復(fù)雜進(jìn)口邊界對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)性能影響分析

肖祥煜，馬朝臣，施新，張航

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081)

隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放要求的不斷提高，兩級(jí)增壓系統(tǒng)在車(chē)用內(nèi)燃機(jī)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在兩級(jí)增壓系統(tǒng)中，受整體結(jié)構(gòu)、空間以及質(zhì)量等因素的影響，兩級(jí)壓氣機(jī)之間需采用復(fù)雜的管道進(jìn)行連接，該級(jí)間管道中特殊的幾何特征會(huì)造成高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口段產(chǎn)生畸變氣流；同時(shí)，低壓級(jí)壓氣機(jī)出口流場(chǎng)也存在氣動(dòng)參數(shù)不均勻分布的特點(diǎn)，這種特征與級(jí)間彎扭管路導(dǎo)致的流動(dòng)畸變耦合在一起，將使高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口流動(dòng)條件更加復(fù)雜，由此導(dǎo)致壓氣機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)發(fā)生變化，從而對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)的性能和穩(wěn)定工作范圍產(chǎn)生顯著影響。

近年來(lái)關(guān)于離心壓氣機(jī)畸變進(jìn)氣的相關(guān)研究成為了學(xué)者們的研究重點(diǎn)之一。Ariga等[1]通過(guò)畸變網(wǎng)形成畸變進(jìn)氣，發(fā)現(xiàn)畸變進(jìn)氣對(duì)葉輪進(jìn)氣當(dāng)中的攻角產(chǎn)生了影響，從而令葉輪效率大幅減少。Engeda等[2]分析了離心壓氣機(jī)進(jìn)口配備直管以及不同類(lèi)型彎管的情況，發(fā)現(xiàn)離心壓氣機(jī)進(jìn)口采用90°彎管連接能夠造成壓氣機(jī)進(jìn)口出現(xiàn)畸變氣流，大幅降低壓氣機(jī)性能。Dickmann等[3-4]對(duì)離心壓氣機(jī)當(dāng)中存在的葉片激振進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)葉片振幅會(huì)受到流量的影響；此外通過(guò)分布不對(duì)稱(chēng)的周向靜壓對(duì)擴(kuò)壓器出口位置的蝸殼進(jìn)行了模擬研究，表明非軸對(duì)稱(chēng)形式的壓氣機(jī)蝸殼構(gòu)造會(huì)影響壓氣機(jī)葉輪葉片的振動(dòng)。張軍等[5]通過(guò)對(duì)離心壓氣機(jī)進(jìn)口部分采用不同形式進(jìn)氣管道的方式，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣管道存在差異的情況下，離心壓氣機(jī)實(shí)際的性能會(huì)受到較大的影響。此外，畸變會(huì)導(dǎo)致蝸殼舌部噪聲以及葉片振動(dòng)問(wèn)題的進(jìn)一步加重，而在蝸舌堵塞效應(yīng)和畸變核心區(qū)域的相互作用下，會(huì)造成擴(kuò)壓器內(nèi)部以及主葉片表面存在的脈動(dòng)強(qiáng)度和壓力分布出現(xiàn)變化[6-9]。

上述關(guān)于離心壓氣機(jī)進(jìn)氣畸變的研究均針對(duì)的是單級(jí)離心壓氣機(jī)，而針對(duì)兩級(jí)增壓系統(tǒng)內(nèi)離心壓氣機(jī)進(jìn)口復(fù)雜耦合畸變的研究很少。本研究針對(duì)某兩級(jí)增壓系統(tǒng)，基于NUMECA Fine/Turbo軟件包，建立帶有級(jí)間彎扭管路的高壓級(jí)壓氣機(jī)模型，結(jié)合上游低壓級(jí)壓氣機(jī)出口流場(chǎng)，研究復(fù)雜進(jìn)口邊界條件對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)性能的影響，探求耦合畸變效應(yīng)導(dǎo)致高壓級(jí)壓氣機(jī)性能變化的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理。

1 研究對(duì)象和計(jì)算模型

本研究的對(duì)象為某V6發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)增壓系統(tǒng)中的高低壓級(jí)壓氣機(jī)，包括蝸殼、壓氣機(jī)葉輪和進(jìn)口管道等部分，高低壓級(jí)壓氣機(jī)主要幾何參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

