叶片前缘前掠对离心压气机性能的影响

王宪磊,刘欣源,张强,佟鼎,王依宁,赵洋

(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.廊坊舒畅汽车零部件有限公司,河北 廊坊 065000)

随着离心压缩机在石油化工、制冷系统、涡轮增压器、微型燃气轮机等工业领域得到广泛应用,用户对其性能的要求也越来越高,因此,不断提高离心压缩机性能是研究人员面临的问题。研究某些几何特征对离心压气机性能的影响,进而采取措施来提高离心压气机的效率和压比,扩大其稳定工况范围,是研究人员采用的重要方法[1]。

20世纪初期,叶片掠首先在轴流压气机中得到应用,至今已进行了很多相关研究。叶片掠效应的早期研究是应用叶片后掠来提高性能,Hah等[2]通过对跨声速风机研究发现,叶片前掠和后掠对风机效率影响不大,但前掠可以增加风机的失速裕度,后掠则减小风机的失速裕度。Jang等[3]通过叶片的弯、倾、掠对一个跨声速轴流压缩机进行了优化,最优的叶轮内部流动分离和激波强度减小,效率提高,其中叶片弯曲是提高叶轮效率最有效的方法。与轴流压缩机相比,关于离心压缩机叶片前缘掠的气动效应的研究比较有限。Hazby等[4]研究得出,前掠可以使压缩机的效率更高、稳定工况范围更宽,后掠与之相反。Krain等[5]则通过叶片前缘后掠得到了更高的效率和更大的堵塞流量。Ganes等[6]通过改变前掠角和后掠角,发现掠效应与掠角大小有关,前掠和后掠各有优势。Xu等[7]发现离心叶轮叶片前缘倾对叶轮的性能有很大影响,前倾和后倾均能提高叶轮的最高效率,但后倾得到的效率更高,前倾得到的稳定工况范围更大。

由上述研究可知,叶尖前掠和后掠在对压气机性能影响上的表现各不相同,叶尖前掠叶形对压气机压比性能有显著影响。本研究重点针对全工况范围下压气机压比性能的显著提升[8-12],以标定后的无倾掠离心叶轮为基础研究对象,在离心叶轮叶片前缘处沿子午面弦长方向进行叶尖前掠的叶形倾掠调整,通过详细的CFD仿真分析,探明不同叶尖前掠角的叶轮对离心压气机内部激波特性以及失稳状态下的内部流动分离特性变化的影响规律,揭示叶尖前掠叶形对压气机特性的影响机理,通过进一步对前缘倾掠叶形优化调整,实现离心压气机性能的提升。

1 数值仿真模型

本研究选取了具有完整试验数据的某高压比增压器离心压气机叶轮,叶轮具体参数见表1。该叶轮为传统进出口无掠叶形,用于初始CFD模型标定,本研究CFD模型均参照此叶轮的模型网格尺度设置。模型包含了离心叶轮、无叶扩压器和蜗壳。为了保证计算模型的精度,利用试验数据对压气机叶轮三维数值计算模型进行了标定。

表1 离心压气机叶轮基本参数

离心压气机叶轮由8支长叶片与8支短叶片组成,三维模型及子午面见图1。

图1 离心压气机叶轮及子午面视图

图2示出计算所采用的叶轮及蜗壳网格模型。采用TurboGrid进行叶轮网格划分,并进行周向的网格复制,其他几何部分网格划分在Workbench ICEM中进行,总网格数为520万,其中叶轮网格数为380万。

性能试验和CFD仿真得到的压气机特性如图3所示。

图3 计算结果与试验结果对比

通过对比可以发现,在各个转速下,CFD能够较为准确地预测出对应的最高效率点和堵塞点位置。仿真结果的最大效率值比试验结果高约3个百分点,压比值略高。

从整个工况来看,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,证明选取的数值计算方法是可信的,在之后的研究均采用相同的网格模型尺度、计算方法及收敛判断准则,只是计算域的边界条件设置有所不同。

2 仿真计算结果分析

2.1 叶片前缘倾掠对压气机性能的影响

压气机主叶片前缘前掠对压气机性能和内部流动的影响不涉及分流叶片掠形问题。利用 Bladegen 软件在进口无掠叶形的基础上设计了3种不同前缘前掠角(5°,10°,15°)的离心压气机,具体如图4和图5所示。

