黃生勤 謝寧軍 安志強(qiáng) 查小暉

摘要：在常規(guī)雙級(jí)離心壓氣機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了雙級(jí)離心一體化壓氣機(jī)設(shè)計(jì)概念，可在不增加葉輪出口切線速度的前提下，用單個(gè)一體化離心葉輪實(shí)現(xiàn)雙級(jí)離心壓氣機(jī)的增壓比。對(duì)某原型雙級(jí)離心壓氣機(jī)開展離心壓氣機(jī)一體化設(shè)計(jì)結(jié)果表明，重量（質(zhì)量）可減少19%，設(shè)計(jì)點(diǎn)除效率略有降低之外，堵點(diǎn)流量與喘點(diǎn)壓比與原型基本一致，同時(shí)縮短了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)27%的軸向長(zhǎng)度，可顯著改善轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性，降低制造成本，具有較好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：雙級(jí)離心壓氣機(jī);一體化離心葉輪，超緊湊，概念設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓比高和穩(wěn)定工作范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，離心壓氣機(jī)在中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用[1～3]。從20世紀(jì)80年代末開始，由于離心壓氣機(jī)在性能水平上有了很大的進(jìn)步，尤其是高壓比、超跨聲速離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的突破，使大流量雙級(jí)離心壓氣機(jī)研制成為可能，再加上其在零部件數(shù)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易與緊湊性以及環(huán)境適應(yīng)能力方面的優(yōu)勢(shì)，新研制的2～5kg/s流量級(jí)、1000kW級(jí)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)多采用雙級(jí)離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式，如T800-LHT-800、MTR390等[4～6]。

從雙級(jí)離心壓氣機(jī)的研制發(fā)展趨勢(shì)來看，壓氣機(jī)向著更高的壓比、效率、可靠性方向發(fā)展[7]。由于雙級(jí)離心壓氣機(jī)總壓比受到單級(jí)離心壓氣機(jī)增壓能力的限制，而傳統(tǒng)的單級(jí)離心壓氣機(jī)如果壓比過高，就需要更高的葉輪出口切線速度，進(jìn)而帶來嚴(yán)重的強(qiáng)度問題，直接影響離心葉輪的壽命，而高的強(qiáng)度又需要更強(qiáng)更輕質(zhì)的材料，往往新材料的發(fā)展又遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)進(jìn)步的需要，因此，如何在現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高增壓比，是葉輪機(jī)械領(lǐng)域必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問題。

在某雙級(jí)離心壓氣機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行超緊湊雙級(jí)離心一體化壓氣機(jī)概念設(shè)計(jì)研究，目標(biāo)是在不增加葉輪出口切線速度的前提條件下，用單個(gè)一體化離心葉輪達(dá)到雙級(jí)離心壓氣機(jī)的增壓比。基于某原型雙級(jí)離心壓氣機(jī)開展了新型一體化離心壓氣機(jī)的概念設(shè)計(jì)研究，并從氣動(dòng)性能預(yù)估、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和離心葉輪出口泄漏流控制等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析。

1 概念設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

常規(guī)的雙級(jí)離心壓氣機(jī)流道布局如圖1（a）所示，沿氣流方向依次為第一級(jí)離心葉輪、第1級(jí)徑向擴(kuò)壓器、回流器、第二級(jí)離心葉輪、第二級(jí)徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器。將常規(guī)雙級(jí)離心壓氣機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，可通過單級(jí)輪盤實(shí)現(xiàn)雙級(jí)離心壓氣機(jī)兩個(gè)輪盤的增壓功能，如圖1（b）所示，從輪盤的A面進(jìn)氣，然后經(jīng)回流器進(jìn)入輪盤的B面，流入第二級(jí)徑向擴(kuò)壓器。這樣的工作方式，在保證外廓尺寸不變的情況下，不僅在雙級(jí)離心壓氣機(jī)的基礎(chǔ)上大幅度減少零件數(shù)量，而且將雙級(jí)輪盤變成單級(jí)輪盤，極大地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向尺寸，對(duì)于減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問題、降低重量、提高可靠性，具有十分重要的意義。

在設(shè)計(jì)原理上，由于本質(zhì)上仍然是離心壓氣機(jī)，因此仍采用傳統(tǒng)的離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)布局以及雙面輪盤的防泄漏設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)布局方案

