某微型渦噴斜流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)及性能分析

呂文，宋丹路，曲帥杰，周紅燕

(1.西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621010)

0 前言

由于一系列優(yōu)勢，離心壓氣機(jī)在中、小和微型燃?xì)廨啓C(jī)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但在實(shí)際工作中，由于離心力和徑向壓差存在于壓氣機(jī)中，離心壓氣機(jī)中常見射流-尾跡結(jié)構(gòu)[2]，導(dǎo)致離心壓氣機(jī)葉輪效率急劇下降。斜流壓氣機(jī)兼有軸流壓氣機(jī)的小迎風(fēng)面積、高效率特性及離心壓氣機(jī)的單級壓比高、工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，且在同樣的增壓比情況下，其迎風(fēng)面積比離心壓氣機(jī)小[3]。斜流壓氣機(jī)具有單級增壓比高、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定裕度大等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛[4-5]。

為探究斜流壓氣機(jī)技術(shù)以用于微型渦噴發(fā)動機(jī)，以壓比、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)為設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一臺壓比為3.662、流量為3.324 kg/s、等熵效率為87.61%的斜流壓氣機(jī)，與完全相同參數(shù)的離心壓氣機(jī)相比，它擁有更大的流量、壓比和等熵效率。利用CFD 數(shù)值模擬方法完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證。由于在工程實(shí)際運(yùn)用中，壓氣機(jī)往往偏離最初的設(shè)計(jì)點(diǎn)工作，容易造成壓氣機(jī)整體性能以及穩(wěn)定工作的范圍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，模擬分析該壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的全工況，獲取性能曲線，并驗(yàn)證流動失穩(wěn)機(jī)制。

1 斜流壓氣機(jī)參數(shù)

某微型渦噴斜流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)要求：工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速為40 000 r/min，壓比為3.5，質(zhì)量流量為3.2 kg/s，進(jìn)口總壓為101 325 Pa,進(jìn)口總溫為300 K，葉片前緣、尾緣厚度均為2 mm，葉尖間隙為0.3 mm。

應(yīng)首先確定外形尺寸大小，如壓氣機(jī)進(jìn)口輪緣直徑、進(jìn)口輪轂高度、葉片數(shù)目、出氣角度、葉輪出口半徑、出口高度等尺寸參數(shù)。以大量的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)初始參數(shù)不斷分析、修正和優(yōu)化，最終確定合理的初始設(shè)計(jì)參數(shù)。

壓氣機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)流程：

(1)選擇進(jìn)口輪轂比(d1h/d1s),一般取值范圍為0.3～0.5[6];

(2)確定進(jìn)、出口角度Pi1/Pi2；

(3)確定葉輪攻角、主葉片數(shù)以及前緣厚度；葉片數(shù)目應(yīng)該合理選擇，因?yàn)樵黾訅簹鈾C(jī)葉片數(shù)量能夠提高效率，同時也能降低葉片載荷，數(shù)量太多也相對比較容易造成進(jìn)口堵塞。葉片數(shù)量的選擇可參考以下經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

式中:H為焓增;v2為葉輪線速度；Tt1為進(jìn)口總溫。

從強(qiáng)度和加工考量，一般厚度不小于出口直徑的0.3%[8]。葉片前緣厚度越薄越好，以減少進(jìn)口氣流在前緣處發(fā)生的加速現(xiàn)象[9]。綜合考慮這2個因素，最終選擇0.2 mm葉厚；

(4)選擇出口寬度B2、出口半徑R2；

(5)選擇葉片后掠角β2b、尾緣厚度。

綜合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的限制因素，選定斜流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和關(guān)鍵參數(shù)；再將初步選定的參數(shù)輸入仿真軟件，模擬壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)的工作性能。經(jīng)過分析改正，最終確定了葉輪參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪參數(shù)

2 壓氣機(jī)三維模型

以一維設(shè)計(jì)所得參數(shù)為基準(zhǔn)，建立葉輪的三維模型，并采用仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分，再輸入邊界條件等參數(shù)，進(jìn)行模擬仿真。最終得到的壓氣機(jī)三維模型如圖1所示，葉輪等熵效率為87.61%、壓比為3.662。

