进气弯管对离心压气机特性影响及弯管结构优化

佟鼎，田红艳，刘欣源，刘烨，高超，李欣

(1.中国北方发动机研究所 柴油机增压技术重点实验室，天津 300400; 2.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130)

0 引言

离心压气机在车用动力、航空航天等方面应用广泛，它也是涡轮增压器的核心部件，随着发动机不断提高功率密度、减小体积、加强排放以及高原环境适应性要求[1]等，需要研制高压比、高性能的离心压气机。

在车用领域，由于空间和安装需求，离心压气机进口常采用弯管导流进气，弯管中的二次流动会导致压气机进口气流出现畸变，影响压气机的气动性能。而目前广泛的压气机设计和试验中，往往是假设或保证压气机进口流场是均匀和稳定的，因此会对压气机的性能预测和后续整机配机造成影响。

弯管会使离心压气机进口产生畸变效应[2-3]，目前对离心压气机进口畸变特性的研究，国内外众多学者开展了相应的研究工作。Ariga等[4]对带无叶扩压器的低速离心压气机的进口畸变进行了系统的试验研究，结果表明与无进口畸变的压气机相比，畸变造成了压气机性能的下降，周向畸变比径向的影响大。Anwer等[5]和So等[6]试验研究了压气机进口弯管内的湍流流动特征，结果表明弯管在压气机前产生了强烈的旋流，弯管造成的速度梯度使旋流恢复长度得到了明显的降低。Kim等[7]和Engeda等[8]对某大型离心压气机收缩管道进行了数值模拟研究(不带蜗壳)，发现在弯管内插入导流叶片(双层)可以使压气机性能得到优化。Zemp等[9]对离心压气机叶轮的进口畸变进行了非定常计算,表明叶片载荷在前缘位置受进气畸变影响较大，且幅值与流量有关。国内学者周颂东等[10]对离心压气机进口畸变进行了试验研究，研究结果表明组合畸变提高了压气机的性能和裕度。王磊磊等[11]和老大中等[12]对不同安装角度的180°弯管开展了试验和数值研究，并分析弯管与离心压气机蜗壳的耦合作用，结果表明弯管进气使压气机性能下降，下降程度与周向安装位置有关，位置的改变会使得压气机进口流场畸变区域体现不同的分布特征。李杜等[13]数值计算了90°弯管对离心压气机进口流场产生的畸变，结果表明弯管造成叶轮进口流场紊乱，畸变引起性能在大流量时降低，小流量时有利于保持失速状态下压气机性能。

弯管是涡轮增压器和微小型燃机上应用较多的部件，是影响压气机性能的主要外在因素，因此本文针对某涡轮增压器跨声速离心压气机进口弯管流动特性进行研究，并优化了进口弯管的形式，采用弯管内部布置导流肋片的方法，取得了明显的效果。

1 数值仿真模型及验证

本文的研究对象为某跨声速离心压气机，几何模型构建包括进口管路、叶轮、无叶扩压器和蜗壳。压气机叶轮包含7支主叶片和7支分流叶片，计算区域划分及叶轮如图1所示。主要几何参数如表1所示。

图1 计算区域及叶轮示意图

表1 压气机主要几何参数

由于研究的问题是弯管对压气机性能的影响，周向的特性非常重要，采用单通道叶轮网格将无法捕捉周向特征，因此需要采用全周叶轮通道网格和蜗壳进行计算，叶轮网格划分采用TurboGrid软件进行，其他几何部分在Workbench ICEM软件中进行。

由于计算域内的网格单元数量是影响数值仿真结果的直接因素。网格数量太少会造成所预测的流动信息失真，而网格数量过大则造成所占用的计算资源过大。对于数值仿真所研究的对象，有必要对网格无关性进行分析。

网格无关性分析基于压气机叶轮单流道的性能进行仿真预测。在保证湍流模型、边界条件、网格拓扑结构、壁面第1层网格尺寸y+等因素完全相同的情况下，所预测的压比和效率随网格数量的变化关系如图2所示。当单流道网格数量超过3.5×105后，所预测的效率和压比基本保持恒定。

图2 网格无关性计算结果

基于无关性分析结果，选定叶轮单通道网格为54万，并进行周向的网格复制，总网格数为520万，网格划分示意图如图3所示。

图3 初始压气机网格结构

计算采用CFX软件求解器、Shear-Stress Transport湍流模型、1阶迎风格式差分方法、4阶Runge-Kutta时间项处理方法迭代求解，转静交界面为冻结转子法。进口边界条件采用轴向进气，温度298 K，压强101 kPa.出口边界条件给定初始压力和质量流量。固壁边界条件为绝热、无滑移条件。

计算过程中采用出口条件给定初始压力，每个转速下均从大流量向小流量计算，当出口条件压力响应不明显时，采用质量流量。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。

首先开展压气机台架性能试验，图4给出了所得压气机特性仿真结果与试验结果的比较，对比可以发现，在各个转速下，计算流体力学(CFD)方法较为准确地预测出了对应的最高效率点和堵塞点位置。CFD方法仿真结果的最大效率值比试验结果高1个百分点左右，压比值略高。

图4 初始压气机特性仿真结果和试验结果对比

偏差产生的主要原因在于压气机性能试验中，测量截面和测量点的参数不均匀和波动都能造成测量的误差，导致计算结果与实际情况的差别。同时实际过程中蜗壳、叶轮和润滑油都伴有一定的换热损失，这是无法避免的，而实际数值模拟过程中的边界条件设定的是绝热壁面。但从整个工况来看，CFD方法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，在之后研究均采用的是相同的网格模型尺度、计算方法及收敛判断准则。

2 进口弯管对压气机性能的影响

由于空间和安装需求，在压气机进口采用如图5所示进口弯管导流进气结构，弯管进口与蜗壳出口间夹角为50°.

