高進(jìn)口馬赫數(shù)徑向擴(kuò)壓器三維葉片設(shè)計(jì)

1、PAGE 10 -高進(jìn)口馬赫數(shù)徑向擴(kuò)壓器三維葉片設(shè)計(jì)摘要：以某組合壓氣機(jī)的高進(jìn)口馬赫數(shù)徑向擴(kuò)壓器為研究對(duì)象，調(diào)整中弧線分布和展向積疊方式，實(shí)現(xiàn)了徑向擴(kuò)壓器三維葉片設(shè)計(jì)，提升了組合壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。數(shù)值計(jì)算表明，與直葉片方案相比，三維葉片方案的堵點(diǎn)流量基本不變、設(shè)計(jì)點(diǎn)恢復(fù)系數(shù)提高1.1%，峰值恢復(fù)系數(shù)提高0.4%；軸流離心組合壓氣機(jī)的峰值效率提升0.2%，喘振裕度由15.8%提升至17.3%。與直葉片方案相比，三維葉片方案更能適應(yīng)離心葉輪出口流場(chǎng)；根部迎角增大和尖部迎角減?。桓咳~盆前緣由于負(fù)迎角導(dǎo)致的局部高馬赫數(shù)區(qū)域得到消除，葉盆側(cè)通道內(nèi)的分離范圍明顯減?。蝗~中和葉尖部位的尾跡得到改善；徑向擴(kuò)

2、壓器進(jìn)口馬赫數(shù)的均勻性得到提高。本文為進(jìn)一步提高擴(kuò)壓器的性能提供設(shè)計(jì)參考。關(guān)鍵詞：徑向擴(kuò)壓器；三維葉片；數(shù)值模擬；流場(chǎng)分析中圖分類號(hào)：V231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.02.005擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)為復(fù)雜的三維黏性流動(dòng)，氣流在強(qiáng)逆壓力梯度下容易發(fā)生分離，帶來(lái)較大的流動(dòng)損失1-5，為高性能擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的難度，也直接影響離心壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。Cukurel等6通過(guò)粒子圖像測(cè)速法（particle image velocity， PIV）所測(cè)得的結(jié)果表明，進(jìn)入擴(kuò)壓器的流體具有不均勻性、非定常性，跨聲流動(dòng)使得擴(kuò)壓器高效率的擴(kuò)壓更為困難。因此，改

3、善擴(kuò)壓器的進(jìn)口條件就意味著更高的擴(kuò)壓器恢復(fù)系數(shù)、寬廣的流動(dòng)范圍和較好的級(jí)效率。Pampreen7和Bammer等8通過(guò)對(duì)早期的直角擴(kuò)壓器進(jìn)行改型，使進(jìn)口扭曲，獲得了較好的性能。張偉等9開展了擴(kuò)壓器前緣傾角對(duì)性能影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明擴(kuò)壓器傾角變化對(duì)性能有明顯的影響，具有合適前緣傾角的擴(kuò)壓器可以改善風(fēng)機(jī)性能。張朝磊等10采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)設(shè)計(jì)工況下的離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器葉片型線進(jìn)行了優(yōu)化。參考文獻(xiàn)11對(duì)某雙離心壓氣機(jī)的直葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行三維葉片設(shè)計(jì)，更能適應(yīng)離心葉輪出口流場(chǎng)，有效提高擴(kuò)壓器性能。本文完成了對(duì)某型軸流-離心組合壓氣機(jī)的徑向擴(kuò)壓器直葉片改三維葉片的改進(jìn)設(shè)計(jì)，將任意中弧線造型方法

