戴子昊，葛寧

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

離心葉輪內(nèi)高度畸變的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，由于受到離心力、哥氏力和子午流道曲率急劇彎曲的影響，其內(nèi)部的流場(chǎng)分布非常不均勻，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非定常性[1]。葉輪和擴(kuò)壓器間相互作用對(duì)流動(dòng)的影響主要分為以下兩個(gè)方面：高度畸變的葉輪出口氣流來(lái)不及完全摻混均勻，對(duì)擴(kuò)壓器流場(chǎng)造成強(qiáng)烈的非定常影響；擴(kuò)壓器葉片對(duì)上游流場(chǎng)造成非定常壓力擾動(dòng)。分析葉輪-擴(kuò)壓器相互作用的影響，對(duì)于提高離心壓氣機(jī)性能具有重大意義，也一直是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外許多研究者在該方面進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與計(jì)算研究，留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

ARNDT N等[2]對(duì)葉輪和擴(kuò)壓器間的相互作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著徑向間隙增大，擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)的非定常性減弱。JUSTEN F等[3]對(duì)變幾何葉片擴(kuò)壓器內(nèi)的非定常流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)壓器半無(wú)葉區(qū)的葉片吸力面，受到上游葉輪流動(dòng)的影響更為嚴(yán)重。魏寶鋒等[4]通過(guò)數(shù)值模擬研究了分流葉片產(chǎn)生的非定常壓力脈動(dòng)對(duì)擴(kuò)壓器進(jìn)口產(chǎn)生的影響。倪鈺鑫等[5]則研究了徑向間隙的確定準(zhǔn)則。但過(guò)去的研究多側(cè)重于整體性能參數(shù)方面，缺乏對(duì)影響機(jī)理更直觀的展示和分析。

本文所研究的離心壓氣機(jī)在德國(guó)Aachen大學(xué)噴氣推進(jìn)和葉輪機(jī)械研究院進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和研究，用于與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由ZIEGLER K U等[6-7]提供。該壓氣機(jī)的離心葉輪由MTU航空公司提供，帶有15片后掠葉片，擴(kuò)壓器由23片楔形葉片組成。擴(kuò)壓器的安裝角和徑向間隙允許獨(dú)立調(diào)節(jié)，如圖1所示，分別由葉片吸力面安裝角α4SS和半徑比r4/r2表示。

圖1 擴(kuò)壓器幾何參數(shù)與測(cè)量位置

壓氣機(jī)的主要性能參數(shù)和幾何參數(shù)如表1所示，改變?nèi)~片吸力面安裝角α4SS和半徑比r4/r2，擴(kuò)壓器葉片的其他重要幾何參數(shù)也將隨之改變，但擴(kuò)壓器葉片通道的擴(kuò)張角2θ在不同幾何形狀下，始終保持不變。

表1 壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

1 總體性能計(jì)算

1.1 網(wǎng)格劃分和邊界條件

進(jìn)行定常計(jì)算時(shí)，只對(duì)單個(gè)葉片通道建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。葉輪區(qū)域?yàn)?HO網(wǎng)格，擴(kuò)壓器區(qū)域?yàn)镠I網(wǎng)格。從輪轂到機(jī)匣有73層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，其中間隙處有17層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，第一層網(wǎng)格離壁距離為1.5×10-6m，保證了平均y+值<2，允許在SST湍流模型中使用。

在計(jì)算中使用了SST湍流模型，設(shè)置總溫總壓、出口設(shè)置為靜壓，葉輪轉(zhuǎn)速為80%的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，即28 160 r/min；擴(kuò)壓器設(shè)置為靜子，葉輪和擴(kuò)壓器間設(shè)置摻混面，在周向上進(jìn)行面積加權(quán)平均。

1.2 總體性能驗(yàn)證

數(shù)值分析分別在擴(kuò)壓器安裝角α4SS=12.5°和α4SS=16.5°下進(jìn)行，在α4SS=16.5°時(shí)，測(cè)量的徑向間隙分別為14%、10%和4%；在α4SS=12.5°時(shí)，測(cè)量的徑向間隙分別為14%、10%和6%，分別對(duì)應(yīng)較大、中等和較小3種不同的徑向間隙。

圖2和圖3展示了80%轉(zhuǎn)速下數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，圖中實(shí)線代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線代表數(shù)值計(jì)算結(jié)果。紅線代表較大徑向間隙(14%)，綠線代表中等徑向間隙(10%)，藍(lán)線代表較小徑向間隙。圖中數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但計(jì)算得到的堵塞流量相比于實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大(本刊為黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)可咨詢作者)。

