彎管對(duì)離心壓氣機(jī)性能的影響

0離心壓氣機(jī)性能在車(chē)輛渦流發(fā)生器的應(yīng)用中，壓氣機(jī)的入口通常通過(guò)曲線管道進(jìn)行傳輸。曲線中的二次流動(dòng)導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)口氣的變形，這影響了壓氣機(jī)的氣動(dòng)效率和葉片的可靠性。Engeda通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,表明離心壓氣機(jī)進(jìn)口接入90°彎管產(chǎn)生的氣流畸變,顯著降低了壓氣機(jī)性能。Zemp和Kammerer分別對(duì)離心葉輪進(jìn)口畸變進(jìn)行非定常計(jì)算,表明葉片載荷在前緣位置受進(jìn)氣畸變影響較大,且幅值與流量有關(guān)。周頌東采用試驗(yàn)的方法在離心壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉前加裝徑向畸變網(wǎng),結(jié)果表明其綜合效應(yīng)有利于壓氣機(jī)工作。作者所在研究團(tuán)隊(duì)與Brune等的研究均表明,彎管畸變對(duì)壓氣機(jī)性能的影響隨流量和轉(zhuǎn)速的增大而增大。但以往研究中很少涉及180°進(jìn)氣彎管及其周向安裝位置的改變。本文在離心壓氣機(jī)進(jìn)口加裝180°彎管,發(fā)現(xiàn)其周向安裝角度對(duì)壓氣機(jī)性能變化有明顯影響。對(duì)該問(wèn)題及其原因進(jìn)行研究,可為離心壓氣機(jī)進(jìn)氣彎管設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。1葉柵通道數(shù)值模型研究對(duì)象為J90S渦輪增壓器用離心壓氣機(jī),其主葉片和分流葉片數(shù)各為7,葉片后彎角35°,葉輪進(jìn)出口直徑分別為61mm和90mm,擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑為108mm,蝸殼進(jìn)口直徑為144mm,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為80kr/min,設(shè)計(jì)流量為0.28kg/s。在葉輪進(jìn)口前分別接入一段直管和180°彎管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)彎管)作為進(jìn)氣管道。兩管道長(zhǎng)度相同,直徑均與葉輪進(jìn)口相等,從結(jié)構(gòu)緊湊考慮,彎管中心線半徑為80.5mm,兩種進(jìn)氣管道時(shí)的數(shù)值模型見(jiàn)圖1。數(shù)值方法參考文獻(xiàn),葉柵通道空間離散網(wǎng)格由IGG/AutoGrid模塊生成,采用H-O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其中進(jìn)口延伸段及擴(kuò)壓器為H型網(wǎng)格,各排葉片為O型網(wǎng)格;進(jìn)氣管道和蝸殼通過(guò)IGG模塊手動(dòng)生成,并采用蝶形網(wǎng)格技術(shù);為加速計(jì)算收斂,采用多重網(wǎng)格技術(shù),網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證見(jiàn)文獻(xiàn)。圖2中點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)進(jìn)氣彎管軸線相對(duì)于蝸殼的周向位置。文中SP表示直管進(jìn)氣模型;BP表示彎管進(jìn)氣模型,其下標(biāo)指彎管安裝角度(如BP0對(duì)應(yīng)模型中彎管的安角度為0°)。數(shù)值計(jì)算采用NUMECA的FINE/TURBO軟件包,求解三維定常的Navier-Stokes(N-S)方程、湍流模型選用Spalart-Allmaras(S-A)模型,采用有限體積中心離散方法,空間項(xiàng)的離散采用中心差分格式,時(shí)間項(xiàng)采用四階Runge-Kutta方法迭代求解,并用多重網(wǎng)格等方法加速收斂。壓氣機(jī)進(jìn)口給定均勻的總溫、總壓和軸向進(jìn)氣,網(wǎng)格模型采用全周葉輪流道,選用“轉(zhuǎn)子凍結(jié)法”處理轉(zhuǎn)靜邊界條件。2壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果離心壓氣進(jìn)口分別接入直管和不同安裝角度的彎管,其性能影響實(shí)驗(yàn)在北京理工大學(xué)葉輪機(jī)械與增壓技術(shù)研究所渦輪增壓器壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成,壓氣機(jī)進(jìn)口連進(jìn)氣管道的布置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)外源壓縮空氣吹動(dòng)渦輪作功帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn),主要進(jìn)行壓氣機(jī)流量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口空氣溫度和壓力等性能參數(shù)的測(cè)量,其中流量采用雙紐線流量計(jì)測(cè)量后通過(guò)計(jì)算間接獲得。圖4是壓氣機(jī)模型為SP和BP0時(shí),設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下得到的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算性能曲線?？梢?jiàn)小流量時(shí)數(shù)值計(jì)算的效率、壓比值大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果;而隨流量增大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果逐漸接近;在近阻塞流量下計(jì)算結(jié)果偏大于實(shí)驗(yàn)值。在整個(gè)流量范圍,壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)性能曲線與數(shù)值模擬性能曲線的變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明采用數(shù)值方法研究是可行的。3彎管安裝角度考慮壓氣機(jī)進(jìn)出口管道和傳感器等的實(shí)際安裝情況,實(shí)驗(yàn)中彎管安裝角度分別為0°、30°和-60°,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)彎管的不同安裝角度對(duì)壓氣機(jī)的性能影響程度存在差異。3.1彎管安裝角度進(jìn)一步的數(shù)值研究中,將進(jìn)氣彎管分別按照?qǐng)D2所示的周向角度布置安裝,定常計(jì)算分別得到壓氣機(jī)相應(yīng)的壓比與效率特性。為細(xì)化彎管進(jìn)氣時(shí)不同安裝角度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響程度,圖5量化了壓氣機(jī)在直管進(jìn)氣與各安裝角度下的彎管進(jìn)氣性能的差別,其中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)彎管的周向安裝角度(為便于觀察,以0°安裝角度為基準(zhǔn),在逆時(shí)針-360°到順時(shí)針360°范圍作兩個(gè)安裝周期);縱坐標(biāo)分別為各流量點(diǎn)下彎管進(jìn)氣相對(duì)直管進(jìn)氣時(shí)壓比和效率變化的百分比,正值表示壓氣機(jī)特性的下降量。圖5中可見(jiàn),相對(duì)直管進(jìn)氣,彎管在各安裝角度下進(jìn)氣均使壓氣機(jī)性能明顯下降,且下降程度隨流量的增大而顯著增加,近阻塞流量時(shí)壓比最大下降量可達(dá)5%,效率最大可下降7.5%。同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn),彎管安裝角度介于-90°～460°之間時(shí),曲線數(shù)值較低且隨流量變化較為平緩,說(shuō)明該范圍對(duì)壓氣機(jī)性能影響較小;而安裝角度介于60°～270°之間時(shí),曲線數(shù)值明顯增大且隨流量變化加劇,說(shuō)明相應(yīng)范圍對(duì)壓氣機(jī)性能影響較大。曲線整體變化趨勢(shì)表明:相對(duì)于蝸殼的周向位置,彎管的安裝位置逆葉輪轉(zhuǎn)向越接近蝸舌對(duì)壓氣機(jī)的性能影響越小;而順葉輪轉(zhuǎn)向越接近蝸舌對(duì)壓氣機(jī)的性能影響越大。3.2彎管安裝位置及流變場(chǎng)分析分別取彎管進(jìn)氣時(shí)對(duì)壓氣機(jī)性能影響相對(duì)較小和較大兩個(gè)安裝角度與直管進(jìn)氣對(duì)比分析。結(jié)合圖5及彎管實(shí)際安裝位置,取0°為彎管對(duì)壓氣機(jī)性能影響較小的角度,120°為影響較大的角度。直管進(jìn)氣及上述兩種角度安裝的彎管進(jìn)氣對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)模型分別表示為SP、BP0、BP120?？紤]彎管進(jìn)氣在大流量工況下對(duì)壓氣機(jī)性能影響更大,本文的后續(xù)分析只對(duì)此工況進(jìn)行。