圖1 斜流壓氣機(jī)三維模型

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

采用Spalart-Allmaras湍流模型[10]和Turbulent Navier-Stokes方程組。經(jīng)驗(yàn)表明，該湍流模型合適，能夠滿足壓氣機(jī)內(nèi)復(fù)雜的流動。流體介質(zhì)為理想氣體，給定背壓及定常數(shù)值模擬計(jì)算，其余條件選擇系統(tǒng)中默認(rèn)值。近壁面第一層網(wǎng)格Y+在合理范圍中。

邊界條件：進(jìn)氣方式選擇軸向進(jìn)氣，進(jìn)口總壓為101 325 Pa、進(jìn)口總溫為300 K、給定出口背壓，最大迭代步數(shù)為400、CFL數(shù)為3，雙精度求解器計(jì)算。

3.2 網(wǎng)格無關(guān)性

為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，分別繪制8套網(wǎng)格總數(shù)介于90×104～600×104的方案，等熵效率之間的極差為0.26%。從圖2可以看出:隨著網(wǎng)格數(shù)的改變，等熵效率逐漸波動，但網(wǎng)格達(dá)到一定數(shù)值時，效率不再隨網(wǎng)格數(shù)的增加而改變。網(wǎng)格數(shù)目直接影響仿真精度，網(wǎng)格過少會導(dǎo)致結(jié)果失真，過多將會加大計(jì)算量。本文作者選取網(wǎng)格總數(shù)約108萬，最小正交性角度10.024、最大長寬比1 439.8、最大延展比5.180 9，質(zhì)量良好，符合計(jì)算條件。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

3.3 特性曲線

設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為40 000 r/min、等熵效率為87.61%，根據(jù)模型模擬不同轉(zhuǎn)速條件下壓氣機(jī)內(nèi)部的流場，得到此壓氣機(jī)在90%、100%和110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的特性曲線[11]，以及相對馬赫數(shù)云圖。進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時，預(yù)先給定設(shè)計(jì)點(diǎn)背壓，再逐漸增大背壓，將最后一個收斂點(diǎn)視為近失速點(diǎn)；同理，減小背壓，當(dāng)出口流量不變時，該點(diǎn)視為近堵塞點(diǎn)。

圖3所示為壓比-流量特性曲線，可以得出：流量保持不變時，轉(zhuǎn)速越大，壓比也越大，葉片負(fù)載能力更強(qiáng)；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，減小壓氣機(jī)的流量，運(yùn)行工況將向近失速點(diǎn)靠攏，此時壓比略微升高，葉片負(fù)載能力增加。

圖3 壓比-流量性能曲線 圖4 等熵效率-流量性能曲線

各轉(zhuǎn)速下的近失速點(diǎn)、近堵塞點(diǎn)構(gòu)成不穩(wěn)定邊界，隨著流量增大，壓比呈現(xiàn)不斷下降的趨勢；隨著轉(zhuǎn)速增大，壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的范圍變小，原因是隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，流量會加大，進(jìn)口馬赫數(shù)升高，壓氣機(jī)容易進(jìn)入失速和堵塞這2種不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4所示為等熵效率-流量性能曲線，可以得出：流量大于某一臨界值后，轉(zhuǎn)速越大，等熵效率越高，但靠近堵塞點(diǎn)，運(yùn)行范圍??；90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的范圍更大，氣動性能更好；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，隨著流量升高，等熵效率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

為進(jìn)一步分析在設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)流場狀況和非設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的性能問題，著重分析壓氣機(jī)在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的2個臨界點(diǎn)工況(近堵塞點(diǎn)、近失速點(diǎn))。非設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速，90%和110%最高效率點(diǎn)時，斜流壓氣機(jī)的最大等熵效率分別為90.22%和87.96%。

3.4 設(shè)計(jì)點(diǎn)的流場分析

壓氣機(jī)在葉頂間隙和葉根處的流動狀況極其惡劣。為分析該斜流壓氣機(jī)在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的流動狀況，選用壓氣機(jī)臨界點(diǎn)(近堵塞點(diǎn)、近失速點(diǎn))b2b面的5%、50%和95%葉高處的相對馬赫數(shù)進(jìn)行分析。