采用Numeca軟件進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，其中葉輪部分采用Autogrid 5模塊自動(dòng)生成網(wǎng)格，蝸殼以及進(jìn)口管道的網(wǎng)格手動(dòng)生成。網(wǎng)格采用的湍流模型為S-A湍流模型，它具有效率高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。為確保計(jì)算的精準(zhǔn)性，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分之后需要完成對(duì)網(wǎng)格數(shù)量的無(wú)關(guān)聯(lián)性確認(rèn)，并對(duì)網(wǎng)格的邊緣層進(jìn)行了加密處理，并保證網(wǎng)格y+值合理。帶級(jí)間管路的高壓級(jí)壓氣機(jī)模型計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

表1 高壓級(jí)壓氣機(jī)幾何參數(shù)

表2 低壓級(jí)壓氣機(jī)幾何參數(shù)

圖1 帶級(jí)間管路高壓級(jí)壓氣機(jī)網(wǎng)格

計(jì)算過(guò)程中，首先對(duì)低壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，然后提取低壓級(jí)壓氣機(jī)出口處的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)參數(shù)，將其直接加載到級(jí)間管路的入口，以此作為邊界條件進(jìn)行高壓級(jí)壓氣機(jī)的計(jì)算。除此以外，計(jì)算中還采用了第二種邊界條件，即對(duì)低壓級(jí)壓氣機(jī)出口的總溫、總壓等數(shù)值進(jìn)行平均后，加載到級(jí)間管路入口進(jìn)行高壓級(jí)壓氣機(jī)的計(jì)算。本研究在高低壓級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了多個(gè)工況點(diǎn)的計(jì)算，并針對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速100 000 r/min、流量為0.269 kg/s的工況，比較兩種進(jìn)口邊界條件下壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，探究復(fù)雜邊界條件對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)性能的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)口管道流場(chǎng)變化分析

進(jìn)口管路的非對(duì)稱(chēng)幾何形狀對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)性能具有一定的影響，所以有必要對(duì)管路內(nèi)部的流場(chǎng)分布進(jìn)行分析。如圖2所示，選取了4個(gè)截面進(jìn)行分析，并標(biāo)記了管道的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，尺寸最小的一側(cè)為內(nèi)側(cè)，尺寸最大的一側(cè)為外側(cè)。

圖2 分析截面的選取

圖3示出進(jìn)口管道截面1位置的靜壓分布。由圖3可以看出，不論是均勻進(jìn)口還是不均勻進(jìn)口，在截面1位置的壓力呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)低、外側(cè)高的情況，所以?xún)烧叩姆植家?guī)律沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。相比于均勻進(jìn)口，不均勻進(jìn)口的低壓區(qū)域小，高壓區(qū)域大。

圖3 進(jìn)口管道截面1位置的靜壓分布

通過(guò)圖4截面2位置的靜壓分布可以看出，在管道的內(nèi)側(cè)壓力較低，外側(cè)的壓力較高，高低靜壓區(qū)域的面積有所變化。

圖5示出了截面3位置的靜壓分布。可以看出，相比于截面2的靜壓分布特點(diǎn)，截面3位置的靜壓總體是內(nèi)側(cè)靜壓較低，而外側(cè)的靜壓較高，但是高低靜壓的位置有所偏移，這可能是因?yàn)榻孛?所處位置是彎管和直管交界的位置，所以流動(dòng)有所偏轉(zhuǎn)。但是靜壓的分布情況總體規(guī)律還是內(nèi)側(cè)較低、外側(cè)較高的模式。

圖4 進(jìn)口管道截面2位置的靜壓分布

圖5 進(jìn)口管道截面3位置的靜壓分布

圖6示出了截面4位置的靜壓分布情況。可以看出，在截面4位置，仍然是外側(cè)的壓力較高，而內(nèi)側(cè)的壓力較低，但是壓力最低的位置變?yōu)檎麄€(gè)截面的中心位置，說(shuō)明靠近葉輪進(jìn)口時(shí)，壓力的分布有所變化。對(duì)于均勻進(jìn)口條件和不均勻進(jìn)口條件，高靜壓的位置在靠近輪緣的區(qū)域，發(fā)生了一定的周向偏轉(zhuǎn)。兩者存在輕微的差異，但是總體分布形式一樣。