4、和切向彎和徑向掠設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于改型設(shè)計(jì)中，改善高進(jìn)口馬赫數(shù)擴(kuò)壓器葉片通道三維流動(dòng)和前緣高馬赫區(qū)，最終獲得了具有彎扭外形特征的三維擴(kuò)壓器葉片。通過(guò)三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析了三維葉片在壓氣機(jī)氣動(dòng)性能提升及流場(chǎng)改善方面的效果，并詳細(xì)對(duì)比分析了內(nèi)部流動(dòng)特性。1研究對(duì)象本文的研究對(duì)象為某3A1C組合壓氣機(jī)的徑向擴(kuò)壓器，擴(kuò)壓器采用等寬度設(shè)計(jì)，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，徑向擴(kuò)壓器流道示意圖如圖1所示。2數(shù)值研究方案本文數(shù)值模擬研究采用CFX17.2軟件，計(jì)算域包括軸流級(jí)、離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器，采用TurboGrid生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，各葉片排網(wǎng)格近壁面第一層網(wǎng)格尺度0.005mm。圖2中給出徑向擴(kuò)壓器

5、前緣網(wǎng)格的示意圖。為了使計(jì)算分析更具有可比性，本文各算例計(jì)算網(wǎng)格均采用相同的網(wǎng)格模板生成，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)格密度均保持一致，計(jì)算邊界條件也保持一致，各葉片排之間交接面采用“混合平面法”的周向守恒方法。求解選用定常計(jì)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。3設(shè)計(jì)方法3.1設(shè)計(jì)流程受離心葉輪出口非均勻性、非定常、高速?gòu)?fù)雜流動(dòng)的影響，以及擴(kuò)壓器本身高逆壓梯度特征，導(dǎo)致擴(kuò)壓器葉片迎角損失、邊界層分離損失以及可能出現(xiàn)的激波損失難以控制，且隨著離心壓氣機(jī)壓比和擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)的不斷提高，低損失、寬裕度擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)有擴(kuò)壓器為直

6、葉片設(shè)計(jì)，進(jìn)口段沿展向?yàn)槲ㄒ恢?，不能適應(yīng)葉輪出口非均勻流動(dòng)，即使在設(shè)計(jì)工況，局部葉高也會(huì)出現(xiàn)較大的正負(fù)迎角，不利于壓氣機(jī)效率的提升以及擴(kuò)壓器和葉輪的匹配設(shè)計(jì)。本文中采用的造型方法如下：首先是根據(jù)一維計(jì)算獲得平均半徑處的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，包括子午通道高度、進(jìn)出口半徑和進(jìn)出口氣流角。通過(guò)給定不同葉高S1流面葉型中弧線葉片角分布、厚度分布以及三維積疊方式，完成三維葉片初始造型設(shè)計(jì)。此后，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。若計(jì)算分析結(jié)果顯示葉片幾何參數(shù)選取不合理，則需要根據(jù)CFD三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果，調(diào)整三維造型參數(shù)進(jìn)行迭代循環(huán)設(shè)計(jì)，直至徑向擴(kuò)壓器氣動(dòng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，流場(chǎng)分布合理。三維

7、徑向擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)流程如圖3所示。3.2三維徑向擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)參數(shù)圖4給出了直葉片徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流角度沿展向的分布，徑擴(kuò)進(jìn)口氣流角度很不均勻，最大與最小進(jìn)口角度偏差達(dá)到15左右，采用常規(guī)直葉片很難取得最優(yōu)性能：輪轂側(cè)有9左右的負(fù)迎角，機(jī)匣側(cè)有3左右的正迎角，造成較大的迎角損失；而三維葉片設(shè)計(jì)可以更好地讓葉片對(duì)準(zhǔn)氣流。依據(jù)圖3給出的設(shè)計(jì)流程，并結(jié)合直葉片徑向擴(kuò)壓器的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，給出三維葉片徑向擴(kuò)壓器的9個(gè)造型截面的葉片角。對(duì)于根部，由于存在負(fù)迎角現(xiàn)象，減小進(jìn)口的葉片角以對(duì)準(zhǔn)來(lái)流；同時(shí)，增大出口的葉片角，根部彎角減小，從而降低子午速度；對(duì)于尖部的正迎角現(xiàn)象，增大進(jìn)口級(jí)幾何角以對(duì)準(zhǔn)氣流，同時(shí)減小出口的葉

