基于Vista CCD的高增压比离心压气机设计和性能计算

许志鹏++沈伟++于复磊

摘 要：基于Vista CCD离心压气机设计和气动性能分析软件，设计了一型增压比达到8的高增压比离心压气机，并利用叶轮分析工具对该压气机的叶轮的气动性能进行了验算。计算结果表明：该型离心叶轮设计点的工况基本接近设计的预期值，但由于叶轮结构和高负荷带来的叶轮壅塞条件下气流参数分布的复杂性，叶轮的流量大于设计流量，由此验证了该软件良好的初级设计效果。叶轮工作流场的数值分析结果还表明：高负荷叶轮出口部位后弯角度、前倾角度、叶顶间隙对整体性能均有影响。

关键词：Vista CCD 离心叶轮 设计 流场 数值仿真

中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1.引言

离心压气机相比轴流式压气机具有单级压比高、小流量适应性好、轴向尺寸小、稳定工作范围宽广、零件少和可靠性高等优点[1][2]，因此在小流量的燃气轮机中得到了广泛的应用。然而离心叶轮的叶片形状复杂，三维特征性强，且随气动负荷的增加，叶轮中流场会出现超音速流、激波等复杂气动现象，这使得离心压气机尤其是高增压比离心压气机设计和性能分析较为困难 [3-7]。

ANSYS中的Vista CCD模块是一种专门针对离心叶轮的初步设计软件，只需要设计者提供离心叶轮的设计转速、压比、流量等工作参数和叶轮尺寸、叶轮叶片基本几何特性参数即可快速计算出满足要求的离心叶轮，并根据工程经验参数估算整个压气机的特性参数，为离心压气机的初步设计提供了一个便捷的技术途径。此外，ANSYS中叶轮气动性能分析套件还可利用Vista CCD的初始叶型进行验算和分析，进而优化叶轮乃至整个压气机的设计。

基于Vista CCD软件，本文设计了一型增压比达到8的小型离心叶轮，通过CFX软件对叶轮内部的流场进行数值仿真计算，验算了离心叶轮的性能，并对叶轮性能的影响因素进行了分析。

图1 设计计算流程

2.离心叶轮设计

2.1 总体流程

基于Vista CCD 软件设计离心叶轮的总体流程如图1所示。首先根据设计者的需求，在Vista软件中提供离心叶轮的设计转速、压比、流量等工作参数和叶轮尺寸、叶轮叶片基本几何特性参数，计算得到满足需求的离心叶轮的相关信息，并结合Bladegen叶轮机械设计软件，生成对应的叶型和叶轮模型。接着利用Turbogrid 软件对叶轮模型划分网格。然后基于划分好的网格，利用CFX对离心叶轮的流场进行数值仿真计算。最后，根据计算结果分析叶轮流场中速度、压力等参数的分布情况和叶轮的气动性能，研究影响叶轮性能的相关因素，为下一步叶轮的改进设计提供依据。

2.2 CCD设计参数

根据需求，离心叶轮的设计参数主要包括：

1.设计任务

标准条件下，压气机的设计转速54000r/min，流量1.8kg/s，设计状态下压比为8.1，效率为0.82。

2.几何参数选择

（1）为兼顾流通能力和高负荷条件下叶轮对气流的约束能力，采用大小叶片的形式，主叶片和分流叶片数为11。

（2）为兼顾作功能力和效率，采用后弯角度为30度，同时叶片出口前倾23度。

（3）叶片入口采用基本对准气流相对速度的准则。

3.压气机其他参数

整个压气机采用机加工方案，由此确定壁面光洁度并估算损失；扩压器采用叶片式。

将以上设计参数输入Vista CCD中，计算出满足需求的离心叶轮并预测压气机整体性能，如图2和图3所示。

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由Vista CCD预测的结果可见，该压气机基本能满足高增压比和相对高的效率要求，但是由于采用了高转速、高负荷设计，压气机在高转速条件下的流量范围均很窄，工作的裕度较小，这与压气机叶轮进口、出口超过音速，达到或接近拥塞有关。

