可調進口導葉在兩級同軸離心壓氣機上的應用

張申，吳孟龍，范俊巖，辛軍

(奕森科技(上海)有限公司，上海 201703)

0 引言

離心壓氣機相對于其他類型的壓氣機，具有單級壓比高、效率高、流量范圍廣、結構緊湊簡單、壽命長、低噪聲的優點，廣泛應用于化工機械、燃氣輪機、汽車渦輪增壓以及氫燃料電池空壓機等方面。

氫燃料電池是通向汽車零排放道路上的重要一步，氫燃料電池壓氣機要求流量大、效率高、流量范圍寬廣、壽命長、無油、低噪聲，離心壓氣機被認為是氫燃料電池最有前途的增壓方式之一[1]。空壓機功耗占氫燃料電池輔助系統總功耗的90%，約占電池總輸出功率的13%，提升壓氣機效率對提升氫燃料電池系統效率非常重要[2]。

可調進口導葉(Variable Inlet Guide Vanes，VIGV),通過對壓氣機進氣進行預旋，可以在不降低壓氣機最高效率的前提下，通過移動壓氣機性能Map，使效率島中心位于不同工況點，進而提高原非設計工況點的效率[3]。

本文作者為兩級同軸離心壓氣機設計了可變進氣導葉，用CFD的方法做了整級仿真，并獲取了可調進氣導葉調節規律。結果表明，通過調節進氣導葉可以有效提升目標工況(壓氣機非設計點)效率，最高提升1.6%。

1 研究模型

1.1 兩級離心壓氣機

圖1為某公司現有的電動兩級壓氣機，低、高壓離心壓氣機同軸驅動，串聯運行，每一級壓氣機均由葉輪、無葉擴壓器、蝸殼構成，低壓壓氣機蝸殼出口通過管道直接連接到高壓壓氣機進口。低、高壓壓輪直徑均為60 mm，葉輪均為9大葉片+9小葉片的結構。

圖1 兩級離心壓氣機

相對于單級離心壓氣機，這種兩級結構可以使設計點落在最佳比轉速附近，提升設計點效率，并抵消軸向力。但兩級串聯的結構會降低壓氣機整機高效工作范圍；連接兩級壓氣機的彎管會造成高壓壓氣機進氣畸變，這也對效率和工作范圍產生負面作用。

該壓氣機的設計工況點和某應用項目工作點參數見表1，應用項目的工況點偏離現有壓氣機設計點，故效率有待提高。文中目的是通過為兩級離心壓氣機分別設計可調進口導葉，提升該工況點效率。同時證明可調進氣導葉在擴展兩級同軸離心壓氣機高效率工作范圍的可行性。

表1 兩級離心壓氣機設計點參數

1.2 可調進口導葉

1.2.1 可調進氣導葉原理

進氣導葉可以對離心壓氣機進氣產生節流和預旋作用。葉輪進、出口速度三角形如圖2、圖3所示。

圖2 壓氣機葉輪進口速度三角形示意

圖3 壓氣機葉輪出口速度三角形示意

由速度三角形可知，正預旋可以減小葉輪進氣攻角，改善喘振點附件進氣條件，惡化堵塞點附近進氣條件，使工作范圍向小流量方向移動。同時正預旋會降低壓氣機扭速和葉片對氣體的輸入功，從而降低壓比，故正預旋使壓氣機Map向小流量、低壓比方向移動，如公式(1)。反之，反預旋使壓氣機Map向大流量、高壓比方向移動。對于兩級離心壓氣機，可調進口導葉還能夠調節兩級壓氣機載荷和壓比的分配，使低、高壓壓氣機更好地協同工作。此外，導葉還具有整流作用，削弱高壓壓氣機由于進氣道彎管引起的進氣畸變，進一步改善壓氣機性能。

基于上述，可以通過調節可變進氣導葉，將效率島中心移動到原先的非設計工況點附近，進而達到提升該工況點效率的目的。

(1)

式中：π為壓氣機壓比；k為氣體比熱容比；R為理想空氣氣體常數；T01為壓氣機進口總溫；U1、U2分別為葉輪進、出口葉片線速度；C1、C2分別為葉輪進、出口絕對速度；θ1、θ2分別為葉輪進、出口絕對速度與軸向、徑向的夾角。

1.2.2 可調進氣導葉設計

基于某直翼型，為低、高壓壓氣機分別設計了進氣導葉。導葉翼型和截面如圖4(a)所示，VIGV與壓氣機葉輪的工作狀態如圖4(b)所示。低、高壓導葉的葉片數均為9片，周向均勻分布，采用相同的葉型，葉片可以繞貫穿葉片弦線中心的徑向軸轉動。導葉尾緣與葉輪前緣的最小距離為導葉最大弦長的1倍，足夠大的該間距可以減小導葉尾跡對下游葉輪的影響；導葉的最大直徑與葉輪進口葉尖直徑之比為1.4。

