离心压气机叶轮出口气体流动演变规律数值仿真研究

徐思友，佟鼎，潘丽丽，张继忠，赵力明，韩琦，王晓滕，张冬梅

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400； 2.中国人民解放军总装备部装甲兵军事代表局，北京 100851)



离心压气机叶轮出口气体流动演变规律数值仿真研究

徐思友1，佟鼎1，潘丽丽1，张继忠1，赵力明1，韩琦2，王晓滕1，张冬梅1

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400； 2.中国人民解放军总装备部装甲兵军事代表局，北京 100851)

采用全三维仿真计算方法，针对离心压气机叶轮出口位置，进行了气体流动演变规律研究。研究结果表明：相同转速下，随着流量的减小，叶轮出口绝对气流角增加，且增加的范围主要集中在叶轮流道中心以下区域，叶顶区域变化不明显；相同转速下，叶轮出口总压比呈逐渐增加趋势；相同转速下，流量的减小使得叶轮顶部的效率损失减小而主流区的效率损失增加，压气机的最终效率取决于间隙流和主流流动损失的耦合作用。

离心压气机； 叶轮； 出口绝对气流角； 流动分布

涡轮增压器离心压气机的气动部件主要由进气道、叶轮、扩压器和蜗壳组成。扩压器、蜗壳内的流场受叶轮出口条件的影响，同时也通过叶轮出口位置反作用于叶轮内部的流场。因此离心压气机叶轮出口的流动情况不仅决定了叶轮自身性能的优劣，还会极大地影响叶轮下游部件的气动性能。

针对离心叶轮出口流动，Dean[1]首先提出了“射流-尾迹”模型，并被Eckardt等[2]使用热线测速系统进行了验证，从而使得该模型得到了进一步的推广。Pinarbasi[3]使用热线测速仪发现闭式离心叶轮的出口流动不均匀，也得到了“射流-尾迹”特征，但并没有发现流动分离。Fahua Gu[4]等对变工况离心压气机叶轮出口轴向速度分布不均对扩压器、蜗壳流场的影响进行了研究，研究表明，由于叶轮轴向速度不均造成下游扩压器与蜗壳内部流场复杂，更易发生失速。相比较国外，国内相关文献相对较少。楚武利[5]等采用热线测速仪对离心叶轮出口测量时发现，随着流量的减小，轮盘侧会出现倒流。李学臣[6]等对离心叶轮出口区域流动分布进行了数值仿真分析，得到了叶轮出口流动的非均匀特征。还有很多研究工作主要集中在离心压气机扩压器和蜗壳内部的流动[7-16]。

本研究采用数值仿真分析的方法，研究了离心压气机叶轮出口气体流动演变规律，为开展压气机叶轮关键参数对叶轮出口流动的控制影响规律研究提供相应的参考依据。

1 计算模型及计算工况点的选取

1.1 计算模型

选取具有完整试验数据的J122增压器离心压气机叶轮作为研究对象，叶轮出口半径为61 mm，由8支长叶片和8支短叶片组成(见图1)。

为了保证计算模型的精度，利用试验数据对该压气机叶轮进行三维数值计算模型的标定，计算网格模型见图2，总网格数为115万，蜗壳网格数66万。

计算采用Sparlart-Allmaras湍流模型，使用二阶中心格式空间差分方法和四阶Runge-Kutta时间项处理方法迭代求解，采用多重网格技术加速收敛。

进口边界条件：轴向进气，温度298 K，压强100 kPa。

出口边界条件：质量流量、初始压力。

固壁边界条件：绝热，无滑移条件。

计算过程中采用出口条件给定质量流量，压比开始下降时认为接近压气机的失速点。每个转速下均从大流量向小流量计算，当计算结果中残差呈上升趋势，结果参数值无法收敛时停止计算，认为已到达喘振边界。收敛性判定依据：

①全局残差和各块中残差下降3个量级；

②进出口流量相对误差小于0.5%，效率和压比收敛至定值或出现小范围的周期性振荡。

由性能试验和CFD计算得到的压气机特性见图3。对比可以发现，在各个转速下，CFD计算较为准确地预测出了对应的最高效率点和喘振点位置。CFD结果的最大效率值比试验结果高2%左右，压比略有下降。但从整个工况来看，CFD计算较好地预测出了对应的高效率点和工作范围。在各个转速下，效率和压比随流量的变化趋势基本一致，且误差在可以接受的范围内，证明选取的数值方法是可信的。