图5 压气机进口弯管布置示意图

针对进口弯管对离心压气机性能的影响，开展了具有弯管进口的压气机台架性能试验，离心压气机及进口管路实物如图6所示。

图6 离心压气机试验样件

针对图6中弯管与直管，分别开展性能试验测试，从压气机大流量端开始数据采集，直至接近压气机的喘振工况。每一等转速线需测量不少于6个工况点，测试点除喘振点外，其他工况点需稳定3～5 min后再采集参数。性能试验对比结果如图7所示。

图7 直管与弯管进口压气机特性试验结果对比

从图7的性能试验对比结果可以明显的看出，在压气机进口增加了弯管以后，压比和效率特性都发生了一定程度的恶化，在大流量工况时，性能的下降尤其明显，从流量范围来看，进口弯管造成了离心压气机堵塞流量的降低。以73 000 r/min转速线为例，堵塞流量下降了3.2%，全转速压比均呈下降趋势，偏大流量工况区域，效率下降了2个百分点。这种现象随着压气机转速的提升变得更加明显。

为了探明进口弯管对压气机特性的影响机理，针对具有进气弯管的离心压气机建立数值仿真分析模型，与之前标定模型在网格数、求解方法上保持一致。选取的计算工况为52 000 r/min和73 000 r/min，直管进气和弯管进气压气机的仿真性能对比结果如图8所示。通过图8的性能仿真分析结果对比可以看出，计算结果的趋势基本上与试验数据吻合，仿真压比和最高效率均略高于试验值。

图8 直管与弯管进口压气机特性仿真结果对比

为了进一步分析弯管对压气机特性影响的产生机理，以73 000 r/min转速线堵塞工况点为研究对象，对应图8中工况点分别为直管进口流量0.7 kg/s、弯管进口流量0.733 kg/s，详细分析其内部流动特征。

图9是进气弯管内部流线图，从图中可以看出，气流经过弯管导向以后产生了严重的流动分离，在转向后的直流管道内产生了较大的涡旋，主要是外侧压力要高于内侧，使得较高压强部位的流体向低压部位流动。这种流动分离在较短的转向直流段无法得到充分发展和抑制，从而以非常混乱的状态进入到压气机叶轮，影响压气机特性。

图9 进气弯管内部流线图

图10是两种管路压气机叶轮进口静压分布云图，从图中可以看出，除了叶轮进口处造成的叶轮叶根附近的静压变化外，弯管出口流动的不均匀直接影响了叶轮进口的静压周向分布，在弯管位置两侧2组叶片范围形成了差异明显的高低压区，差异接近20%，对比于直管路进气的相对均匀特性变化显著。

图10 直管与弯管压气机叶轮进口静压分布

图11是两种管路叶轮进口面流线图，从图中的流线分布可以看出：直管路进口速度分布较均匀；弯管内部的气流流动分离直接影响到压气机进口，在周向上产生明显的流动畸变，从弯管下方的一组叶片直接扩展到接近于喉口位置的一组叶片，扩展覆盖范围接近轮周的50%.

图11 直管与弯管压气机叶轮进口面流线图

图12是两种管路叶轮进口静熵分布云图，从图中可以看出：对于直管进口压气机来讲，在叶轮进口的主要损失主要是由于叶轮封头结构所造成的叶根部位的流动损失增加；而弯管进口压气机，由于弯管对流场的干扰，造成了流动分离，因此在压气机进口弯管对应位置产生了较强的损失，从而进一步影响到叶轮内部，造成效率的下降。

图12 直管与弯管压气机叶轮进口静熵分布图

图13和图14是两种管路叶轮进口90%叶高相对马赫数和相对气流角沿周向的分布，周向位置的定义如图5所示。从相对马赫数的分布可以看出，直管进口离心压气机叶轮进口相对马赫数在周向上分布相对较均匀，而弯管进口离心压气机叶轮进口相对马赫数分布从0°开始沿叶轮旋转反方向呈现先增加后降低的趋势，出现降低的位置与弯管安装位置相对应，降低的幅度非常大，超过了近50%.急剧变化区域分布于240°～300°的周向位置处，占了入口的约1/6，这部分速度的降低直接导致了堵塞流量的下降。图14中相对气流角的定义为相对速度和子午流动方向的夹角，与叶轮旋转方向相同为正。相对气流角发生变化主要是弯管内所产生涡流向叶轮进口拓展的结果，变化也非常剧烈，所发生变化的区域与相对马赫数分布对应，二者互成因果关系。

