade Diffusers for Wide Flow Range Centrifugal Blowers[J]. ASME Paper，1983， No.93-GT-108.

[5] 初雷哲，杜建一，趙曉路，等. 葉片傾角變化對擴壓器中非定常流動的影響[J]. 工程熱物理學(xué)報，2007，28（5）：759-762.

[6] 張朝磊，鄧清華，豐鎮(zhèn)平.級環(huán)境下離心壓氣機擴壓器葉片氣動優(yōu)化設(shè)計[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2009， 43（11）：32-36.

作者簡介：

趙振國（1989—），男，漢族，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于中國航發(fā)湖南動力機械研究所，研究方向：壓氣機氣動熱力學(xué)。