許志鵬++沈偉++于復(fù)磊

摘 要：基于Vista CCD離心壓氣機(jī)設(shè)計和氣動性能分析軟件，設(shè)計了一型增壓比達(dá)到8的高增壓比離心壓氣機(jī)，并利用葉輪分析工具對該壓氣機(jī)的葉輪的氣動性能進(jìn)行了驗算。計算結(jié)果表明：該型離心葉輪設(shè)計點(diǎn)的工況基本接近設(shè)計的預(yù)期值，但由于葉輪結(jié)構(gòu)和高負(fù)荷帶來的葉輪壅塞條件下氣流參數(shù)分布的復(fù)雜性，葉輪的流量大于設(shè)計流量，由此驗證了該軟件良好的初級設(shè)計效果。葉輪工作流場的數(shù)值分析結(jié)果還表明：高負(fù)荷葉輪出口部位后彎角度、前傾角度、葉頂間隙對整體性能均有影響。

關(guān)鍵詞：Vista CCD 離心葉輪 設(shè)計 流場 數(shù)值仿真

中圖分類號：TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1.引言

離心壓氣機(jī)相比軸流式壓氣機(jī)具有單級壓比高、小流量適應(yīng)性好、軸向尺寸小、穩(wěn)定工作范圍寬廣、零件少和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1][2]，因此在小流量的燃?xì)廨啓C(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而離心葉輪的葉片形狀復(fù)雜，三維特征性強(qiáng)，且隨氣動負(fù)荷的增加，葉輪中流場會出現(xiàn)超音速流、激波等復(fù)雜氣動現(xiàn)象，這使得離心壓氣機(jī)尤其是高增壓比離心壓氣機(jī)設(shè)計和性能分析較為困難 [3-7]。

ANSYS中的Vista CCD模塊是一種專門針對離心葉輪的初步設(shè)計軟件，只需要設(shè)計者提供離心葉輪的設(shè)計轉(zhuǎn)速、壓比、流量等工作參數(shù)和葉輪尺寸、葉輪葉片基本幾何特性參數(shù)即可快速計算出滿足要求的離心葉輪，并根據(jù)工程經(jīng)驗參數(shù)估算整個壓氣機(jī)的特性參數(shù)，為離心壓氣機(jī)的初步設(shè)計提供了一個便捷的技術(shù)途徑。此外，ANSYS中葉輪氣動性能分析套件還可利用Vista CCD的初始葉型進(jìn)行驗算和分析，進(jìn)而優(yōu)化葉輪乃至整個壓氣機(jī)的設(shè)計。

基于Vista CCD軟件，本文設(shè)計了一型增壓比達(dá)到8的小型離心葉輪，通過CFX軟件對葉輪內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值仿真計算，驗算了離心葉輪的性能，并對葉輪性能的影響因素進(jìn)行了分析。

圖1 設(shè)計計算流程

2.離心葉輪設(shè)計

2.1 總體流程

基于Vista CCD 軟件設(shè)計離心葉輪的總體流程如圖1所示。首先根據(jù)設(shè)計者的需求，在Vista軟件中提供離心葉輪的設(shè)計轉(zhuǎn)速、壓比、流量等工作參數(shù)和葉輪尺寸、葉輪葉片基本幾何特性參數(shù)，計算得到滿足需求的離心葉輪的相關(guān)信息，并結(jié)合Bladegen葉輪機(jī)械設(shè)計軟件，生成對應(yīng)的葉型和葉輪模型。接著利用Turbogrid 軟件對葉輪模型劃分網(wǎng)格。然后基于劃分好的網(wǎng)格，利用CFX對離心葉輪的流場進(jìn)行數(shù)值仿真計算。最后，根據(jù)計算結(jié)果分析葉輪流場中速度、壓力等參數(shù)的分布情況和葉輪的氣動性能，研究影響葉輪性能的相關(guān)因素，為下一步葉輪的改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。

2.2 CCD設(shè)計參數(shù)

根據(jù)需求，離心葉輪的設(shè)計參數(shù)主要包括：

1.設(shè)計任務(wù)

標(biāo)準(zhǔn)條件下，壓氣機(jī)的設(shè)計轉(zhuǎn)速54000r/min，流量1.8kg/s，設(shè)計狀態(tài)下壓比為8.1，效率為0.82。

2.幾何參數(shù)選擇

（1）為兼顧流通能力和高負(fù)荷條件下葉輪對氣流的約束能力，采用大小葉片的形式，主葉片和分流葉片數(shù)為11。

（2）為兼顧作功能力和效率，采用后彎角度為30度，同時葉片出口前傾23度。

（3）葉片入口采用基本對準(zhǔn)氣流相對速度的準(zhǔn)則。

3.壓氣機(jī)其他參數(shù)

