車用跨聲速離心壓氣機高原適應性改進設計

佟鼎，劉貴升，林森，宋志偉，王憲磊，賈曉亮，馬錦榮

(1.中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室，天津 300400；2.陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐臨汾地區軍事代表室，山西 侯馬 043011；3.北方車輛集團有限公司，北京 100071)

柴油機的發展趨勢是不斷提高功率密度，隨著發動機體積減小、排放要求提高以及變海拔環境的適應性需求提升等，研制性能高、質量輕的單級高壓比渦輪增壓器勢在必行。

離心壓氣機是渦輪增壓器的核心部件，對于壓比大于3.0的離心壓氣機，其內部流動為跨聲速流動，如何降低內部激波、附面層干擾損失成為高壓比跨聲速離心壓氣機設計的難點[1]。高壓比跨聲速離心壓氣機的研究主要集中在航空和船舶領域[2-5]。Hirotaka等[6]設計了壓比11的航空離心壓氣機，其進口馬赫數達到1.6，并詳細分析了其內部的流動損失特征。Hunzike等[7]對船用高壓比增壓器的高流通能力進行了設計研究，開發了壓比大于4.7的系列增壓器。陳江、季路成[8]針對某航空發動機離心壓氣機實施改型氣動設計與數值模擬，通過葉型基本特征的改變提升了壓氣機的效率。

與航空和船用離心壓氣機相比，車用離心壓氣機尺寸較小，其設計難度更大,尤其對于變海拔適應性，要求壓氣機在滿足高壓比的同時，還要有較寬的流量范圍。對于車用高壓比離心壓氣機的設計，國內外眾多的學者開展了大量的研究工作，主要集中在葉型優化、流道改型和機匣拓穩等方面[9-12]。在基本葉型優化方面，V. C. Arunachalam等[13]通過數值仿真研究了葉片尾緣傾斜角對離心壓氣機性能的影響，結果表明，合適的葉片傾斜角將會使壓氣機壓比提高、失速裕度增加。J. S. Oh等[14]對葉片的傾斜角也開展了相應的研究工作，結果表明，合適的傾斜角能夠使離心葉輪尾跡分離區減緩，從而使流動更加均勻，能夠有效提高葉輪效率和壓比。楊策等[15]針對直、正彎和反彎3種葉片的離心壓氣機葉輪進行了設計和分析，得到了不同葉片離心葉輪的性能變化規律。初雷哲、杜建一等[16]通過數值模擬方法對不同葉片前緣形狀的離心壓氣機性能開展了研究，結果表明，鈍型、圓型和橢圓型前緣的葉片能夠提升離心壓氣機性能。隨著增壓壓比的提高，壓氣機內部流動分離加劇，流量范圍變窄，所帶來的設計難度更大。

本研究針對某增壓器原機高原適應性不足的問題，通過基本葉型的優化，在原機基礎上設計了高壓比離心壓氣機葉輪，使其性能得到了進一步的提升。

1 設計需求

圖1示出原型離心壓氣機性能與設計工況需求。原型離心壓氣機葉輪最高設計線速度為510 m/s,對應圖1中的1.0Nd轉速線，從圖1可以看出，現有原型離心壓氣機可以滿足平原運行工況，但是無法滿足高原運行工況，壓比和流量范圍均達不到高原使用需求。

圖2示出原型離心壓氣機葉輪及平原設計點馬赫數分布。原葉輪由7支主葉片和7支分流葉片組成，葉片進口氣流角為61°，出口氣流角為27.5°。當離心壓氣機壓比大于3.0時，葉尖的相對馬赫數大于1，進入到跨聲速流動階段。從圖2可以看出，葉片前緣局部區域馬赫數已經大于1，激波損失加劇。而高原改進設計工況需求壓比為4.0，因此所帶來的激波、負面層損失將更為嚴重。要滿足高原使用需求，需要提升離心壓氣機的壓比，增強離心葉輪的做功能力并降低激波損失。

圖1 原型離心壓氣機性能與設計工況需求

圖2 原型壓氣機葉輪及平原設計點馬赫數分布(95%葉高)

離心壓氣機壓比表述式為

P02/P01=[1+(Δh0/h01)ηt-t]γ/(γ-1)。

(1)

式中：01代表葉輪入口；02代表葉輪出口；P為總壓；ηt-t為壓氣機總-總效率。根據歐拉方程：

Δh0=U2Vu2-U1Vu1=U2Vu2=ωr2Vu2。

(2)