1.2 计算工况点的选取

为分析压气机叶轮出口流动特征的变化规律，计算工况点从标定好的压气机MAP图中提取(见图4)。图4示出的6个工况点(OP1～OP6)涵盖了低转速与中高转速下的高效点、堵塞点和喘振点的流动变化情况。

2 计算结果与分析

2.1 子午出口

2.1.1 平均绝对气流角

图5示出了6个特征工况点叶轮出口子午平均绝对气流角变化规律(图中h/H值为0代表叶轮轮缘，1代表叶轮轮毂)。从图中可以看出，在同一转速下，沿叶高增加方向(从叶根到叶顶方向)，除根部边界层区域外，叶轮出口的气流角整体呈现逐渐增加的趋势；最大流量点(OP1，近堵塞工况)，叶轮出口中叶展以下区域(5%～40%叶高区域)叶轮出口气流角变化平缓，变动幅值较小，从50%叶高开始至90%叶高，气流角快速增加；随着流量减小(OP2)，近根部的气流角变化平缓区减小，沿叶高方向同样呈快速增加趋势，但增加梯度较大流量时减小；随着流量进一步减小，叶轮出口气流角沿叶高方向变化更为平缓。从平均值来看，叶轮出口绝对气流角随着流量的减小而逐渐增加。在叶顶区域，90%～100%叶高区域，叶轮出口气流角非常大，流动表现为横向流动，在该区域间隙流的影响起到了主导作用，因而在该区域流量的变化对气流角分布和数值影响不明显。

2.1.2 绝对马赫数

图6示出了6个特征工况点叶轮出口子午绝对马赫数分布规律。从图中可以看出，在50 000r/min时，不同流量工况点叶轮出口马赫数在中叶展以下区域基本相同，维持在0.6附近，并且随着流量减小，叶轮出口马赫数呈小幅减小趋势；但在叶顶区域则出现了较为明显的差别，并且随着流量的减小，平均马赫数逐渐升高。在70 000r/min时，叶轮出口马赫数与50 000r/min时相似，在中叶展以下区域，马赫数随流量减小而减小，而在叶顶区域，马赫数则随着流量减小而增加。造成这种现象的原因在于，随着流量减小，叶片流道内的间隙流强度逐渐增强，间隙涡导致叶顶区域的平均速度降低。

2.1.3 熵

图7示出了6个特征工况点叶轮出口子午平均熵的分布规律。从图中可以看出，在不同转速下，流量较大时，叶轮根部区域的流动损失相对较小，但是沿叶高增加方向(除根部区域)流动损失则快速增加，尤其在小流量时，叶轮出口从叶根到叶顶的流动损失量明显高于大流量工况。

2.1.4 总压比

图8示出了6个特征工况点叶轮出口子午平均总压比的分布规律。从图中可以看出，在低转速时，随着流量的减小，叶轮出口总压比从根部到顶部整体呈增加趋势，且变化较为平缓，与MAP图中低转速时压气机性能曲线变化比较平缓的趋势相对应。在高转速时，随着流量的减小，压气机压比快速增加(OP4到OP5)，表现为在大流量区压比曲线较陡。而随着工况从最高效率点继续向小流量工况变化，叶轮中叶展以下的总压比变化趋于平缓，差别主要存在于叶轮近顶部区域。

2.1.5 绝对速度

图9示出了6个特征工况点叶轮出口子午平均绝对速度的分布规律。从图中可以看出，随着流量的减小，压气机叶轮出口的绝对速度并未呈现明显减小的规律。在50 000r/min时，随着流量的减小，40%叶高以下区域叶轮出口的绝对速度呈减小趋势；而在70%叶高以上区域，随着流量的减小，叶轮出口绝对速度呈逐渐增加，使得叶轮出口平均速度整体变化不大。随着压气机转速的升高，叶轮出口速度分布保持着与低转速时相近的变化规律。

2.1.6 周向速度

图10示出了6个特征工况点叶轮出口子午平均周向速度的分布规律。从图中可以看出，在相同转速下，随着流量的减小，叶轮出口周向速度分量整体呈增加趋势，表现为横向流动效应逐渐增强；转速的提高使得叶轮出口周向速度快速升高，且最大周向速度所处位置向中叶展推移，对应更强的间隙涡效应，间隙涡涡团向中叶展迁移，涡边缘相应向中叶展延伸。