圖2 80%轉(zhuǎn)速總壓比特性曲線

圖3 80%轉(zhuǎn)速等熵效率特性曲線

通過(guò)對(duì)比不同擴(kuò)壓器幾何形狀下特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)徑向間隙較小時(shí)，堵塞質(zhì)量流量較低。首先，減小徑向間隙會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)壓器喉道面積變??；其次，減小徑向間隙相當(dāng)于縮短了擴(kuò)壓器無(wú)葉區(qū)的長(zhǎng)度，從而減弱了無(wú)葉區(qū)擴(kuò)張通道中的減速作用和摻混作用，擴(kuò)壓器葉片通道進(jìn)口前的馬赫數(shù)升高，更偏向徑向的流動(dòng)，加劇了喉道的堵塞效應(yīng)。不同徑向間隙下等熵效率在工作點(diǎn)P1和P2附近幾乎相等，分布在誤差不超過(guò)0.5%的窄帶內(nèi)。在徑向間隙較小時(shí)，離心壓氣機(jī)的總壓比較大，并且隨著質(zhì)量流量的減小，較大徑向間隙和較小徑向間隙間總壓比的差距逐漸增大，在喘振極限時(shí)達(dá)到最大值。

2 擴(kuò)壓器葉片通道定常分析

2.1 擴(kuò)壓器葉片通道性能分析

本文引入了總壓損失系數(shù)ω和靜壓恢復(fù)系數(shù)Cp，用以評(píng)價(jià)擴(kuò)壓器葉片通道(測(cè)量面4M-測(cè)量面7M，如圖1所示)的擴(kuò)壓能力，其定義如下：

式中：下標(biāo)數(shù)字代表對(duì)應(yīng)測(cè)量面質(zhì)量流量加權(quán)平均參數(shù)；上標(biāo)“*”代表總參數(shù)。更小的總壓損失系數(shù)和更大的靜壓恢復(fù)系數(shù)意味著更好的擴(kuò)壓能力。

圖4和圖5展示了80%轉(zhuǎn)速下總壓損失系數(shù)和靜壓恢復(fù)系數(shù)特性曲線。隨著質(zhì)量流量的減小，總壓損失系數(shù)逐漸減小而靜壓恢復(fù)系數(shù)逐漸增大。在工作點(diǎn)P1和P2附近，不同徑向間隙下擴(kuò)壓器的總壓損失系數(shù)幾乎相等。在徑向間隙較小時(shí)，靜壓恢復(fù)系數(shù)較高，當(dāng)安裝角α4SS=16.5°時(shí)，在喘振極限處高2%左右。這反映出徑向間隙較小時(shí)擴(kuò)壓器葉片通道擁有更好的擴(kuò)壓能力。

圖4 80%轉(zhuǎn)速總壓損失系數(shù)特性曲線

圖5 80%轉(zhuǎn)速靜壓恢復(fù)系數(shù)特性曲線

2.2 擴(kuò)壓器葉片通道出口流場(chǎng)分析

為了進(jìn)一步研究減小徑向間隙導(dǎo)致擴(kuò)壓器葉片通道擴(kuò)壓器能力提升的原因，本文對(duì)不同擴(kuò)壓器幾何形狀下，工作點(diǎn)P1和P2處測(cè)量面7M的總壓分布規(guī)律進(jìn)行了分析。由于摻混作用，在測(cè)量面7M位置靜壓分布較為均勻，圖中總壓分布可以近似反映流量分布。

如圖6(a)和圖6(b)所示，在α4SS=16.5°時(shí)的總壓分布表明，徑向間隙較小時(shí)，擴(kuò)壓器出口處總壓最大值更大，并且分布區(qū)域更廣，反映出葉片通道更強(qiáng)的擴(kuò)壓能力。在較大和中等徑向間隙時(shí)，總壓最大值區(qū)域位于流道中心，而在較小徑向間隙時(shí)，總壓最大值區(qū)域更靠近壓力面和擴(kuò)壓器前壁。總壓最大值位置反映了主流位置，隨著徑向間隙的減小，主流位置逐漸向壓力面偏移。這是因?yàn)闇p小徑向間隙導(dǎo)致擴(kuò)壓器壓力面葉片載荷降低，葉片通道內(nèi)壓力梯度的變化導(dǎo)致主流位置向壓力面偏移，抑制了壓力面可能發(fā)生的分離?？偠灾?，高載荷葉片擴(kuò)壓器壓力面的卸載導(dǎo)致擴(kuò)壓器葉片通道擴(kuò)壓能力的提升。