圖6 進(jìn)口管道截面4位置的靜壓分布

除了研究高壓級(jí)進(jìn)口管路的壓力分布之外，研究進(jìn)口管路各個(gè)截面的流線分布有助于更細(xì)致地理解高壓級(jí)進(jìn)口管路的流動(dòng)情況。圖7示出了截面1的流線分布。可以看出，圖3的低壓區(qū)域?qū)?yīng)于圖7中速度較高的區(qū)域，圖3的高壓區(qū)域?qū)?yīng)于圖7中的速度較低的區(qū)域，這是因?yàn)闅怏w的流動(dòng)滿足伯努利方程，壓能和動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化造成。

圖8示出了截面2的流線分布。可以看出，速度較高的區(qū)域?qū)?yīng)于圖4中的低壓區(qū)域，從流線的分布可以看出在截面2出現(xiàn)了漩渦流動(dòng)。圖9示出了截面3的流線分布，這個(gè)截面出現(xiàn)了較大的漩渦，漩渦中心的速度很低，但是這個(gè)位置并非圖5中的高壓區(qū)域，由于截面3處于進(jìn)口管道直管和彎管轉(zhuǎn)換的位置，所以復(fù)雜的幾何形狀導(dǎo)致此處的流動(dòng)發(fā)生了大的變化，出現(xiàn)了漩渦流動(dòng)，對(duì)于均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口，漩渦的范圍和漩渦流動(dòng)的速度差異不大。圖10示出了截面4的流動(dòng)情況，可以看出截面4的速度分布呈現(xiàn)內(nèi)高外低的分布形式，這是因?yàn)閳D6中截面的中心壓力較低，此處速度升高，在截面4不再有明顯的漩渦流動(dòng)。

圖7 截面1流線分布

圖8 截面2流線分布

圖9 截面3流線分布

圖10 截面4流線分布

通過(guò)以上分析可知，入口管道內(nèi)存在漩渦流動(dòng)的現(xiàn)象，但是只在管道幾何直管彎管突變的位置存在較強(qiáng)的漩渦流動(dòng)，在進(jìn)口管道進(jìn)出口沒(méi)有明顯的漩渦流動(dòng)。由于在截面4仍然存在一定的不均勻流動(dòng)，所以進(jìn)口管路的彎扭形狀會(huì)對(duì)壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生影響。對(duì)于均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口，兩者的流動(dòng)形式很接近，流動(dòng)速度存在較小的差異。

2.2 壓氣機(jī)葉間流場(chǎng)分析

為了更加詳細(xì)地分析高壓級(jí)壓氣機(jī)的流場(chǎng)分布情況，圖11示出了50%展向位置的葉間靜壓分布云圖。在0°～60°位置存在一個(gè)高靜壓區(qū)域，在180°～220°周向位置，也存在一個(gè)高靜壓區(qū)域。0°～60°周向位置和蝸舌的位置十分接近，而且不論是均勻進(jìn)氣還是非均勻進(jìn)氣，這個(gè)區(qū)域都存在高靜壓，而離心壓氣機(jī)內(nèi)造成周向不均勻流場(chǎng)的一個(gè)主要因素是蝸殼蝸舌的作用，說(shuō)明區(qū)域A的高靜壓是蝸舌誘導(dǎo)形成的。180°～220°周向位置存在的高靜壓區(qū)域是靜壓凸起區(qū)域B，已經(jīng)有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道了這種靜壓凸起現(xiàn)象?？梢钥闯?，對(duì)于均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口，兩者在50%槽道展向高度位置靜壓分布的形式和強(qiáng)度差距都很小，說(shuō)明采用均勻的進(jìn)口邊界條件和低壓級(jí)出口的邊界條件，對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)影響很微弱，對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)的靜壓分布形式和范圍沒(méi)有明顯的影響，也說(shuō)明低壓級(jí)出口的流動(dòng)對(duì)50%展向高度位置的靜壓流場(chǎng)影響很小。

