為分析葉輪和擴(kuò)壓器耦合作用下的壓氣機(jī)內(nèi)部流場，在級環(huán)境下對Z305增壓器離心壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明該壓氣機(jī)的工作范圍較狹窄和整級效率較低的原因在于葉輪出口段到擴(kuò)壓器進(jìn)口處都存在較大的渦流區(qū)。通過減少擴(kuò)壓器葉片數(shù)和縮短葉片尾緣的長度，改善了葉輪和擴(kuò)壓器的耦合關(guān)系，使得壓氣機(jī)工作范圍和在多工況下的效率和壓比等性能參數(shù)都明顯提高。

1、前言

　　離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)是復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)，由于受葉輪旋轉(zhuǎn)和表面曲率的影響還伴有脫流、回流及二次流現(xiàn)象，從而使得壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)十分復(fù)雜。葉輪是壓氣機(jī)的最重要元件之一，通過葉輪把機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯奈荒芘c動(dòng)能。擴(kuò)壓器進(jìn)口條件和葉輪出口條件的改善是改進(jìn)離心壓氣機(jī)性能的關(guān)鍵，與葉輪中的壓力增加不同，在擴(kuò)壓器中通過氣流的擴(kuò)散流動(dòng)以降低氣流速度和升高靜壓。

　　離心葉輪的氣流動(dòng)能較大，設(shè)計(jì)高性能的壓氣機(jī)，必須高效回收這些動(dòng)能。而擴(kuò)壓器可以通過氣流道面積增大或者通過平均流道半徑的變化，使得動(dòng)能按照角動(dòng)量守恒原則作角速度恢復(fù)以減小平均速度，并因此使靜壓增大，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.zlyvkd.cn/)認(rèn)為可能會引起壓氣機(jī)內(nèi)流動(dòng)分離或者出現(xiàn)失速現(xiàn)象。葉輪與擴(kuò)壓器的耦合作用直接影響整機(jī)的效率。較好的葉輪與擴(kuò)壓器匹配可以使葉輪和擴(kuò)壓器的內(nèi)部流場較為順暢。傳統(tǒng)的離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方法是依賴經(jīng)驗(yàn)對產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，這種方法在設(shè)計(jì)過程中會造成時(shí)間和資金的浪費(fèi)，并且無法預(yù)料和控制開發(fā)投入及開發(fā)結(jié)果。本文利用數(shù)值方法，以Z305增壓器離心壓氣機(jī)為研究對象，分析不同轉(zhuǎn)速下，葉輪和擴(kuò)壓器的內(nèi)部流場情況，根據(jù)模擬結(jié)果，分析存在的問題，并提出優(yōu)化擴(kuò)壓器的部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，以優(yōu)化葉輪與擴(kuò)壓器的耦合關(guān)系，達(dá)到提高壓氣機(jī)的性能參數(shù)之目的。

2、仿真模型及數(shù)值方法

　　2.1、仿真模型與整級網(wǎng)格劃分

　　本文的研究對象是Z305增壓器離心壓氣機(jī)，其葉輪由10個(gè)主葉片和10個(gè)分流葉片組成，擴(kuò)壓器為有葉擴(kuò)壓器。葉輪的進(jìn)口頁頂半徑為100mm，葉根半徑為50mm，葉輪出口半徑為150mm，出口的葉高15mm，進(jìn)、出口頂部間隙均為0.6mm，葉輪的后彎角為25°，圖1為該壓氣機(jī)的幾何模型。

圖1 半開式離心壓氣機(jī)幾何模型

　　建立仿真模型時(shí)，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下適當(dāng)進(jìn)行簡化，并且只對單通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以節(jié)約計(jì)算的時(shí)間。蝸殼的網(wǎng)格劃分采用蝶形網(wǎng)格來保證網(wǎng)格質(zhì)量，若某條邊的兩端是壁面，則進(jìn)行網(wǎng)格加密來保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。在處理葉輪和擴(kuò)壓器時(shí)，要求葉片的根部截面和頂部截面應(yīng)當(dāng)位于子午流道之外(子午流道如圖2所示)，但給定的葉片不滿足這個(gè)要求，因此需要進(jìn)行壓力面及吸力面的延伸。

圖2 子午流道示意

　　為使建立的幾何模型與實(shí)際更為接近，在離心壓氣機(jī)的幾何模型上添加了機(jī)匣，使計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。離心壓氣機(jī)整級計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算精度。

圖3 壓氣機(jī)網(wǎng)格

　　2.2、數(shù)值計(jì)算方法

　　采用三維流體計(jì)算軟件NUMECA對某特定的離心壓氣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。工作介質(zhì)選取可壓縮理想氣體，RANS方法是目前工程湍流計(jì)算中所采用的基本方法。湍流模型選取單方程模型S-A，該模型對邊界層的計(jì)算效果較好，可處理復(fù)雜的流動(dòng)，并可模擬分離和邊界層轉(zhuǎn)換。根據(jù)該離心壓氣機(jī)的工作范圍，仿真分析不同轉(zhuǎn)速、不同質(zhì)量流量下離心壓氣機(jī)的效率、壓比等氣動(dòng)參數(shù)。在邊界條件的設(shè)定中，進(jìn)口條件采用軸向進(jìn)氣，并給出進(jìn)口總壓、總溫、湍流粘性，出口邊界條件按質(zhì)量流量給定。固壁采用絕熱的、等轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的邊界條件計(jì)算。當(dāng)計(jì)算到離心壓氣機(jī)最高壓比點(diǎn)附近時(shí)，殘差曲線出現(xiàn)周期性波動(dòng)，可認(rèn)定此時(shí)壓氣機(jī)已經(jīng)發(fā)生喘振。當(dāng)進(jìn)行大量流工況計(jì)算時(shí)，如果壓比或效率的殘差曲線顯著突然降低或者明顯發(fā)散，則認(rèn)為壓氣機(jī)已經(jīng)發(fā)生阻塞。

5、結(jié)論

　　(1)所建立的仿真計(jì)算模型能正確模擬離心壓氣機(jī)多工況運(yùn)行，表明，所采用的計(jì)算方法是可靠的;

　　(2)對原型壓氣機(jī)級環(huán)境的模擬表明，葉輪出口到擴(kuò)壓器進(jìn)口段輪蓋側(cè)存在的渦流區(qū)，嚴(yán)重干擾了擴(kuò)壓器氣流的正常流動(dòng)，致使擴(kuò)壓器內(nèi)效率下降過快;

　　(3)擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化(減少擴(kuò)壓器4個(gè)葉片，縮短葉片尾緣的長度)，不但可以改善渦流區(qū)對葉輪和擴(kuò)壓器內(nèi)部流場的影響，而且可以使擴(kuò)壓器尾部的低速區(qū)明顯改善，從而提高了整級的效率和壓比等參數(shù)。