Z305壓氣機內(nèi)部流場數(shù)值分析及擴壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　為分析葉輪和擴壓器耦合作用下的壓氣機內(nèi)部流場，在級環(huán)境下對Z305增壓器離心壓氣機進行了數(shù)值研究，結(jié)果表明該壓氣機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壓器進口處都存在較大的渦流區(qū)。通過減少擴壓器葉片數(shù)和縮短葉片尾緣的長度，改善了葉輪和擴壓器的耦合關(guān)系，使得壓氣機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

　　離心壓氣機內(nèi)部流動是復(fù)雜的三維湍流流動，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，從而使得壓氣機內(nèi)部流動十分復(fù)雜。葉輪是壓氣機的最重要元件之一，通過葉輪把機械功轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯奈荒芘c動能。擴壓器進口條件和葉輪出口條件的改善是改進離心壓氣機性能的關(guān)鍵，與葉輪中的壓力增加不同，在擴壓器中通過氣流的擴散流動以降低氣流速度和升高靜壓。

　　離心葉輪的氣流動能較大，設(shè)計高性能的壓氣機，必須高效回收這些動能。而擴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，使得動能按照角動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://genius-power.com/)認(rèn)為可能會引起壓氣機內(nèi)流動分離或者出現(xiàn)失速現(xiàn)象。葉輪與擴壓器的耦合作用直接影響整機的效率。較好的葉輪與擴壓器匹配可以使葉輪和擴壓器的內(nèi)部流場較為順暢。傳統(tǒng)的離心壓氣機設(shè)計方法是依賴經(jīng)驗對產(chǎn)品進行反復(fù)的設(shè)計和試驗，這種方法在設(shè)計過程中會造成時間和資金的浪費，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增壓器離心壓氣機為研究對象，分析不同轉(zhuǎn)速下，葉輪和擴壓器的內(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)化擴壓器的部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，以優(yōu)化葉輪與擴壓器的耦合關(guān)系，達(dá)到提高壓氣機的性能參數(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，其葉輪由10個主葉片和10個分流葉片組成，擴壓器為有葉擴壓器。葉輪的進口頁頂半徑為100mm，葉根半徑為50mm，葉輪出口半徑為150mm，出口的葉高15mm，進、出口頂部間隙均為0.6mm，葉輪的后彎角為25°，圖1為該壓氣機的幾何模型。

圖1 半開式離心壓氣機幾何模型

　　建立仿真模型時，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在不影響計算結(jié)果的前提下適當(dāng)進行簡化，并且只對單通道進行網(wǎng)格劃分，以節(jié)約計算的時間。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，則進行網(wǎng)格加密來保證仿真計算的準(zhǔn)確性。在處理葉輪和擴壓器時，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要求，因此需要進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際更為接近，在離心壓氣機的幾何模型上添加了機匣，使計算的結(jié)果與試驗結(jié)果具有可比性。離心壓氣機整級計算網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算精度。

圖3 壓氣機網(wǎng)格

　　2.2、數(shù)值計算方法

　　采用三維流體計算軟件NUMECA對某特定的離心壓氣機進行數(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算效果較好，可處理復(fù)雜的流動，并可模擬分離和邊界層轉(zhuǎn)換。根據(jù)該離心壓氣機的工作范圍，仿真分析不同轉(zhuǎn)速、不同質(zhì)量流量下離心壓氣機的效率、壓比等氣動參數(shù)。在邊界條件的設(shè)定中，進口條件采用軸向進氣，并給出進口總壓、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)的邊界條件計算。當(dāng)計算到離心壓氣機最高壓比點附近時，殘差曲線出現(xiàn)周期性波動，可認(rèn)定此時壓氣機已經(jīng)發(fā)生喘振。當(dāng)進行大量流工況計算時，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)為壓氣機已經(jīng)發(fā)生阻塞。

5、結(jié)論

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

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

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