整個壓氣機(jī)采用機(jī)加工方案，由此確定壁面光潔度并估算損失；擴(kuò)壓器采用葉片式。

將以上設(shè)計參數(shù)輸入Vista CCD中，計算出滿足需求的離心葉輪并預(yù)測壓氣機(jī)整體性能，如圖2和圖3所示。

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由Vista CCD預(yù)測的結(jié)果可見，該壓氣機(jī)基本能滿足高增壓比和相對高的效率要求，但是由于采用了高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷設(shè)計，壓氣機(jī)在高轉(zhuǎn)速條件下的流量范圍均很窄，工作的裕度較小，這與壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口、出口超過音速，達(dá)到或接近擁塞有關(guān)。

3.離心葉輪工作流場驗算

由于離心壓氣機(jī)的工作葉輪是壓氣機(jī)的關(guān)鍵部件，按照Vista CCD的估算，葉輪增壓比將超過9，其氣動性能是否穩(wěn)定將直接影響發(fā)動機(jī)設(shè)計好壞，為此，本文主要對離心葉輪54000r/min設(shè)計點(diǎn)的工作流場進(jìn)行了CFD三維流場數(shù)值驗算。計算采用了圖1中的計算流程，并利用S-A湍流模型。

1.網(wǎng)格的劃分

將Bladegen生成的葉輪模型導(dǎo)入Turbogrid軟件中，該軟件是專業(yè)的葉輪機(jī)械處理軟件，可以方便快速地對葉輪模型劃分網(wǎng)格，計算所用的表面網(wǎng)格如圖4所示。以該網(wǎng)格為基礎(chǔ)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，葉輪工作在設(shè)計轉(zhuǎn)速時、設(shè)計背壓條件下的邊界條件，通過CFX的CFD計算即可獲得葉輪的工作流場。

從圖5可見，在設(shè)計狀態(tài)葉輪進(jìn)口氣流速度矢量的攻角、相對速度大小分布基本合理，小葉片起到了抑制高負(fù)荷葉片后段氣流分離的作用，葉輪后段也采用了葉片前傾的技術(shù)措施，但該葉輪級采用了中等后彎角度的設(shè)計方案，加之氣動負(fù)荷較高，在葉片后段80%葉高以上流動分離的趨勢明顯，流動損失相對較大，也限制了其穩(wěn)定工作的范圍，這也是制約葉輪整體效率進(jìn)一步提高的主要原因之一。

此外，計算表明：設(shè)計轉(zhuǎn)速下，葉輪入口基本處于擁塞狀態(tài)，葉輪設(shè)計狀態(tài)的流量接近進(jìn)口壅塞流量，這和圖3中預(yù)測是一致的，但CFD計算的擁塞流量和設(shè)計點(diǎn)的流量均在2kg/s左右，大于設(shè)計值1.8kg/s約10%，究其原因是實際葉輪中靠近進(jìn)口葉根處入口馬赫數(shù)小于1，整個葉輪擁塞面并不固定，也不是恰好在葉輪入口處，實際擁塞面面積均大于幾何擁塞面，以上非線性的因素造成Vista CCD軟件估算會有一定的誤差。

圖7給出了整個葉輪通道中靜壓分布情況，可見離心增壓的壓力分布相對合理，但是由于高級增壓比的要求決定了葉輪出口的速度將相對高，計算的設(shè)計點(diǎn)出口平均絕對馬赫數(shù)在1.2以上，相對一般壓氣機(jī)偏大，這會增加擴(kuò)壓器中的流動損失。此外，由于級負(fù)荷較高，間隙相對大，葉頂間隙的泄漏明顯。圖8可見，葉輪前段泄漏和后段的泄漏都較為明顯，會影響葉輪通道的流動和效率。

4.結(jié)論

本文基于Vista CCD軟件，設(shè)計了一型高增壓比的離心壓氣機(jī)，并利用CFX軟件對所設(shè)計離心葉輪的設(shè)計點(diǎn)的流場進(jìn)行了仿真計算，分析計算結(jié)果得到如下結(jié)論。

（1）Vista CCD提供了便捷的離心壓氣機(jī)設(shè)計工具。

（2）高轉(zhuǎn)速、高增壓比離心葉輪進(jìn)口基本處于壅塞狀態(tài)，擁塞使其高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的流量特性很窄，特性線變得陡峭。

（3）小流量、高增壓比離心壓氣機(jī)后彎角、頁頂間隙等因素對其工作效率、工作范圍均有一定影響。

參考文獻(xiàn)

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