圖11 50%展向位置靜壓云圖對(duì)比

由于需要全面地分析高壓級(jí)壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，圖12示出了90%展向位置的葉間靜壓分布云圖?？梢钥闯?，在0°～60°周向位置同樣存在高靜壓區(qū)域A，在180°周向位置附近存在靜壓凸起區(qū)域B。和50%槽道展向高度位置不相同的是，在90%槽道展向高度位置處，兩個(gè)高靜壓區(qū)域的右側(cè)都存在一定的低靜壓區(qū)域(約120 kPa)，說(shuō)明在90%槽道展向高度位置的壓力分布更為不均勻。同樣，對(duì)于均勻進(jìn)氣條件和實(shí)際的不均勻進(jìn)氣條件，兩者的流場(chǎng)分布情況差異很微弱，高靜壓區(qū)域所占據(jù)的范圍和靜壓的數(shù)值范圍差距很小。

圖12 90%展向位置靜壓云圖對(duì)比

葉片槽道內(nèi)的流動(dòng)損失是壓氣機(jī)流動(dòng)損失的重要組成部分，流動(dòng)損失會(huì)影響壓氣機(jī)的效率，所以有必要深入研究高壓級(jí)壓氣機(jī)內(nèi)葉間流動(dòng)損失的變化情況。圖13示出了兩種進(jìn)口條件下，壓氣機(jī)內(nèi)50%展向高度位置的熵增分布情況?？梢钥闯?，對(duì)于均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口條件，兩者的分布形式很相似，在葉輪上游，分流葉片以上的流向位置，熵增接近于0，說(shuō)明這些位置流動(dòng)損失很小，但是分流葉片以下的位置都存在明顯的熵增，說(shuō)明葉片槽道下游的流動(dòng)損失增加。對(duì)照?qǐng)D11和圖13可以看出：蝸舌上游都存在高熵區(qū)域，而蝸舌下游的熵增相對(duì)較小，對(duì)于180°周向位置的靜壓凸起區(qū)域，它的上游也存在一個(gè)高熵區(qū)域，而它的下游熵值相對(duì)較低，說(shuō)明流動(dòng)損失和靜壓分布密切相關(guān)。在高靜壓區(qū)域的上游存在高熵區(qū)域，說(shuō)明受到高靜壓區(qū)域的影響，上游的流動(dòng)受到阻礙，從而流動(dòng)分離加劇，導(dǎo)致?lián)p失增加。對(duì)比均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口條件下的熵增分布情況可以看出，兩者的分布形式、強(qiáng)度以及面積差異很小，說(shuō)明在50%槽道高度的流動(dòng)損失差異很小，表明低壓級(jí)出口氣流的分布情況對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)50%槽道展向位置的熵增分布影響很小。

圖13 50%葉片槽道展向位置熵增云圖對(duì)比

為了更加詳細(xì)地看出葉片槽道內(nèi)的流動(dòng)損失，圖14示出了90%葉片槽道展向位置的熵增分布情況?？梢钥闯觯?0%展向位置的高熵區(qū)范圍相比50%展向位置的高熵區(qū)有所偏移，熵值最大的區(qū)域移動(dòng)到了葉片槽道偏上游的位置，由于90%葉高接近葉頂間隙，所以這種差異變化是由葉頂間隙泄漏流動(dòng)引起的，說(shuō)明在90%葉高泄漏流動(dòng)損失很大，從而超過(guò)了蝸殼誘導(dǎo)的高靜壓區(qū)域?qū)α鲃?dòng)損失的影響。對(duì)比均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口條件下的熵增分布情況可以看出，高熵區(qū)域的范圍和強(qiáng)度十分接近，說(shuō)明兩者損失差異很小。但是對(duì)于不均勻進(jìn)口條件，高熵區(qū)域整體向右偏移了半個(gè)葉片槽道的距離，說(shuō)明不均勻進(jìn)口條件能夠影響葉片槽道上游的高熵區(qū)域的分布位置，但是不會(huì)對(duì)槽道的流動(dòng)損失產(chǎn)生大的影響。對(duì)比圖12發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槿~片槽道下游的流動(dòng)損失主要受到蝸舌誘導(dǎo)的高靜壓區(qū)域的影響，所以不均勻進(jìn)口條件對(duì)葉片槽道下游的流動(dòng)損失影響更小。