其中，速度變量分解見圖3。

圖3 葉輪出口速度三角形

由葉輪出口速度三角形可得：

Vu2=U2-Vr2tanβ2。

(3)

綜合以上方程可得：

(4)

通過以上公式可以看出：可以通過提高壓氣機的效率，在r2不變的情況下，提升旋轉角速度ω、降低葉片后彎角β2來提升壓氣機的壓比。

因此，在改進設計過程中，應對以下幾個方面進行特別關注：

1) 降低葉輪進口馬赫數；

2) 選定合適的葉輪出口氣流角與出口寬度；

3) 降低葉片載荷(loading)；

4) 提升離心壓氣機穩定性。

由于改進設計要以現有增壓器為基礎，為了盡可能減小改動，葉輪的幾何參數要保持與原型機一致，因此受到一定的約束。

2 改進設計

改進設計將依據設計目標及改型關注點通過一維初始設計確定基本葉型幾何參數(葉輪進口直徑、葉輪進口氣流角等)，通過三維CFD仿真詳細設計分析內部流動狀態，進一步優化葉型結構。改進設計流程見圖4。

圖4 改進設計流程圖

2.1 初始設計

2.1.1葉輪進口

葉輪進口設計首先要滿足壓氣機需求的堵塞流量，同時要以盡可能降低葉輪進口馬赫數為準則，根據選取的設計點參數，基于兩區模型性能預測方法，利用相應的損失模型，借助Compal一維性能預測軟件，對葉輪進口參數進行一維預測。

圖5和圖6分別示出堵塞流量隨進口氣流角以及相對馬赫數隨葉輪進出口輪徑比的變化趨勢。根據計算結果，為滿足高原運行點使用堵塞流量需求，選定葉片進口氣流角為62.8°，葉輪進出口輪徑比為0.72。

圖5 堵塞流量隨進口氣流角的變化

圖6 相對馬赫數隨葉輪進出口輪徑比的變化

2.1.2葉輪出口

圖7 壓氣機葉輪后彎角示意

離心壓氣機的葉輪出口對壓比和效率有著決定性的影響。增加后彎角β(見圖7)可以提高葉輪的效率和穩定性，然而在改進設計過程中，葉輪出口速度是限定的，要在現有基礎上提升壓比，應該降低葉片的后彎角。后彎角降低太小，做功能力提升不足，而后彎角降低過大，會使得效率下降明顯，因此，將后彎角由原27.3°改為20°。

2.1.3初始葉型

葉片的進出口參數確定以后，需要進一步確定葉片的子午流道以及葉片的初始角分布。通過單流管等氣動計算方法進行簡單計算，控制葉片載荷、相對速度(馬赫數)分布并進行調整優化，從而得到葉片初始子午葉型。葉片角的分布需綜合考慮最大負荷位置、葉片包角、葉片傾斜角等，葉片角分布一確定，葉片包角和葉片傾斜角也就確定了。

圖8 子午流道示意

通過計算，最終確定的子午流道及葉片角分布見圖8與圖9。因為壓比要升高，需要進一步提升葉輪的做功能力，因此與原型葉輪相比，輪轂弧線具有更大的曲率及通道子午面積。輪緣進口前緣的曲率一般取為0，以避免或減小激波引起的流動分離。原型葉輪壓比較低，最大負荷分布在子午流道中部；改型葉輪葉片最大負荷在60%～80%子午流道處，這就意味著最低輪緣β角在70%～80%子午流道處。

圖9 葉片角分布

2.2 詳細設計

初始設計中，通過一維的初始計算確定了葉片的基本形狀，以下將通過CFD數值仿真，進行詳細的葉輪設計，主要包括分流葉片的設計、葉輪出口葉型的優化以及壓氣機葉輪的強度校核計算分析。

