径向扩压器特征参数对某离心压气机流场及性能的影响研究

赵振国 韦威 杨华斌

摘 要：本文以某组合压气机离心级为研究对象，采用三维粘性数值模拟方法分析了径向扩压器进、出口半径对离心压气机流场及性能的影响，结果表明：对于该离心压气机，D3/D2在1.05～1.17范围内，减小径向扩压器进口半径有利于提高压气机工作效率和流通能力，但易导致其稳定工作范围大幅降低;D4/D3在1.34～1.43范围内，减小径向扩压器出口半径对离心压气机特性影响不大，可以大幅降低压气机最大径向尺寸，对于压气机减重有较大参考意义。

关键词：径向扩压器;特征参数;离心压气机;流场;性能

高效、高负荷离心压气机在中小型航空发动机中得到了广泛的使用。作为离心压气机的一个关键部件，扩压器性能的优劣对于离心压气机性能有着重要影响。研究表明[1]，离心叶轮出口气流动能约占叶轮耗功的25%～50%，且气流具有较大的切向速度。径向扩压器通过半径的增加使气流减速增压，并使气流以希望的角度偏转，轴向扩压器则进一步偏转气流至燃烧室进口所需方向。由于扩压器内部流动为复杂的三维粘性流动，气流在强逆压力梯度下容易发生分离，带来较大的流动损失[2]，为高性能扩压器设计带来较大的难度。

为了更好地进行扩压器设计，国内外许多学者对扩压器工作特性的影响因素进行了大量的研究。Pampreen等[3]早在上世纪七十年代即对直角扩压器进行研究，发现叶片进口扭曲可改善扩压器气动性能。Senoo等[4]提出了低稠度叶片扩压器概念，并指出叶片喉道限制了扩压器堵塞流量，采用低稠度叶片扩压器可获得更优的性能。初雷哲等[5]指出适当调整扩压器的叶片倾角可以减小流场波动，并对扩压器中的流动分离有重要影响。张朝磊等[6]数值研究了扩压器叶片气动设计方法，获得了一些有意义的结论。

本文以某型组合压气机离心级为研究对象，分别研究和认识了径向扩压器叶片进、出口半径等特征参数对该离心压气机流场和气动性能的影响，为该离心压气机的改进设计提供参考。

1数值研究方案

1.1数值计算方法

本文数值模拟研究采用CFX13.0软件，计算域包括离心叶轮、径向扩压器和轴向扩压器三排叶片，采用TurboGrid13.0生成六面体结构化网格，定常计算求解三维Navier-Stokes方程组，差分格式采用高精度格式，湍流模型采用K-epsilon模型。为了使计算分析更具有可比性，本文各算例计算网格均采用相同的网格模板生成，网格拓扑结构和网格密度均保持一致，计算边界条件亦保持一致。

1.2径向扩压器叶片进口半径对性能的影响

本文研究对象为某组合压气机离心级，其径向扩压器流道为等宽度流道，叶片采用双圆弧设计。分别选取不同的径向扩压器叶片进口半径，用方案1～方案4表示，其叶片前缘在子午面上的位置如图1所示。为保证叶片喉道面积不变，适当对径向扩压器盖侧流道进行了偏移。通过对比这四种方案扩压器流场来分析径向扩压器叶片进口半径对性能的影响。

1.3径向扩压器叶片出口半径对性能的影响

径向扩压器叶片出口半径通常可以影响发动机的最大径向尺寸，对整台发动机的重量有着重要影响。本文分别选用不同的径向扩压器叶片出口半径，用方案5～方案8表示，其叶片尾缘在子午面上的位置如图2所示。通过对比这四种方案扩压器流场来分析径向扩压器叶片出口半径对性能的影响。

2数值计算结果与分析

2.1径向扩压器叶片进口半径对性能的影响

图3为采用不同径向扩压器叶片进口半径的离心压气机在设计转速下的特性图对比，图中可以看出，随着D3/D2的增加，径向扩压器叶片进口马赫数依次减小，则喉道处的马赫数亦随之减小，但喉道面积不变，因此压气机的堵点流量依次降低。此外，四种方案的峰值压比依次降低，穩定工作范围则依次升高，稳定裕度分别为22%、28%、30%和32%。如果将离心叶轮尾缘至径向扩压器叶片前缘之间的部分看作无叶段，则缩短无叶段的长度有利于减小无叶段的流动损失，提高该离心压气机的工作效率，且提高其流通能力，但是无叶段过短则会导致稳定工作范围大幅降低。