某常規(guī)雙級(jí)離心壓氣機(jī)（原型）流道布局如圖2（a）所示。根據(jù)新型離心壓氣機(jī)的氣流流動(dòng)特點(diǎn)，在盡量保持原型壓氣機(jī)流道和葉形的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了重新布局。由新型離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)原理可知，第一級(jí)徑向擴(kuò)壓器機(jī)匣和回流器構(gòu)成了一個(gè)封閉的殼體，壓氣機(jī)的氣流流出方式成為了設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，在對(duì)比多個(gè)方案并分析篩選后，在本文中給出了氣體通過排氣蝸殼流出封閉殼體的布局方案，如圖2（b）所示：在第二級(jí)徑向擴(kuò)壓器出口設(shè)計(jì)一個(gè)排氣蝸殼，并在第一級(jí)徑向擴(kuò)壓器與回流器之間的通道中增加一片支板，用于蝸殼排氣管穿過。排氣蝸殼根據(jù)等環(huán)量守恒假設(shè)[8]設(shè)計(jì)，截面形狀為圓形，受結(jié)構(gòu)和尺寸限制，采用不對(duì)稱內(nèi)蝸殼形式，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)流量進(jìn)行了減小修正設(shè)計(jì)，目的是為了減小蝸殼尺寸，蝸殼排氣結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對(duì)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子軸向跨度L1和壓氣機(jī)軸向長(zhǎng)度L2進(jìn)行了對(duì)比（L1和L2定義如圖2所示），結(jié)果顯示，新型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向跨度縮短了27.5%，整個(gè)壓氣機(jī)軸向分別縮短了15.3%，表明新型壓氣機(jī)具有超緊湊特點(diǎn)，能極大地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向尺寸和轉(zhuǎn)子跨度[9]。

2發(fā)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 氣動(dòng)性能分析

2.1.1 計(jì)算模型與方法

對(duì)離心葉輪、徑向擴(kuò)壓器、回流器和軸向擴(kuò)壓器劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)蝸殼劃分非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。計(jì)算設(shè)置與原型完全相同：進(jìn)口給定總溫、總壓，出口給定平均靜壓，湍流模型為BSL模型，葉片排間的摻混模型選取級(jí)交界面模型，圖4為兩種離心壓氣機(jī)計(jì)算域的對(duì)比圖。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖5為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下離心壓氣機(jī)的特性對(duì)比，由圖可知：設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，新型離心壓氣機(jī)堵點(diǎn)流量與喘點(diǎn)壓比與原型基本一致，整體氣動(dòng)性能略有降低，但喘振裕度有所提升。

概念設(shè)計(jì)方案中，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子保持不變，主要是調(diào)整了靜子件的流道和布局，包括氣流出口采用排氣蝸殼形式，進(jìn)口級(jí)徑向擴(kuò)壓器與回流器之間的通道增加了一片支板用于蝸殼排氣管穿出。受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，蝸殼只能在該狹小空間內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖6和圖7分別為進(jìn)口級(jí)和出口級(jí)靜子總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)比，由圖可知，新構(gòu)型的離心壓氣機(jī)靜子總壓恢復(fù)系數(shù)較原型有所降低。

圖8為進(jìn)口級(jí)徑向擴(kuò)壓器與回流器之間的通道中支板的流線圖和出口總壓云圖，由進(jìn)口級(jí)徑向擴(kuò)壓器流出的氣體流過支板時(shí)，在前端和尾部都產(chǎn)生了分離，在支板出口處總壓不均勻，并影響到下游相應(yīng)回流器葉片的進(jìn)口條件，這也是進(jìn)口級(jí)靜子總壓損失較原型大的主要原因。

排氣蝸殼中間截面的馬赫數(shù)云圖如圖9所示，從圖中可看出，隨著相位角的增大，氣流馬赫數(shù)逐漸增大，在出口排氣管位置的馬赫數(shù)達(dá)到了0.4，較通常的蝸殼出口馬赫數(shù)要高，這是該蝸殼的損失較大和出口級(jí)靜子總壓恢復(fù)系數(shù)降低的主要原因。

2.2 雙面離心葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 離心葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)新型離心壓氣機(jī)的流動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的常規(guī)雙面離心葉輪如圖10（a）所示，為了減輕離心葉輪的重量，改善轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性，對(duì)雙面離心葉輪進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖10（b）所示，左右半離心葉輪均可單獨(dú)加工，相對(duì)于雙面整體加工，可降低加工工藝難度，當(dāng)單面葉片出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，可以進(jìn)行單面替換，從而降低成本和損失[10]。完成后的雙面離心葉輪三維模型如圖11所示。