2.2 叶轮出口截面

2.2.1 绝对气流角

图11示出了6个特征工况下叶轮出口截面上的绝对气流角分布云图。由50 000r/min下的3个工况(OP1，OP2，OP3)计算结果可知，叶轮出口气流方向非常不均匀。在叶顶区域，由于间隙流的影响，气流偏转明显，横向流动特征显著；间隙流的强度随着流量的减小而增加，并且影响的区域向根部拓展，使得叶轮出口的绝对气流角增加明显。70 000r/min下叶轮出口截面上的绝对气流角分布规律与50 000r/min时类似，由此可知，在选取的6个工况条件下，影响叶轮出口截面上的绝对气流角分布的主要因素是间隙流强度，转速的影响并不明显。

2.2.2 总压比

图12示出了6个特征工况下叶轮出口截面上的总压比云图分布。从图中可以看出，不同转速下叶轮出口截面上的总压比分布具有相似的变化规律；同一转速下，在大流量时，叶轮内的总压升产生效应主要来源于近根部的叶轮对空气做功，随着流量的减小，叶轮对空气的做功能力逐渐增强并起主导作用。

2.2.3 总效率

图13示出了6个特征工况下叶轮出口截面上流动总效率云图分布。从图中可以看出，不同转速下叶轮出口截面上的总效率分布具有相似的变化规律；同一转速下，在大流量时，叶轮内的效率损失主要来源于叶顶区域，在中叶展以下区域具有非常高的流动效率，随着流量的减小，叶顶效率损失减弱，而近根部效率损失增加。

3 结论

a) 叶轮出口的气流角在间隙流作用下呈现不均匀分布特征，并且叶轮出口叶顶区域具有非常大的绝对气流角，表现为明显的横向流动特征，间隙流是这种流动特征的主导因素；

b) 在相同转速下，随着流量的减小，叶轮出口绝对气流角增加，增加幅度可达到50%；增加的范围主要集中在叶轮流道中心以下区域；叶顶区域变化不明显；

c) 等转速线上的相同工况下，转速的变化对于叶轮出口的绝对气流角影响不明显，在最高效率点处，不同转速时对应的压气机叶轮出口绝对气流角基本相同；

d) 相同转速下，叶轮出口的总压比呈逐渐增加趋势，其中叶顶区域的总压比可增加40%左右，而近根部区域的总压比变化并不明显；转速的提高使得相同工况下叶轮出口压比整体升高，但压比分布形态基本相同；

e) 叶轮内的间隙流特征是决定叶轮内部流动效率的主要因素，在相同转速下，流量的减小使得叶轮顶部的效率损失减小而主流区的效率损失增加，压气机的最终效率决定于间隙流和主流流动损失的耦合作用。

[1]DeanR，SenooY．Rotatingwakesinvanelessdiffusers[J]．ASMEJournalofBasicEngineering，1960，82(3)：563-574．

[2]EckardtD．Instantaneousmeasurementsinthejetwakedischargeflowofacentrifugalcompressorimpeller[J]．ASMEJournalofEngineeringforPower，1975，97(3)：337-345．

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[编辑：潘丽丽]

Numerical Simulation on Gas Flow Characteristics of Centrifugal Compressor Impeller Exit

XU Si-you1, TONG Ding1, PAN Li-li1, ZHANG Ji-zhong1, ZHAO Li-ming1,HAN Qi2, WANG Xiao-teng1, ZHANG Dong-mei1

(1.China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China； 2.The Armored Forces Military RepresenLative Bureau of the PLA General Equipment Headquarters，Beijing 100851，China)

Three dimensional simulation of gas flow characteristics at the centrifugal compressor impeller exit was conducted.The results show that the impeller outlet absolute flow angle increases with the decrease of mass flow rate at the same rotating speed and the increase inclination occurs mainly in the area below the center of impeller flow passage and less in blade tip area.In addition, the total pressure ratio shows the increase trend and the efficiency loss decreases at blade tip and increases in main flow zone due to the decrease of mass flow rate.The final efficiency of compressor depends on the coupling effect of tip clearance flow and main flow.

centrifugal compressor； impeller; outlet absolute flow angle; flow distribution

2014-11-20；

2015-04-02

柴油机增压技术重点实验室基金项目(9140C330103110C33)

徐思友(1977—)，男，副研究员，主要研究方向为柴油机增压技术;xuzhenghang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.005

TK421.8

B

1001-2222(2015)02-0023-05