图13 直管与弯管叶轮进口相对马赫数分布(90%叶高)

图14 直管与弯管叶轮进口相对气流角分布(90%叶高)

从弯管对压气机特性的影响及内部流动分析来看，由于空间限制，弯管转向后的直段不足以促使流动充分发展而得到重新分配，使得压气机入口产生了严重的非均匀流场，造成了压气机叶轮入口处流动的恶化，因此需要进一步地改进设计以优化压气机叶轮进口的流动。

3 进口弯管的改进设计

由于空间和安装位置的限制，无法对进口弯管的外部几何结构进行更改，为了进一步优化弯管内部的流动，采用在弯管内部布置导流肋片的方式，布置结构如图15所示，在弯管的弯曲段内部布置3个导流肋片，在弯曲半径径向均匀分布。对该弯管几何结构进行模型建立和网格划分，同样采用标定模型的网格尺度，进行性能计算。

图15 内部布置导流肋片进口弯管示意图

图16是改进弯管与初始弯管进口压气机特性计算结果对比，从对比结果可以看出，采用内部布置导流肋片的弯管进口以后，压气机的整体特性表征上都有了明显的改善，虽然与直管进口压气机特性相比还略有下降，但是比初始弯管进口压气机，在压比、效率和流量范围都得到了一定程度的提升。

图16 压气机特性计算结果对比

性能的提升主要是由于弯管内部流动结构的改善，图17是带有导流肋片结构的进气弯管内部流线图，从图中可以看出，导流肋片对弯管弯曲转向区域流动起到了很好的强制规范效果，抑制了流体转向惯性所带来的压力梯度变化，降低了流动损失，弯曲流动后产生的涡流范围也得到了较大程度的降低。

图17 改进弯管内部流线图

图18～图20给出了改进弯管与初始弯管压气机叶轮进口流动特征(静压、流线和静熵)的变化，通过这3个特征的变化可以看出，导流肋片对弯管流动特性起到了改善效果，进一步优化了进入到压气机叶轮的气流状态。

图18 改进弯管与初始弯管压气机叶轮进口静压分布

图19 改进弯管与初始弯管压气机叶轮进口面流线图

图20 改进弯管与初始弯管压气机叶轮进口静熵分布

图21和图22是两种管路叶轮进口90%叶高相对马赫数和相对气流角沿周向的分布，从相对马赫数的分布来看，整体变化趋势变缓，亦趋于均匀，在发生剧烈变化区域的幅值，由原来的近50%，降低到10%以内。进口速度的改善，使得堵塞流量得到了增加。进口气流角的变化由于进气涡流影响范围的降低也得到了明显的优化。

图21 改进弯管与初始弯管叶轮进口相对马赫数分布

图22 改进弯管与初始弯管叶轮进口相对气流角分布

从进口流动特征的变化情况来看，采用内部布置导流肋片的进气弯管，能够进一步规范弯管内部气流的流动特征，改善压气机进口流动状态，从而使性能得到全方位的提升。

4 改进弯管的性能试验验证

通过第3节的仿真结果分析结果来看，采用内部布置导流肋片的弯管结构，能够进一步规范弯管内部气流的流动特征，改善压气机进口流动状态，在弯管进口的基础上，提升离心压气机的性能。

基于此，在初始弯管结构的基础上进行内部带有导流肋片弯管的加工，加工样件如图23所示。

图23 具有导流肋片的进口弯管试验样件

将内部具有导流肋片的进口弯管安装至离心压气机进口，对离心压气机进行性能台架试验，保持与前述试验状态与方法一致，试验测量结果如图24所示。通过图24的初始弯管与改进弯管进口压气机特性试验结果对比可以看出，采用导流肋片的弯管能够改善离心压气机的特性，使其堵塞流量、压比、效率与初始弯管相比都有一定程度的提升，堵塞流量提升了约4%，最高压比提升了约3%，最高效率提升约2.5%，整体性能趋近于直管路进口离心压气机特性。

图24 初始弯管与改进弯管进口压气机特性试验结果对比

5 结论

本文针对进口弯管对某离心压气机特性的影响开展了相应的研究工作，通过试验和数值仿真分析了进口弯管对压气机性能的影响规律。在此基础上提出在弯管内布置导流肋片的优化结构，取得了明显的效果，并最终进行了试验验证。取得以下主要结论：

1)在压气机进口增加了弯管以后，对压比和效率特性都造成了一定程度的恶化，在大流量工况时，性能的下降尤其显著，弯管造成了堵塞流量的降低，这种现象随着压气机转速的提升变得更加明显。

2)气流经过弯管导向以后产生了严重的流动分离，在转向后的直流管道内产生了较大的涡旋，这种流动分离在较短的转向直流段无法得到充分发展和抑制，从而以非常不均匀的状态进入到压气机叶轮，影响压气机特性。

3)采用内部布置导流肋片的弯管结构，能够进一步规范弯管内部气流的流动特征，改善压气机进口流动状态，使流动变得相对均匀，从而使性能得到全方位的提升。