2.2.1分流葉片改進設計

圖10 分流葉片位置示意

目前國內外一些高壓比、高效率的離心式壓氣機葉輪廣泛采用分流葉片的型式。實踐證明，帶分流葉片的離心壓氣機葉輪既減少了進口氣流的阻塞，又提高了葉輪出口的滑移系數，不僅使葉輪效率提高，而且由于改善了葉輪出口流場，壓氣機整機性能也得到提高。分流葉片通常是長葉片的截斷，其進口直徑一般根據長葉片進口處的相對馬赫數大于分流葉片進口處的相對馬赫數的原則來確定。同時，國內外研究結果表明，離心壓氣機葉片的前掠將會對離心壓氣機性能改善起到明顯的作用。因此在分流葉片的設計過程中，依據分流葉片進口原則，確定初始位置為25%輪轂長度處，針對分流葉片采用無掠和前掠10°的兩種方案進行流場結構分析(見圖10)。考慮到葉輪較多的葉片數可以降低氣流在葉輪入口以及出口處的滑移，增加葉片對氣流的做功和導流作用，因此，將原葉輪的7大7小葉片增加為9大9小葉片。

計算采用CFX求解器， Shear-Stress Transport湍流模型，一階迎風格式差分方法，進口邊界條件為軸向進氣，溫度298 K，壓力101 325 Pa。

計算優先采用靜壓出口條件，每個轉速下均由大流量工況向小流量工況計算，當出口壓力條件響應不明顯時，改為質量流量，直至結果參數值無法收斂時停止計算，認為此時已經達到離心壓氣機喘振邊界。

葉輪網格劃分見圖11。計算采用單葉輪通道，葉輪設計過程未考慮蝸殼影響，計入進口及擴壓器部分，總網格數為60萬。計算選定3條轉速線(0.67Nd、0.76Nd和0.86Nd)，Nd為原型壓氣機設計最高轉速。性能計算結果見圖12。

圖11 葉輪網格劃分示意

圖12 兩種葉型離心壓氣機葉輪特性對比

通過圖12可以看出，在所計算的3條轉速線工況下，分流葉片前掠對于壓比特性影響不大，隨著轉速增高，分流葉片前掠使得堵塞流量略有下降，這是因為葉片的前掠略微改變了葉輪通道的喉道面積。對比效率特性可以看出，分流葉片的前掠能夠提升壓氣機的峰值效率，在所計算的3種轉速工況下峰值效率均略有提升。

為了探明效率提升的機制，圖13示出0.67Nd轉速最高效率工況點兩種葉型90%葉高靜熵分布的對比情況。從靜熵分布的情況可以看出，分流葉片前掠能夠抑制葉輪通道下游部分的低能流團的分布，改善通道內部的流動損失情況，因此在效率上有一定的提升。

圖13 兩種葉型90%葉高靜熵分布對比

2.2.2葉輪出口葉型優化

圖14 葉輪出口葉型優化示意

氣流在工作葉輪的作用下高速旋轉，在離心力的作用下進行壓縮，在葉輪中后位置得到較多的歐拉功輸入，因此葉輪尾緣對壓比的提升作用明顯。基于此，在直出口葉片葉型的基礎上，采用曲線出口葉型，進一步增加葉輪出口葉片的做功能力，以達到進一步提升壓比的目的，優化示意見圖14。為了與直出口葉型進行對比分析，網格尺度與前述一致，計算依然選定3條轉速線(0.67Nd、0.76Nd和0.86Nd)，Nd為原型壓氣機設計最高轉速。

圖15示出曲線出口葉型和直葉型壓氣機壓比和效率特性曲線。通過圖15可以看出，在全工況范圍內，壓氣機的壓比和穩定性有所提升。從流量范圍來看，曲線出口葉型葉輪在提升壓比的同時使喘振流量向小流量方向移動，在一定程度上提升了流動穩定性；而堵塞流量并沒有產生明顯的變化。從效率特性可以看出，曲線出口葉型葉輪在計算工況整體效率有所提升。為了分析性能變化原因，本研究詳細分析了流場結構的變化。

通過圖16子午面總壓分布對比可以看出，曲線出口葉型離心壓氣機葉輪在葉輪出口位置處總壓提升效果明顯。主要是因為曲線出口葉型會使葉頂軸向弦長增大，而增大的區域主要在葉片尾緣。葉片中后位置是葉輪內氣流從軸向轉為徑向的區域，也是傳遞能量將氣流動能轉變為壓力能的主體，曲線出口葉型增加了葉輪葉片對流體做功的當量面積，使做功能力增強，壓比提升。