图4 叶尖前掠子午面

图5 叶尖前掠三维模型

为了验证叶尖前掠对叶轮最高等熵效率和压比的提升效果,基于原型叶轮,分别对叶尖前掠角为5°,10°和15°的叶轮进行三维建模,建立相应的计算网格,保证扩压器、蜗壳几何及网格与研究内容一致。为了得到压气机的计算特性曲线,在70 000 r/min的转速下,逐渐提高出口背压,利用上一个背压的收敛值作为下一个背压的初场,直至压比出现下降或者全局收敛残差波动非常大时停止。通过数值计算进行仿真模拟试验,且网格处理精度保持一致。性能试验和CFD仿真得到的压气机特性如图6所示。

图6 不同叶尖前掠角下的计算结果对比

通过对不同叶尖前掠角模型的计算结果对比,发现压气机叶轮的流量范围随叶尖前掠角的增大而拓宽,压比及效率也随之增大。结果表明：在叶片前缘处沿子午面弦长方向进行叶尖前掠处理,会使压气机的流量裕度、压比及效率得到提升。

通过图6压比特性对比可以看出,随着压气机前掠角的增加,在全工况范围内,压气机的压比都得到了一定程度的提升。通过效率对比结果可以看出,由于流量范围的提升,所对应峰值效率的流量点向大流量偏移,相较于无掠叶形,在大流量工况,峰值效率略有提升,在经过峰值效率点以后的小流量工况,并不存在明显的随前掠角变化的有规律的趋势。从仿真结果来看,前掠角为5°的叶形在小流量工况的效率要略优于其他叶形。

为了分析造成上述性能变化的机理,下面将对叶轮内部的流动状态进行详细分析。

1) 堵塞工况

图7示出了 4 种方案在堵塞工况下 95%叶高截面相对马赫数(Ma)分布云图。在叶轮通道中存在两道明显激波,每个主叶片的前缘处有一道脱体曲线激波,这道激波的下半截伸向相邻叶片的吸力面,为通道激波,并大体上接近于正激波的形状。脱体曲线激波的上半段为外伸激波,一直伸向叶片列的右上方。分流叶片前缘的吸力面同样存在一道通道激波。通过图7可以看出,主叶片前缘的脱体激波强度随着前掠角的增加得到了一定程度的改善,分流叶片的通道激波同样得到了一定程度的降低。叶片前缘前掠在堵塞工况下对叶顶附近激波强度有明显减弱趋势,相比于无掠叶形,前掠能够有效减少由激波带来的损失,对应的效率特性也印证了这种特征。

图7 堵塞工况下95%叶高相对Ma云图

由于叶顶间隙流与激波过后的亚声速气流掺混,对分流叶片两侧气流造成影响,使得分流叶片两侧形成大范围的低能流团。低能流团主要附着在分流叶片两侧,对通道下游形成气流堵塞。随着前掠角的增大,分流叶片压力面侧形成的低能流团强度明显减弱,这也能够对堵塞流量的增加起到一定的作用。由此可见,主叶片前掠对叶顶间隙泄漏流也有所改善,并且这种改善效果随掠角的增加而增强。

图8示出堵塞工况叶轮子午面的熵增分布图。从图8中可以看出熵的演变规律,高熵区在叶轮中部位置以后,由叶顶区域逐渐向叶轮通道内扩展。虽然通道激波损失随着前掠角的增加而增强,但是通过激波损失估算公式可估算出激波损失在叶轮总损失中占比非常小,而叶轮通道内的流动损失是总体损失的主要部分。从马赫数的分析结果可以看出,低能流团主要附着在分流叶片两侧,所对应的熵增分布也说明了这一点。从总体熵增分布情况来看,随着前掠角的增加高,熵区减少,因此,所对应的离心压气机效率是升高的。

图8 堵塞工况下子午面静熵分布

图9示出堵塞工况下无掠和前掠叶形95%叶高湍动能云图。湍动能是衡量湍流强度和湍流混合能力的重要指标,通过计算结果可以看出,对于目标跨声速离心压气机内部流动,在叶轮通道叶顶区域膨胀发展以后,湍流强度在叶轮出口处达到最大,这部分区域主要分布在主叶片压力面和分流叶片的吸力面之间。结合图7该叶高处的马赫数分布可以进一步分析,对于跨声速离心压气机内部流动,通道激波对间隙涡的发展具有重要的影响。激波表现为强间断和大的逆压梯度,波前的流体膨胀和波后的流体压缩会加速间隙涡的破裂,从而使得间隙泄漏的效应在叶片后半部分达到最大,从而间隙泄漏流动与激波作用相互结合,使得二次流的发展在此区域得到增强,湍流强度增加。从计算结果来看,随着前掠角的逐渐增加,湍流强度能够得到一定程度的降低,这是因为前缘前掠使叶片叶顶轴向弦长变长,叶片单位长度负荷减小,因而更不易发生失速,降低了这部分效应与间隙泄漏的结合。