圖6 測(cè)量面7M總壓分布

如圖6(c)所示，安裝角α4SS=12.5°時(shí)的總壓分布與安裝角α4SS=16.5°時(shí)相比，總壓最大值區(qū)域更加靠近吸力面，并且隨著徑向間隙的減小，最大值位置變化并不明顯。這解釋了安裝角較小時(shí)靜壓恢復(fù)系數(shù)偏小，并且減小徑向間隙，工作點(diǎn)P2靜壓恢復(fù)系數(shù)的提升也較弱。

3 葉輪擴(kuò)壓器相互作用非定常分析

為了進(jìn)一步研究擴(kuò)壓器壓力面卸載的原因，本文在擴(kuò)壓器安裝角α4SS=16.5°下對(duì)14%和4%徑向間隙時(shí)離心壓氣機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行了非定常計(jì)算。圖8對(duì)比了擴(kuò)壓器進(jìn)口測(cè)量面4M的非定常攻角，攻角的定義如圖7所示。

圖7 擴(kuò)壓器葉片攻角定義

圖8 測(cè)量面4M非定常攻角對(duì)比

14%徑向間隙時(shí)測(cè)量面4M的非定常攻角，相比于4%徑向間隙時(shí)，由于徑向位置距離葉輪出口更遠(yuǎn)，在周向上的摻混過(guò)程明顯更有效。在徑向間隙較大時(shí)，負(fù)攻角區(qū)域主要位于壓力面和流道中心，而正攻角區(qū)域主要位于吸力面和擴(kuò)壓器前壁。這個(gè)現(xiàn)象可以通過(guò)擴(kuò)壓器葉片的分流作用來(lái)說(shuō)明，擴(kuò)壓器葉片將進(jìn)口來(lái)流分為兩部分，流向壓力面的流體絕對(duì)氣流角增大，而流向吸力面的流體絕對(duì)氣流角降低。進(jìn)口流動(dòng)絕對(duì)氣流角的變化導(dǎo)致了壓力面負(fù)攻角區(qū)域和吸力面正攻角區(qū)域的出現(xiàn)，同時(shí)也代表了擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流在壓力面發(fā)生分離，并向吸力面偏轉(zhuǎn)。在徑向間隙較小時(shí)，可以明顯觀察到尾跡流體(正攻角區(qū)域)跟隨葉輪尾緣，在靠近擴(kuò)壓器前壁位置從吸力面向壓力面移動(dòng)。壓力面附近的負(fù)攻角區(qū)域流體在與尾跡流體的摻混過(guò)程中，周期性地出現(xiàn)或消失。進(jìn)口氣流在壓力面發(fā)生的分離變?yōu)闀簳r(shí)性的，分離區(qū)內(nèi)不斷有尾跡中的正攻角流體填充進(jìn)來(lái)，負(fù)攻角區(qū)域流體只能穩(wěn)定出現(xiàn)在靠近擴(kuò)壓器后壁的位置。

非定常攻角的對(duì)比反映了徑向間隙較小時(shí)，由于尾跡流體對(duì)擴(kuò)壓器壓力面的分離區(qū)周期性地填充，抑制了擴(kuò)壓器進(jìn)口壓力面的分離，從而導(dǎo)致擴(kuò)壓器壓力面的卸載。而在徑向間隙較大時(shí)，由于摻混過(guò)程更充分，擴(kuò)壓器進(jìn)口的流動(dòng)更偏向徑向，導(dǎo)致壓力面的卸載作用減弱，流動(dòng)分離更強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)不同徑向間隙下等熵效率在工作點(diǎn)P1和P2附近幾乎相等。在徑向間隙較小時(shí)，離心壓氣機(jī)的總壓比較大。

2)在工作點(diǎn)附近，不同徑向間隙下擴(kuò)壓器的總壓損失系數(shù)幾乎相等，而在較小徑向間隙時(shí)，靜壓恢復(fù)系數(shù)較高，這反映出較小徑向間隙時(shí)擴(kuò)壓器葉片通道擁有更好的擴(kuò)壓能力。

3)根據(jù)擴(kuò)壓器出口總壓分布，徑向間隙較小時(shí)，擴(kuò)壓器壓力面的卸載導(dǎo)致了擴(kuò)壓器葉片通道擴(kuò)壓能力的提升。

4)徑向間隙較小時(shí)，尾跡流體對(duì)擴(kuò)壓器壓力面的分離區(qū)域周期性的填充，抑制了擴(kuò)壓器進(jìn)口壓力面的分離，從而導(dǎo)致了擴(kuò)壓器壓力面的卸載。徑向間隙較大時(shí)，由于摻混過(guò)程更充分，擴(kuò)壓器進(jìn)口的流動(dòng)更偏向徑向，導(dǎo)致壓力面的卸載作用減弱，流動(dòng)分離更強(qiáng)。