通過圖17葉輪流道90%葉高的相對馬赫數計算結果可以看出，在主葉片前緣均存在一道斜激波，在通道下游存在大范圍的低速能團。兩種葉型葉輪對應的大范圍低速能團主要分布在分流葉片的兩側，隨著葉輪出口葉型的優化，兩側低能流團的分布發生了明顯變化，曲線出口葉型分流葉片壓力面低能流團的范圍大幅度降低。這主要是因為采用曲線出口葉型使得葉頂軸向弦長增大，而增大的區域主要在葉片尾緣，而葉片中后位置是葉輪內氣流從軸向轉為徑向的區域，能夠進一步抑制尾緣流動分離與葉間泄漏效應的結合，從而降低葉尖泄漏對主流道內流動的影響。

通過圖18兩種葉型離心壓氣機葉輪90%葉高靜熵分布可以看出，曲線出口葉型葉輪內部流動損失更小。結合馬赫數分布特征可以看出，分流葉片兩側的低能流團是造成流動損失的主要因素。曲線出口葉型對低能流團的抑制減小了流動損失，因此在整體的效率特性表征上，要優于直出口葉型。

經過葉輪的詳細設計，最終確定采用前掠分流葉片及曲線出口葉型作為最終優化改進葉輪的葉型方案。

圖18 兩種葉型離心壓氣機葉輪90%葉高靜熵分布對比

2.2.3葉片厚度分布及結構強度校核

葉片厚度分布關系著葉片強度、堵塞裕度、加工限制和輪轂擴散等，在設計過程中應詳加考慮。

圖19示出調整后的壓氣機葉輪葉片厚度分布。基于此厚度分布建立有限元仿真模型，進行結構有限元分析，邊界條件為葉輪前端面軸向約束，輪背裝配面周向約束。圖20示出設計最高轉速葉輪的等效應力分布。最大等效應力為386 MPa，位于輪孔中心(靠近輪背)。葉輪的材料為鍛鋁合金2A70，其屈服強度370 MPa，強度極限410 MPa。雖然最大應力略微超過屈服強度，但只是局部產生塑性變形，因此滿足強度設計要求。

圖19 原型及改型壓氣機葉輪葉片厚度分布

圖20 改型壓氣機葉輪等效應力分布

3 試驗驗證

在完成壓氣機葉輪氣動和結構強度設計的基礎上，對壓氣機葉輪進行加工，并進行性能試驗。葉輪實物見圖21。試驗原理見圖22。

渦輪端由氣源提供動力，通過氣源提供空氣進入燃燒室燃燒，為渦輪提供高溫高壓燃氣。渦輪轉速調節主要是通過調節渦輪進口流量、壓力和溫度來實現。當試驗控制臺顯示的參數穩定后開始采集數據。測試過程一般從壓氣機大流量端開始，根據實際需要保持一定的流量間隔，逐漸減小流量，直到接近喘振流量工況。

圖21 原型機及新設計離心壓氣機葉輪實物

1—雙扭線流量計；2—流量計壓差傳感器；3—壓氣機入口溫度壓力傳感器；4—轉速傳感器；5—待測壓氣機；6—壓氣機出口溫度壓力傳感器；7—電動排氣控制閥；8—電動微調閥；9—渦輪；10—機油濾清器；11—回油泵；12—機油泵；13—換熱器；14—機油箱；15—燃燒室；16—燃油流量計；17—點火及切斷裝置；18—燃油調節閥；19—燃油箱；20—燃油泵；21—進氣流量計；22—進氣調節閥；23—進氣旁通閥；24—風機。圖22 試驗原理

通過試驗結果(見圖23)可以看出，改型的離心壓氣機在壓比和流量范圍上得到了大幅提升，最高壓比可以達到4.68，較原型機提升了23.5%。雖然效率較原型機略有下降，但是能夠滿足柴油機的整機匹配需求，保證了增壓器在設計轉速下可靠地運行。

圖23 改型與原型離心壓氣機性能曲線對比

4 結論

a) 兩區模型性能預測技術具有很大的工程應用價值，在較少的輸入信息需求下，可快速預測壓氣機特性，同時其控制載荷葉片造型技術應用于工程設計；

b) 分流葉片前掠使得堵塞流量略有下降，但是能夠在一定程度上提升壓氣機的峰值效率，主要是分流葉片前掠能夠抑制葉輪通道下游部分的低能流團的分布，改善通道內部的流動損失情況；

c) 采用曲線出口葉型能夠有效提升壓氣機葉輪的壓比和效率，增加葉輪葉片對流體的做功的當量面積，使做功能力增強；葉頂軸向弦長增大，能夠進一步抑制尾緣流動分離與葉間泄漏效應的結合效果，抑制分流葉片兩側低能流團的分布，從而提高效率。