2) 最高效率工况

图10示出4 种方案最高效率工况下95%叶高相对马赫数云图。通过计算结果可以看出,在主叶片前缘均存在一道斜激波,同时在通道下游存在大范围的低速能团。随着前缘掠角增大,主叶片前缘附近产生的斜激波强度有所增强,这主要是因为前掠角的增加造成堵塞流量增加,对应的最高效率点向大流量偏移,对于内部流体工质其相对速度是增加的,所以相对马赫数略有提高。对应的大范围低速能团主要分布在分流叶片的两侧,随着前掠角的增加,分流叶片吸力面低能流团逐渐减弱,而压力面的低能流团得到增强,这主要是因为前掠使叶顶轴向弦长增大,主叶片的叶间泄漏效应沿叶展向下游扩展。

图11示出最高效率工况叶轮子午面的熵增分布图。对于所计算的4种工况,高熵区在叶轮中部位置,从总体熵增分布情况来看,随着前掠角的增加,高熵区的分布区减少,因此,所对应的离心压气机效率略有升高。

图11 最高效率工况下子午面静熵分布

由于压气机气流经历了扩压过程,真实流动很复杂。黏性和复杂的几何形状引起各种形式的二次流,并表现为不同的涡系,由此形成的流动有很强的三维性和有旋性,因此分析压气机内部的二次流变化特征能够进一步揭示内部气流的流动状态。沿叶轮通道流动方向,划分近似与主流方向垂直的4个截面(A—D),如图12所示。

图12 通道截面划分示意

图13示出了最高效率工况叶轮内部选定截面的流线图谱。根据流线状态可以看出,在叶轮进口处近叶根部分出现通道涡,该通道涡靠近主叶片吸力面,沿流动方向逐渐减弱扩散并消失。该通道涡随着前掠角的增加而逐渐增强,主要是由于叶轮前掠角增加,使得叶轮沿径向距离增加,进而该部分流动出现较大的速度梯度,造成了流动的分离。

图13 最高效率工况叶轮内部不同截面流线图谱

随着流动在叶轮通道内的进一步发展,在叶顶附近形成较强的间隙涡,无掠角的情况下可以非常明显看到间隙涡的发展,随着前掠角的增加,间隙泄漏现象得以缓解和改善。在近叶轮出口位置4 种叶轮截面二次流的涡结构相同,说明前缘前掠对二次流产生的影响已经消除。通过以上分析得出,叶片前缘前掠对叶轮内部二次流的影响主要集中在叶顶间隙泄漏流及通道涡的重新分布上,对叶轮出口影响较小,前掠能够改善泄漏涡的形态,但是也带来了进口通道涡的增强,这部分分析将为自由掠叶形设计提供相应的依据。

3) 小流量工况

图14和图15示出了小流量工况叶轮内部流线图和叶轮进口流线图,结合对比压气机压比特性和效率特性,可知压气机在小流量工况整体内部流动特征无特异化差别,流动状态基本类似,说明叶片前掠主要影响了压气机的偏大流量工况的特性。

图14 小流量工况叶轮内部流线图

图15 小流量工况叶轮进口流线图

综上所述,通过对不同叶尖前掠角度叶形的压气机性能仿真计算及内部流场特性的分析,考虑到叶轮结构强度等因素,为实现压气机性能的进一步提升,以叶尖前掠10°的叶轮为模型,进行优化设计研究。

2.2 基于叶片前缘倾掠的叶形优化

通过主叶片前缘进口掠型的结果分析可知,压气机叶轮前缘前掠能够一定程度上改善压气机的特性,能够增加压气机的压比和堵塞流量,在一定程度上改善压气机的效率。为进一步优化叶轮进口流动特性,在叶尖前掠10°的叶轮模型基础上,采用自由掠叶形改善叶轮内部流动特性,具体措施如图16所示。

图16 主叶片前缘自由掠叶形示意

以叶片叶尖前掠10°叶形为优化基础,将主叶片子午面进口进行波形处理,通过BladeGen软件逐层调节叶片的角度分布及厚度分布,从而得到本节研究的自由掠叶形叶轮模型。

采用如图16所示的自由掠叶形的出发点在于通过前缘自由掠叶形改变前缘激波形态,以更加适应进口的流动,降低流动损失。由前文的分析可知,前缘前掠叶形在最高效率点损失在前缘叶顶处明显增强,因此拟采用前缘自由掠优化该部分。

