某小型離心壓氣機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高勇強(qiáng) 唐方明 徐威陽

摘 要： 本文對(duì)某小型離心壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過改變離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器葉型，優(yōu)化了離心葉輪與徑向擴(kuò)壓器的匹配，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)流量提高1.0%，效率提高1.5個(gè)百分點(diǎn)，喘振裕度提高3.2個(gè)百分點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：離心葉輪;徑向擴(kuò)壓器;優(yōu)化

離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，單級(jí)增壓比高，廣泛運(yùn)用于小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助動(dòng)力裝置等[1～2]。高性能壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，提高壓氣機(jī)的效率、喘振裕度，將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生重大影響[3～5]。某小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)由單級(jí)離心壓氣機(jī)構(gòu)成，該離心壓氣機(jī)由離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器、軸向擴(kuò)壓器組成。本文針對(duì)該離心壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

網(wǎng)格劃分采用CFX中Turbogrid模塊。離心葉輪網(wǎng)格數(shù)19萬左右，徑向擴(kuò)壓器網(wǎng)格數(shù)16萬左右，軸向擴(kuò)壓器網(wǎng)格數(shù)12萬左右，總網(wǎng)格數(shù)約47萬（如圖1）。離心葉輪葉頂間隙設(shè)置為0.45mm，其余無間隙。

邊界條件給定如下：進(jìn)口邊界條件給定總壓101325Pa、總溫288.15K;離心葉輪給定轉(zhuǎn)速（設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速）;出口邊界條件給定平均靜壓;壁面邊界條件設(shè)置為絕熱無滑移條件;交接面設(shè)置為混合平面法。

判斷計(jì)算收斂的準(zhǔn)則：殘差≤10-4;100個(gè)物理時(shí)間步內(nèi)進(jìn)出口流量相差≤0.5%進(jìn)口流量。逐步增加軸向擴(kuò)壓器出口被壓，得到壓氣機(jī)從堵點(diǎn)到失速點(diǎn)的特性線。

2 原型壓氣機(jī)計(jì)算及分析

對(duì)原型壓氣機(jī)進(jìn)行計(jì)算、分析，分別取出離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器的特性發(fā)現(xiàn)：離心葉輪匹配在峰值效率左支，徑向擴(kuò)壓器匹配在偏右支（如下圖2），從而導(dǎo)致壓氣機(jī)效率偏低。比較合理的匹配方式為：離心葉輪匹配在峰值效率點(diǎn)附近的右支，徑向擴(kuò)壓器匹配在最高總壓恢復(fù)系數(shù)附近的右支。這樣既能使壓氣機(jī)有較高的效率，又能保證壓氣機(jī)有足夠的喘振裕度。由此確定了優(yōu)化的思路：降低離心葉輪流量，增加徑向擴(kuò)壓器的喉道面積，優(yōu)化離心葉輪與徑向擴(kuò)壓器的匹配。

3 氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了盡可能少的改動(dòng)離心壓氣機(jī)零件，優(yōu)化前后流道沒有變化，只改變離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器葉型。離心葉輪采用直紋面葉片造型。徑向擴(kuò)壓器、軸向擴(kuò)壓器為直板葉型。由于徑向擴(kuò)壓器出口馬赫數(shù)低，其出口流場(chǎng)的改變對(duì)軸向擴(kuò)壓器特性影響不大，優(yōu)化未改變軸向擴(kuò)壓器葉型。葉片角分布決定了壓氣機(jī)性能，優(yōu)化主要通過調(diào)整葉片角分布實(shí)現(xiàn)，其余設(shè)計(jì)參數(shù)不變或者微調(diào)。

3.1 離心葉輪優(yōu)化

優(yōu)化后的離心葉輪葉片數(shù)、厚度分布不變，根部進(jìn)口葉片角關(guān)小，出口后彎角增加。優(yōu)化前后的離心葉輪如下圖3（紅色-原型葉片，綠色-優(yōu)化葉片）。

3.2 徑向擴(kuò)壓器優(yōu)化

優(yōu)化后徑向擴(kuò)壓器葉片數(shù)不變，葉型厚度分布與原型壓氣機(jī)相同。進(jìn)口段葉片角開大，喉道面積增加，葉片折轉(zhuǎn)角減小°。優(yōu)化前后的徑向擴(kuò)壓器如下圖4。

3.3 優(yōu)化前后結(jié)果及分析

與原型壓氣機(jī)相比，優(yōu)化后壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)流量高1.0%，效率高1.5個(gè)百分點(diǎn)，喘振裕度高3.2個(gè)百分點(diǎn)（如圖5）。

優(yōu)化后的離心葉輪峰值效率與原型壓氣機(jī)相當(dāng)，徑向擴(kuò)壓器特性優(yōu)于原型壓氣機(jī)（如圖2、6）。離心葉輪匹配在了峰值效率點(diǎn)附近的右支，徑向擴(kuò)壓器匹配在了最高總壓恢復(fù)系數(shù)附近的右支（如下圖6）。設(shè)計(jì)點(diǎn)離心葉輪效率略低于原型壓氣機(jī)，徑向擴(kuò)壓器總壓恢復(fù)系數(shù)顯著提高，優(yōu)化后壓氣機(jī)整體性能有所提升。

優(yōu)化前后壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)根、中、尖部截面的馬赫數(shù)分布如下圖7、8。優(yōu)化后離心葉輪尖部低速區(qū)略微擴(kuò)大;徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)略微降低，根中尖截面的分離區(qū)減小;優(yōu)化前后軸向擴(kuò)壓器根、中、尖部截面的流場(chǎng)基本不變。

由于優(yōu)化的離心葉輪后彎角增加，離心葉輪做功能力降低，離心葉輪出口壓比下降，優(yōu)化的徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)下降，如下圖9。

與原型徑向擴(kuò)壓器相比，優(yōu)化的徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口段、出口段葉片負(fù)荷降低，中間段葉片負(fù)荷輕微提高，出口段葉背附近分離區(qū)得到了抑制（見圖10），徑向擴(kuò)壓器總壓恢復(fù)系數(shù)顯著提高。

4 結(jié)論

本文對(duì)某小型跨音速離心壓氣機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。通過改變離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器葉型，優(yōu)化了離心葉輪與徑向擴(kuò)壓器的匹配，計(jì)算結(jié)果表明：與原型壓氣機(jī)相比，優(yōu)化后壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)流量高1.0%，效率高1.5個(gè)百分點(diǎn)，喘振裕度高3.2個(gè)百分點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

高勇強(qiáng)（1988—），男，漢族，河南漯河市人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。