图4为近设计点径向扩压器50%叶高处叶片表面静压分布。图中可以看出，四种方案下径向扩压器叶片表面压力分布发生了明显的变化。随着D3/D2的增加，径向扩压器叶片弦长变短，叶片载荷明显降低。且图中可以看出，径向扩压器的扩压作用主要发生在叶片的前半段，因此D3/D2的变化对该区域的载荷分布有着明显影响。

图5所示为近设计点下四种方案的无叶段、径向叶片、转弯段、轴向叶片和扩压器的相对总压恢复系数的分布。图中可以看出，随着径向叶片进口逐渐远离离心叶轮出口，无叶段增长，其摩擦损失增加，总压恢复系数逐渐降低;径向叶片进口马赫数降低，总压恢复系数升高;由于气体在径向叶片内减速扩压程度降低，径向叶片出口和轴向叶片进口马赫数增加，转弯段和轴向叶片的总压恢复系数均有所降低。在各分段的共同作用下，整个扩压器的总压恢复系数逐渐降低。

2.2径向扩压器叶片出口半径对性能的影响

图6为采用不同径向扩压器叶片出口半径的离心压气机在设计转速下的流量-压比特性图对比，图7为近设计点下扩压器各排叶片进口马赫数沿展向分布。图中可以看出，在本文算例D4/D3范围内，增减径向扩压器进口半径对离心压气机堵点流量并无影响，由于计算中保持叶片喉道面积不变，则四种方案喉道处气流速度基本保持一致。分析流场发现，在此范围内，D4/D3的变化对离心叶轮和径向扩压器进口流场基本无影响，但对扩压器内部流场有明显影响。同时可以看到，四种方案的离心压气机特性线基本吻合，稳定工作范围随D4/D3的减小依次降低，稳定裕度分别为29.1%、27.8%、26.7%和25.4%。

图8为近设计点下四种方案的总压恢复系数在扩压器内的分布图。前文分析认为，D4/D3的减小对径向叶片进口流场没有影响，此处也可看到，无叶段的总压恢复系数亦基本保持不变。由于径向叶片弦长变短，叶型损失减小，其总压恢复系数有所增加。但同样由于气体在径向叶片内减速扩压程度降低，轴向叶片进口马赫数增加，转弯段和轴向叶片的总压恢复系数均有降低。结合图6可以看出，D4/D3在1.34～1.43范围内时，这四部分的总压损失大致可以抵消，因此整级压气机的特性基本不变，但是压气机的最大径向尺寸降低了11%，对于压气机减重具有较大的参考意义。

3结束语

本文通过研究某离心压气机径向扩压器叶片进、出口半径对压气机内部流动的影响，得出以下结论：

（1）对于该离心压气机，D3/D2在1.05～1.17范围内时，径向扩压器进口半径的减小有利于减小无叶段流动损失，提高压气机工作效率，并提高其流通能力，但是容易导致压气机稳定工作范围大幅降低;

（2）径向扩压器的扩压作用主要发生在叶片前半段;

（3）D4/D3在1.34～1.43范围内时，减小径向扩压器出口半径对离心压气机特性影响不大，压气机稳定工作范围亦只是小幅降低，但可以大幅降低压气机最大径向尺寸，有利于其重量减轻;

（4）后续工作还需要继续进行各特征参数对离心压气机流场及性能的综合影响研究。

参考文献：

[1] Dutton J C， Piemsomboon P， Jenkins P E. Flowfield and Performance Measurements in a Vaned Radial Diffuser[J]. Journal of Fluids Engineering， 1986，108（2）：141-147.

[2] Moore J， Moore J G. Three Dimensional Viscous Calculations for Assessing the Thermodynamic Performance of Centrifugal Compressors-Study of the Eckardt Compressor[R]. AGARD CP 282，1980.

[3] Pampreen R C. The Use of Cacade Technologyin Centrifugal Compressor Vaned Diffuser Design[J]. Journal of Engineering for Power，1972， 94（3）： 187-192.

[4] Senoo Y， Hayami H， Ueki H. Low Solidity Tandem Cascade Diffusers for Wide Flow Range Centrifugal Blowers[J]. ASME Paper，1983， No.93-GT-108.

[5] 初雷哲，杜建一，趙晓路，等. 叶片倾角变化对扩压器中非定常流动的影响[J]. 工程热物理学报，2007，28（5）：759-762.

[6] 张朝磊，邓清华，丰镇平.级环境下离心压气机扩压器叶片气动优化设计[J].西安交通大学学报，2009， 43（11）：32-36.

作者简介：

赵振国（1989—），男，汉族，江苏徐州人，硕士研究生，工程师，现就职于中国航发湖南动力机械研究所，研究方向：压气机气动热力学。