圖4 VIGV葉型及與壓氣機葉輪組合狀態

2 仿真方法

2.1 計算模型

基于有限體積法的CFD軟件，利用雷諾平均N-S方程的SST模型對兩級離心壓氣機整級做了仿真。葉輪部分選用結構化網格，導葉和蝸殼流道部分采用非結構網格，圖5為仿真計算模型。

圖5 計算模型

2.2 邊界條件

進氣條件選用壓力入口，給定環境的總溫總壓，出口為流量出口，給定所需流量。轉靜交界面采用混合面法處理。計算轉速為100 000 r/min。規定導葉預旋方向與轉速相反時，開啟角度為正，反之為負。低壓導葉分別取-10°、-5°、0°、10°、20°，高壓導葉分別取0°、10°、20°、30°、40°。共計算了25個低、高壓VIGV角度組合方案和1個無VIGV方案，邊界條件見表2。

表2 邊界條件

3 仿真結果

3.1 整體結果

圖6和圖7分別為CFD得到的壓氣機整機效率、壓縮比隨VIGV角度的變化曲線。

圖6 等熵效率隨VIGV角度的變化

圖7 壓比隨VIGV角度的變化

在該項目需求的轉速、流量工況點下，隨著VIGV角度的增大，壓氣機壓比上升，等熵壓縮效率先上升后下降。低壓導葉角度到達20°之后，效率迅速下降，高壓導葉角度達到20°后，升壓速度變緩。帶VIGV的壓氣機在低壓VIGV角度大于-10°，高壓VIGV角度大于0°的條件下，壓比均高于不帶VIGV的壓氣機。帶VIGV壓氣機的效率最高高于無VIGV壓氣機1.6%。

帶VIGV方案最高效率點的仿真結果與無VIGV仿真結果見表3，帶VIGV方案壓比高于無VIGV方案0.14，效率高于無VIGV方案1.6%。其中，兩者低壓機性能差異較小，高壓級效率差異較大，前者效率高于后者3.7%。

表3 無VIGV與帶VIGV方案仿真性能對比

3.2 流場分析

由文中可知，在涉及項目的工況點下，帶VIGV方案壓氣機性能優于不帶VIGV壓氣機，其主要性能差異在于高壓級的變化，文中選取兩算例的高壓級壓氣機流場進行對比分析。

3.2.1 高壓級進氣截面流場分析

由于高壓壓氣機進氣口前彎管的存在，高壓氣機存在進氣畸變。圖8為兩算例高壓級進口截面速度矢量圖，無VIGV壓氣機高壓級進口存在3個旋渦，帶VIGV壓氣機高壓級進口截面流動矢量沿預旋方向均勻分布，無旋渦和分離存在。

圖8 高壓壓氣機進口截面速度矢量

圖9為兩算例高壓級壓氣機進口截面總壓云圖。無VIGV方案的進口的高壓區偏向一側，而帶VIGV方案的進口截面總壓沿沿周向基本均勻分布。這是由于高壓級的進氣導葉不僅起了預旋作用，還起到了整流作用。

圖9 高壓壓氣機進口截面總壓云圖

3.2.2 葉輪內流動分析

圖10為兩方案高壓壓氣機葉輪50%葉高的葉片載荷分布。帶VIGV方案前緣附近載荷高于無VIGV方案，根據可控擴散葉型原理[4]，葉片前緣附近邊界層最薄，具有最好的做功條件，適宜承擔更高載荷；帶VIGV方案在葉片中部載荷更低，葉片中部附面層較厚，降低載荷有利于推遲邊界層分離。

圖10 高壓壓氣機50%葉高葉片載荷分布

文中葉輪存在分流葉片載荷過低、與主葉片載荷相差過大的問題，這會增加出口摻混損失，降低效率。帶VIGV方案分流葉片載荷更高，緩解了該問題，即帶VIGV方案對葉片載荷的分布進行了一定的優化，是效率得以提升的原因之一。

熵增是表征流動混亂程度的參數，高熵增伴隨更高的損失。圖11為兩方案高壓壓氣機葉輪50%葉高截面的靜熵分布，帶VIGV方案高熵區域面積更小，這得益于該方案葉片中部更小的載荷。

圖12為兩方案高壓壓氣機葉輪子午面平均靜熵，帶VIGV方案的高壓壓氣機進口附近熵值更低，這得益于上游導葉的整流作用。

圖11 高壓壓氣機50%葉高熵值云圖

圖12 高壓壓氣機子午面平均熵值

4 結論

文中為氫燃料電池的兩級同軸離心壓氣機設計了可調進氣導葉，并用CFD的方法獲取了在某非設計工況條件下，壓氣機性能隨可調導葉角度的變化規律，結果表明：

(1)隨正預旋角度的增加，壓氣機提升，效率先提升后降低。

(2)相對于無VIGV的壓氣機，帶VIGV壓氣機壓比提高0.14，效率提升1.6%。壓比的提升在于VIGV反預旋而提升的扭速；效率的提升源于VIGV的整流作用以及對葉片載荷的合理調整。

(3)增加可調進氣導葉是提高兩級離心壓氣機高效率范圍的有效方法。