對(duì)原型壓氣機(jī)離心葉輪和新型雙面離心葉輪的重量進(jìn)行了預(yù)估，預(yù)估結(jié)果見表1，可以看出，改進(jìn)后的雙面離心葉輪重量減輕了19%，減重效果明顯。

2.2.2 強(qiáng)度計(jì)算與校核

對(duì)該雙面離心葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的強(qiáng)度計(jì)算與校核，計(jì)算時(shí)考慮了離心載荷、壓力載荷和溫度載荷，有限元網(wǎng)格模型和溫度云圖如圖12所示，離心葉輪當(dāng)量應(yīng)力分布如圖13所示，離心葉輪的最大當(dāng)量應(yīng)力位于孔邊，可對(duì)開孔處進(jìn)行圓角處理，減小應(yīng)力集中。強(qiáng)度計(jì)算與校核結(jié)果見表2，結(jié)果顯示，該離心葉輪葉片和輪盤的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)遠(yuǎn)大于1，表明該設(shè)計(jì)方案可滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.3 離心葉輪出口泄漏控制

新型壓氣機(jī)在離心葉輪出口處的結(jié)構(gòu)示意圖如圖14（a）所示，由于葉輪盤出口位置輪盤兩側(cè)的靜壓p_s1和p_s2相差較大，如果不采取合適的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，會(huì)存在較大的泄漏流，該封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和對(duì)泄漏流的控制是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。改進(jìn)后的方案如圖14（b）所示，相比于方案1，降低了蓖齒位置的半徑，增大了蓖齒設(shè)計(jì)的空間，p_s2降低了17%，能更加有效地控制蓖齒間隙、降低泄漏量，消除第二級(jí)徑向擴(kuò)壓器與離心葉輪盤之間的間隙以及兩者碰磨的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

基于常規(guī)的雙級(jí)離心壓氣機(jī)，開展了雙級(jí)離心壓氣機(jī)一體化概念設(shè)計(jì)，從氣動(dòng)性能預(yù)估、離心葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和離心葉輪出口泄漏控制三個(gè)方面對(duì)設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）新型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向跨度和壓氣機(jī)軸向長(zhǎng)度分別縮短了27.5%和巧.3%，新設(shè)計(jì)的雙面離心葉輪重量降低了19%，且強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）與原型壓氣機(jī)相比，壓氣機(jī)堵點(diǎn)流量和喘點(diǎn)壓比基本一致，效率略有降低，喘振裕度有所提升。

（3）離心葉輪出口泄漏流控制的關(guān)鍵在于封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輪盤與擴(kuò)壓器壁面之間的間隙設(shè)計(jì)。

（4）該新型壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，能極大地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向尺寸和轉(zhuǎn)子跨度，改善轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性，具有較好的工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]胡曉煜.世界中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[2]方昌德.航空發(fā)動(dòng)機(jī)百年回顧[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2003，16（4）：155-161.

[3]Whitfield B.Design of radial turbo-machines [M].UK：Longman Singapore Publishers，1990.

[4]Cousins W T，Dalton K K，Andersen T T，et al.Pressureand temperature distortion testing of a two-stage centrifugalcompressor[J].Journal of Engineering for Gas Turbines andPower，1994，116（3）：567-573.

[5]Palmer D L，Waterman W F.Design and development of anadvanced two-stage centri-fugal compressor[J].Journal ofTurbo-machinery，1995，117：205-212.

[6]楊策，劉磊，胡良軍，等.兩級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)及內(nèi)部流場(chǎng)分析[C]//工程熱物理學(xué)會(huì)熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)2006年年會(huì)，2006.

[7]Osbome C.Aerodynamic and mechanical design of an 8：1 pressureratio centrifugal compressor[R].NASA CR-134782，1975.

[8]李燕生，陸桂林.向心透平與離心壓氣機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[9]黃生勤，鄔國(guó)凡.單級(jí)離心壓氣機(jī)：中國(guó)，CN105275874A[P].2016-01-27.

[10]黃生勤，李維.一種雙面離心葉輪及其加工方法：中國(guó)，CN106050735A[P].2016-06-03.