3.离心叶轮工作流场验算

由于离心压气机的工作叶轮是压气机的关键部件，按照Vista CCD的估算，叶轮增压比将超过9，其气动性能是否稳定将直接影响发动机设计好坏，为此，本文主要对离心叶轮54000r/min设计点的工作流场进行了CFD三维流场数值验算。计算采用了图1中的计算流程，并利用S-A湍流模型。

1.网格的划分

将Bladegen生成的叶轮模型导入Turbogrid软件中，该软件是专业的叶轮机械处理软件，可以方便快速地对叶轮模型划分网格，计算所用的表面网格如图4所示。以该网格为基础，设置标准大气条件下，叶轮工作在设计转速时、设计背压条件下的边界条件，通过CFX的CFD计算即可获得叶轮的工作流场。

从图5可见，在设计状态叶轮进口气流速度矢量的攻角、相对速度大小分布基本合理，小叶片起到了抑制高负荷叶片后段气流分离的作用，叶轮后段也采用了叶片前倾的技术措施，但该叶轮级采用了中等后弯角度的设计方案，加之气动负荷较高，在叶片后段80%叶高以上流动分离的趋势明显，流动损失相对较大，也限制了其稳定工作的范围，这也是制约叶轮整体效率进一步提高的主要原因之一。

此外，计算表明：设计转速下，叶轮入口基本处于拥塞状态，叶轮设计状态的流量接近进口壅塞流量，这和图3中预测是一致的，但CFD计算的拥塞流量和设计点的流量均在2kg/s左右，大于设计值1.8kg/s约10%，究其原因是实际叶轮中靠近进口叶根处入口马赫数小于1，整个叶轮拥塞面并不固定，也不是恰好在叶轮入口处，实际拥塞面面积均大于几何拥塞面，以上非线性的因素造成Vista CCD软件估算会有一定的误差。

图7给出了整个叶轮通道中静压分布情况，可见离心增压的压力分布相对合理，但是由于高级增压比的要求决定了叶轮出口的速度将相对高，计算的设计点出口平均绝对马赫数在1.2以上，相对一般压气机偏大，这会增加扩压器中的流动损失。此外，由于级负荷较高，间隙相对大，叶顶间隙的泄漏明显。图8可见，叶轮前段泄漏和后段的泄漏都较为明显，会影响叶轮通道的流动和效率。

4.结论

本文基于Vista CCD软件，设计了一型高增压比的离心压气机，并利用CFX软件对所设计离心叶轮的设计点的流场进行了仿真计算，分析计算结果得到如下结论。

（1）Vista CCD提供了便捷的离心压气机设计工具。

（2）高转速、高增压比离心叶轮进口基本处于壅塞状态，拥塞使其高转速范围内的流量特性很窄，特性线变得陡峭。

（3）小流量、高增压比离心压气机后弯角、页顶间隙等因素对其工作效率、工作范围均有一定影响。

参考文献

[1] 张金凤，袁野，叶丽婷，张伟捷.带分流叶片离心叶轮机械研究进展[J].流体机械，2011

[2] 徐忠.离心式压缩机原理[M].北京： 机械工业出版社， 1990.5.

[3] 汤华.离心压气机流场分析与扩压器设计[D].北京：中国科学院研究生院， 2005.

[4] 王伟.离心压气机三维流场数值研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学动力与能源工程学院， 2009.

[5] 基于CFX的离心式压气机内部流场数值研究[D].大连：大连理工大学， 2011.

[6] 袁鹏，胡骏，王志强.带分流叶片离心叶轮气动设计及其流场分析[J].燃气涡轮试验与研究2008， 21（1）： 33-37.

[7] 赖焕新、康顺等. 有无叶顶间隙条件下斜流风机叶轮内部三维流动的数值研究， 航空动力学报. 2002， 115（11）： 17-21.