8、片角，增大尖部彎角以增大子午速度。通過(guò)多輪迭代優(yōu)化，最終得到如圖5所示的三維徑向擴(kuò)壓器和直葉片徑向擴(kuò)壓器的造型截面中弧線葉片角沿弦長(zhǎng)的分布規(guī)律，原直葉片根尖采用相同的葉片角分布規(guī)律，如圖5中的紅色所示；三維葉片徑向擴(kuò)壓器的9個(gè)造型截面如圖5中的黑色所示，進(jìn)口幾何角根部截面和尖部截面相差9。在設(shè)計(jì)時(shí)，兩者采用相同的葉片數(shù)、葉片厚度分布和流道。圖6給出徑向擴(kuò)壓器三維葉片和常規(guī)直葉片葉型對(duì)比。4計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)上文所述的數(shù)值計(jì)算方法，得到兩種方案徑向擴(kuò)壓器的特性對(duì)比。圖7是直葉片方案和三維徑向擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的擴(kuò)壓器恢復(fù)系數(shù)特性對(duì)比。由圖7可知：與直葉片徑向擴(kuò)壓器相比，3D方案的堵點(diǎn)流量基本不變、

9、設(shè)計(jì)點(diǎn)恢復(fù)系數(shù)提高1.1%，峰值恢復(fù)系數(shù)也提高0.4%。圖8給出了組合壓氣機(jī)中的離心級(jí)流量-壓比特性和流量-效率特性，分別使用設(shè)計(jì)點(diǎn)的離心壓比和組合壓比值進(jìn)行無(wú)量綱化，流量采用近堵點(diǎn)的流量進(jìn)行無(wú)量綱化。由于徑向擴(kuò)壓器流場(chǎng)得到改善，整個(gè)離心級(jí)的特性有所提升：堵點(diǎn)流量基本不變，離心級(jí)峰值效率點(diǎn)提高了0.4%；離心級(jí)最大壓比也提升了0.2%。圖9給出組合壓氣機(jī)流量-壓比特性和流量-效率特性。由于徑向擴(kuò)壓器的改善，軸流離心組合壓氣機(jī)的峰值效率點(diǎn)也提升了0.2%，喘振裕度由15.8%提升至17.3%。5流場(chǎng)分析5.1徑向擴(kuò)壓器對(duì)離心葉輪的影響徑向擴(kuò)壓器由于勢(shì)流作用，也會(huì)對(duì)離心葉輪性能產(chǎn)生較大的影響，主要

10、原因是徑向擴(kuò)壓器會(huì)影響離心葉輪出口靜壓的分布。圖10給出在設(shè)計(jì)點(diǎn)相同流量下，離心葉輪出口靜壓沿展向的分布情況：原始直葉片設(shè)計(jì)的出口靜壓要高于三維葉片，最大靜壓差值高達(dá)13000Pa，從而改變了離心葉輪的工作點(diǎn)和性能。5.2擴(kuò)壓器S1流面流場(chǎng)分析圖11給出了設(shè)計(jì)點(diǎn)直葉片和三維葉片徑向擴(kuò)壓器根、中和尖B to B截面馬赫數(shù)云圖。由圖可知，對(duì)于5%葉高，徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口的負(fù)迎角明顯改善，原設(shè)計(jì)前緣的局部高馬赫數(shù)消失。同時(shí)，葉盆通道內(nèi)大范圍低速區(qū)得到明顯改善，原始設(shè)計(jì)從進(jìn)口到出口葉盆低速區(qū)一直存在，且向后發(fā)展，直至出口占到整個(gè)周向通道的30%；而三維葉片徑向擴(kuò)壓器，在靠近前緣位置基本消除葉盆分離，分離僅