圖14 90%葉片槽道展向位置熵增云圖對(duì)比

2.3 典型葉片的葉尖載荷差異分析

從2.2節(jié)的流動(dòng)損失分析可以知道，靠近葉頂?shù)膿p失變化更為明顯，葉頂?shù)牧鲃?dòng)損失增加主要是由葉頂間隙泄漏流動(dòng)引起的，而間隙泄漏流動(dòng)的變化是由葉尖載荷差異變化引起的，所以有必要分析葉尖載荷的差異。圖15示出了圖14中葉片B1和葉片B5的載荷差異變化?？梢钥闯觯瑢?duì)于均勻進(jìn)氣條件，由于葉片B1靠近蝸舌，所以受到蝸舌誘導(dǎo)的高靜壓區(qū)域的影響，在葉片B1的吸力面靜壓更高，而壓力面在蝸舌的下游，壓力有明顯的下降；葉片B5吸力面至壓力面處于蝸殼誘導(dǎo)的靜壓分布上升的階段，所以葉片B5的載荷大于葉片B1的載荷，葉片B1載荷下降，會(huì)導(dǎo)致葉片B1泄漏流動(dòng)速度更小，從而更加容易出現(xiàn)泄漏渦破碎。對(duì)于不均勻進(jìn)口條件，葉片B1受到的載荷更小，而葉片B5吸力面和壓力面的載荷變化都不明顯。說(shuō)明不均勻的進(jìn)口條件下，葉片B1的載荷受到了更明顯的影響。

圖15 均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口葉尖載荷分布情況

2.4 葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角分布分析

圖16示出了葉輪進(jìn)口周向平均后的相對(duì)氣流角的分布差異。相對(duì)氣流角的分布能夠影響葉輪前緣的攻角損失，所以相對(duì)氣流角接近于葉片的安裝角，會(huì)有利于葉輪前緣的流動(dòng)。由于本研究的葉輪安裝角接近于60°，所以相對(duì)氣流角接近于60°會(huì)有利于減少前緣的攻角損失。從圖16可以看出，對(duì)于均勻進(jìn)氣和非均勻進(jìn)氣，相對(duì)氣流角在大部分葉高位置接近于最優(yōu)的氣流角，所以葉輪前緣的流動(dòng)基本符合要求。對(duì)均勻進(jìn)氣和非均勻進(jìn)氣進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者在大部分葉高的氣流角是相同的，所以低壓級(jí)出口對(duì)高壓級(jí)的氣流角的影響較小，通過(guò)放大視圖可以看出，僅僅在葉根位置，均勻進(jìn)氣的氣流角更加接近最優(yōu)角，但是兩者的差距很小。

圖16 均勻進(jìn)口和非均勻進(jìn)口葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角分布

3 結(jié)論

a) 在均勻進(jìn)氣條件和非均勻進(jìn)氣條件下，高壓級(jí)進(jìn)口彎扭管路內(nèi)的靜壓分布是相似的，總體分布呈現(xiàn)外高內(nèi)低的分布趨勢(shì)；在彎扭管結(jié)束位置，即葉輪進(jìn)口位置，均勻進(jìn)氣條件和非均勻進(jìn)氣條件下的靜壓分布仍然存在細(xì)微的差異，高靜壓區(qū)域的位置在靠近輪緣的區(qū)域，發(fā)生了一定的周向偏轉(zhuǎn)；

b) 通過(guò)高壓級(jí)壓氣機(jī)葉間流場(chǎng)分析可知，壓氣機(jī)50%和90%槽道展向高度位置的靜壓呈現(xiàn)出高低靜壓交替分布的現(xiàn)象，在靠近蝸舌的附近存在一個(gè)高靜壓區(qū)域，在180°周向位置也存在一個(gè)高靜壓區(qū)域；

c) 在均勻進(jìn)氣條件和非均勻進(jìn)氣條件50%槽道展向高度位置的熵增分布差異很小，主要是蝸舌誘導(dǎo)的高靜壓區(qū)域作用產(chǎn)生的高熵區(qū)域以及靜壓凸起區(qū)域產(chǎn)生的高熵區(qū)域；在90%槽道展向高度位置，兩者的熵增分布位置差異較為明顯，這可能是非均勻進(jìn)氣造成靠近輪緣的高靜壓周向偏轉(zhuǎn)造成的。