圖5所示為近堵塞點(diǎn)相對馬赫數(shù)云圖，可知：進(jìn)口馬赫數(shù)約0.8，呈現(xiàn)亞音速流動狀態(tài)；當(dāng)氣流進(jìn)入葉輪通道后，在壓力面、吸力面前緣處流動，發(fā)生局部惡化產(chǎn)生激波且流體在葉形壓力面形成低能流體團(tuán)，該處的馬赫數(shù)約為0.4，此時在葉片尾緣出現(xiàn)明顯的射流-尾跡區(qū)。這些因素導(dǎo)致了葉輪效率的下降，原因是吸力面尾緣的低能流體減小了葉間通道的有效過流面積；在95%葉高處，整個進(jìn)口區(qū)域呈現(xiàn)超音速狀態(tài)，激波不斷增強(qiáng)，馬赫數(shù)最大達(dá)到1.8，低能流體最小馬赫數(shù)為0.231且該處區(qū)域不斷增大。

圖5 近堵塞點(diǎn)，5%、50%、95%葉高處相對馬赫數(shù)

圖6所示為近失速點(diǎn)5%、50%、95%葉高處相對馬赫數(shù)，可知：氣體以亞音速流動狀態(tài)進(jìn)入葉輪后，激波處最大馬赫數(shù)為1.54，低能流體處最小馬赫數(shù)為0.31；葉片壓力面未出現(xiàn)激波，因而葉片前緣的氣體流動比近堵塞點(diǎn)時更好；近失速點(diǎn)與近堵塞點(diǎn)相比較，激波相對更弱，最高馬赫數(shù)為1.54，且葉形吸力面中央處未出現(xiàn)激波，但低能流體影響更大。

圖6 近失速點(diǎn)，5%、50%、95%葉高處相對馬赫數(shù)

3.5 非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能分析

為分析壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行性能，選取90%和110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的最高效率點(diǎn)作為模擬分析對象。通過分析2個非設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速下的馬赫數(shù)、熵增分布情況，獲得該壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的氣動性能。

圖7、圖8所示分別為不同轉(zhuǎn)速下b2b面的馬赫數(shù)云圖?？芍翰煌D(zhuǎn)速下馬赫數(shù)的分布以及低能流體的分布大體一致，只是轉(zhuǎn)速的不同，造成了激波和低能團(tuán)的位置有所擴(kuò)散；隨著轉(zhuǎn)速從36 000 r/min增加到44 000 r/min以及從5%、50%葉高處到95%葉高處，葉片前緣吸力面、壓力面激波逐漸增大，并且不斷后移；流道中的低能流體區(qū)域增大，低能團(tuán)主要集聚在吸力面靠近尾緣處的位置，影響氣體流動。相比之下，110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下最高效率點(diǎn)的等熵效率更小、進(jìn)口馬赫數(shù)更大、激波相對更強(qiáng)；90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的激波、低能流體和尾跡損失更小、氣動性能更好、等熵效率更高。

圖7 90%轉(zhuǎn)速下最高效率點(diǎn)，各葉高處相對馬赫數(shù)

圖8 110%轉(zhuǎn)速最高效率點(diǎn)，各葉高處相對馬赫數(shù)

圖9所示分別為90%、100%、110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)子午面的熵增分布情況?？芍翰煌D(zhuǎn)速下的熵增分布類似，在機(jī)匣、輪轂處形成了高熵增區(qū)域，原因是葉頂間隙泄漏以及激波造成了損失。KANG[12]指出葉輪內(nèi)部的損失主要來源于激波與附面層的相互干擾。HIGASHIMORI等[13-14]發(fā)現(xiàn)高馬赫數(shù)會導(dǎo)致輪蓋側(cè)附面層之間的相互干擾，因此葉片流道中部葉頂附近產(chǎn)生低速區(qū)并伴有回流。隨著轉(zhuǎn)速從90%提高到110%時，機(jī)匣與葉片出口區(qū)域的熵增區(qū)域逐漸增大。

圖9 90%、100%、110%轉(zhuǎn)速下的熵增

4 結(jié)論

(1)給定壓氣機(jī)初始參數(shù)，構(gòu)建了某微型渦噴斜流壓氣機(jī)的三維模型，與給定的初始設(shè)計(jì)指標(biāo)相符合，說明該設(shè)計(jì)可行。

(2)通過計(jì)算得到了壓氣機(jī)3種轉(zhuǎn)速下的特性曲線，結(jié)果表明：90%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍更寬，氣動性能更好，流動損失更??；100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，流量小于3.1 kg/s時，其效率最低;在110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，流量大于3.1 kg/s時流量范圍更大。

(3)分析轉(zhuǎn)速為40 000 r/min時的流場，結(jié)果表明：葉輪壓力面、吸力面激波損失和尾緣的低能流體是造成斜流壓氣機(jī)流動不穩(wěn)定的主要原因。