11、存在于40%弦長(zhǎng)位置之后，并且低速區(qū)范圍明顯減小。對(duì)于50%葉高，徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口高馬赫數(shù)區(qū)域稍有改善，最大馬赫數(shù)減小，靠近出口位置葉盆低速區(qū)范圍明顯減小。對(duì)于95%和50%葉高，徑向擴(kuò)壓器出口尾跡明顯改善。5.3徑向擴(kuò)壓器表面靜壓分布圖12中給出5%葉高、50%葉高和95%葉高徑向擴(kuò)壓器吸、壓力面的靜壓分布。其中，吸力面和壓力面的差值表征葉片負(fù)荷，其中局部放大圖表示設(shè)計(jì)點(diǎn)前緣00.05子午弦長(zhǎng)位置。圖12中5%葉高，如局部放大圖所示，三維徑向擴(kuò)壓器顯著緩解了前緣的負(fù)迎角，這和馬赫數(shù)云圖揭示的流動(dòng)現(xiàn)象一致。同時(shí)三維徑向擴(kuò)壓器使設(shè)計(jì)點(diǎn)的負(fù)荷向尾緣方向移動(dòng)，設(shè)計(jì)點(diǎn)和近喘點(diǎn)的25%弦長(zhǎng)位置的負(fù)荷都有提

12、升。50%葉高呈現(xiàn)出類似的流動(dòng)現(xiàn)象，無(wú)須贅述。對(duì)于95%葉高，前緣正迎角現(xiàn)象得到改善，且由于流動(dòng)的改善，40%弦長(zhǎng)位置的負(fù)荷稍有提升。5.4徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)的分布圖13給出徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)沿展向的分布情況。如圖13所示，三維葉片設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口馬赫數(shù)展向分布更均勻，展向最高馬赫數(shù)降低約0.1；且近失速點(diǎn)輪轂側(cè)流場(chǎng)得到明顯改善，輪轂側(cè)低馬赫數(shù)區(qū)域減小，最小馬赫數(shù)增大。6結(jié)論本文完成了某軸流離心組合壓氣機(jī)的高進(jìn)口馬赫數(shù)徑向擴(kuò)壓器的三維葉片改進(jìn)設(shè)計(jì)，并分別對(duì)直葉片徑向擴(kuò)壓器和三維葉片徑向擴(kuò)壓器進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和詳細(xì)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。（1）與直葉片徑向擴(kuò)壓器相比，三維葉片徑向擴(kuò)壓器方案的

13、堵點(diǎn)流量基本不變、設(shè)計(jì)點(diǎn)效恢復(fù)系數(shù)高1.1%，峰值恢復(fù)系數(shù)也高0.4%；離心級(jí)峰值效率提高了0.4%，離心級(jí)最大壓比提升了0.2%；軸流離心組合壓氣機(jī)的峰值效率點(diǎn)也提升了0.2%，喘振裕度由15.8%提升至17.3%。（2）徑向擴(kuò)壓器由于勢(shì)流作用，會(huì)影響離心葉輪出口靜壓的分布。相同流量下，三維葉片擴(kuò)壓器方案中離心葉輪出口靜壓要低于直葉片，最大靜壓差值高達(dá)13000Pa，進(jìn)而影響離心葉輪的匹配點(diǎn)。（3）三維葉片更能適應(yīng)離心葉輪出口流場(chǎng)，根部迎角增大和尖部正迎角減小。5%葉高和50%葉高葉盆前緣由于負(fù)迎角導(dǎo)致的局部高馬赫數(shù)區(qū)域得到消除，通道內(nèi)的葉盆側(cè)分離范圍明顯減小。95%和50%葉高，徑向擴(kuò)壓器

14、出口尾跡明顯改善。徑向擴(kuò)壓器吸、壓力面的靜壓分布也驗(yàn)證了根部負(fù)迎角和尖部正迎角減小，三維徑向擴(kuò)壓器使負(fù)荷向尾緣方向移動(dòng)。（4）三維葉片徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口流場(chǎng)一致性更好。設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口馬赫數(shù)展向分布更均勻，展向最高馬赫數(shù)降低約0.1；且近失速點(diǎn)輪轂側(cè)低馬赫數(shù)區(qū)域減小，最小馬赫數(shù)增大。參考文獻(xiàn)1Ferrara G. Experimental investigation and characterization of the rotating stall in a high pressure centrifugal compressor：part I C/Proceeding of ASME Turbo E

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