自由掠、前缘前掠叶形和无掠叶形压比和效率特性曲线对比如图17和图18所示。从图中可以看出,自由掠叶形相较于前缘前掠叶形在性能上又得到一定程度的改善。在全工况范围内压比提升,随着转速的提高,压比提升更加明显,效率在中低转速得到了一定程度的提升。而在高转速70 000 r/min,中小流量工况时,自由掠叶形的效率较前缘前掠叶形要高,而在堵塞流量工况时自由掠叶形的效率比前缘前掠叶形低。对于流量范围,自由掠叶形在中低转速与前缘前掠叶形堵塞流量相当,而在高转速下,堵塞流量略有下降。从稳定性层面来看,自由掠叶形的流动稳定性更好,所以在小流量的工况点表现更优,带来的喘振流量能够向小流量方向偏移。

图18 自由掠、前缘前掠叶形和无掠叶形效率特性曲线对比

特性的变化印证了前述的研究内容：采用前缘前掠能够增加叶片的做功面积,带来了压比和稳定性的提升,前缘自由掠叶形的采用,更加适应进口的流动,降低流动损失,进而带来效率的提升。

为了进一步分析内部流动情况,针对70 000 r/min最高效率工况点,对比自由掠叶形与前缘前掠叶形叶轮内部流动情况。

如图19所示,根据叶片前缘掠型特性,沿叶高方向划分4个等值面,分析叶片前缘的流动特征。

图19 沿流道方向等值面示意

图20示出了4个等值面马赫数分布情况(自由掠与前缘前掠对比)。从图中可以看出,随着叶高的降低,马赫数降低。相比于前缘前掠叶形,在相同叶高等值面上,自由掠叶形的激波强度都明显降低。到50%叶高以下,自由掠叶形进口速度已经低于1马赫。说明采用自由掠叶形能够改善进口的激波形式,有效地改进了叶轮进口的流动状态。

图20 流道内不同叶高面相对马赫数分布等值线图

图21示出两种叶形压力面与吸力面静熵的分布形态。从静熵的分布来看,两种叶形在压力面分布形式基本一致,自由掠叶形叶轮在轮中部的静熵略低于前缘前掠叶形。差异主要体现在吸力面,吸力面气流流速更大(可以从马赫数的分布看出),由于自由掠叶形能够改善叶片前缘上部的激波形态,所以从熵增情况来看,该位置的静熵值要更低,流动损失更小,在效率特性上能够带来改善和提升。

图21 两种叶形压力面与吸力面静熵分布

从图17压比特性的变化可以看出自由掠叶形能够明显带来压比的提升,叶轮出口总压是衡量的表征因素。图22示出了两种叶形出口的总压分布情况。从总压分布情况来看,在压力分布形式上,二者基本是一致的。

图22 两种叶形叶轮出口总压分布

图23示出两种叶形60%叶高载荷分布的对比情况,总体上能够反映自由掠叶形特性的改进情况。在进口位置,叶片吸力面表面静压突变,自由掠叶形要更低,表明激波强度降低;对于出口位置静压,自由掠叶形略微高于前缘前掠叶形,表明前缘自由掠叶形可以在一定程度上提升压比。

图23 两种叶形60%叶高载荷分布对比

3 试验验证

在完成气动验证的基础上,开展了离心压气机叶轮的结构设计和样件加工,进而进行了两种叶形叶轮的性能试验对比分析。图24示出前缘自由掠叶形叶轮的子午面图及厚度分布。

图24 叶轮厚度分布

在进行叶轮工程化应用之前,需要对叶轮厚度分布进行优化设计,并对优化后的叶轮模型进行模态计算(见图25),以测试该叶轮在标况转速下的自振频率及整体应力分布情况是否符合工程设计要求。

图25 模态计算

通过计算可知,单叶片的倍频比为3.8(大于3.5),其自振频率符合工程设计要求。整体叶轮的应力分布情况如表2所示,可见设计值均符合要求。因此,该叶轮设计方案可进行工程化应用。

表2 叶轮应力分布

加工样件和试验台架如图26所示。从图27和图28压气机性能试验对比结果可以看出,在全工况范围内,采用自由掠叶形的离心压气机性能全部得到改善,在65 000 r/min转速下,压比提升约4%,流量范围提升约4%,最高等熵效率提升了0.2%。

图28 效率性能试验结果对比

4 结论

a) 随着压气机叶轮前缘前掠角的增加,在全工况范围内,压气机的压比和堵塞流量都得到了一定程度的提升,峰值效率得到一定的改善;

b) 采用前缘自由掠叶形更加适应进口的流动,改善了叶轮进口的激波形态,降低了流动损失,从而带来效率的提升;

c) 试验验证结果表明：在全工况范围内,采用自由掠叶形叶轮的离心压气机性能全部得到改善,在65 000 r/min转速下,压比提升约4%,流量范围提升约4%,最高等熵效率提升了0.2%。