同時(shí),為便于說(shuō)明問(wèn)題,圖6對(duì)壓氣機(jī)葉輪相應(yīng)位置主葉片編號(hào)B1～B7。圖7中分別為葉輪進(jìn)口10%、25%、50%、75%、90%葉高的周向總壓分布曲線。圖中橫坐標(biāo)表示彎管安裝角度;縱坐標(biāo)代表葉輪進(jìn)口總壓,并作無(wú)量綱化處理(,其中為外界大氣壓,為葉輪進(jìn)口處總壓);B1～B7所在虛線表示葉輪主葉片前緣位置,T處實(shí)線代表下游蝸舌相應(yīng)的周向位置,A處點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)彎管周向安裝位置。圖7中顯示,氣流在葉輪進(jìn)口受葉輪勢(shì)流擾動(dòng)明顯,總壓沿周向呈高低相間分布。直管進(jìn)氣時(shí),周向總壓分布與下游蝸殼的周向位置有關(guān),與葉輪轉(zhuǎn)向相同,越接近蝸舌所在的周向位置,總壓值下降越明顯,在B2～B3對(duì)應(yīng)周向范圍總壓下降更顯著。這是由于下游蝸殼軸向不對(duì)稱(chēng)引起的內(nèi)部總壓周向畸變向上游傳播的結(jié)果,大流量下蝸殼總壓畸變的傳播形式與文獻(xiàn)一致。彎管進(jìn)氣時(shí),相對(duì)于彎管安裝位置約120°周向范圍出現(xiàn)總壓畸變,并在相應(yīng)于安裝角度的周向位置附近出現(xiàn)極小值;而徑向方向從葉根起約40%以上的葉高部分總壓變化更為顯著。而周向總壓畸變形態(tài)并不以彎管的安裝角度呈對(duì)稱(chēng)分布,明顯體現(xiàn)出受下游蝸殼影響。這表明葉輪進(jìn)口流場(chǎng)的變化是由進(jìn)氣管道、葉輪勢(shì)流和下游蝸殼不同位置引起的擾動(dòng)反向傳播共同決定的。對(duì)比兩彎管進(jìn)氣模型,以葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖?BP0的彎管安裝位置與蝸舌位置在周向上相距較近,其總壓畸變區(qū)域處于轉(zhuǎn)動(dòng)上游,蝸舌的周向位置使畸變區(qū)域的低總壓極值進(jìn)一步下降,但蝸舌周向位置前方總壓波峰與畸變區(qū)域的疊加,使該處總壓值明顯上升,顯著改變了畸變區(qū)域形態(tài);而B(niǎo)P120的畸變區(qū)域相對(duì)蝸舌位置,處于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的下游,蝸舌所在的周向位置對(duì)畸變區(qū)域影響相對(duì)較小。葉輪進(jìn)口總壓畸變區(qū)域形態(tài)的變化改變了流場(chǎng)結(jié)構(gòu),使葉片轉(zhuǎn)過(guò)該區(qū)域時(shí)的進(jìn)氣條件發(fā)生改變。由主葉片節(jié)距決定,總壓畸變周向范圍內(nèi)只能同時(shí)有兩個(gè)主葉片通過(guò),BP0低總壓部分主要影響主葉片1,而B(niǎo)P120低總壓部分則同時(shí)對(duì)主葉片3、4產(chǎn)生影響。3.3進(jìn)口氣流角的影響葉輪進(jìn)口總壓畸變將改變進(jìn)氣軸向速度的分布,從而對(duì)主葉片進(jìn)口相對(duì)氣流角產(chǎn)生影響。圖8定義進(jìn)口相對(duì)氣流角為氣流相對(duì)速度和子午流動(dòng)速度的夾角。由圖8可見(jiàn),相對(duì)直管進(jìn)氣,BP0對(duì)應(yīng)的主葉片1和BP120對(duì)應(yīng)的主葉片3、4受葉輪進(jìn)口畸變區(qū)影響較大,該葉片前緣的相對(duì)氣流角在40%葉高以上均有不同程度增大,BP120主葉片3、4相對(duì)氣流角的增加量大于BP0主葉片1相對(duì)氣流角的增加量。而進(jìn)口氣流相對(duì)氣流角的增大會(huì)使攻角減小,進(jìn)而導(dǎo)致壓氣機(jī)性能的下降。BP0與BP120兩模型下葉輪進(jìn)口相對(duì)氣流角對(duì)比表明BP120對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣彎管安裝角度對(duì)離心壓氣機(jī)的影響更大。4蝸舌、葉輪轉(zhuǎn)向與壓氣機(jī)性能的響應(yīng)1)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法研究均證實(shí)彎管進(jìn)氣使壓氣機(jī)性能下降,各進(jìn)氣彎管安裝角度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響存在明顯差異?；谵D(zhuǎn)子凍結(jié)法的數(shù)值結(jié)果顯示:相對(duì)于蝸殼的周向位置,彎管的安裝位置逆葉輪轉(zhuǎn)向越接近蝸舌對(duì)壓氣機(jī)性能的影響越小;而順葉輪轉(zhuǎn)向越接近蝸舌對(duì)壓氣機(jī)性能的影響越大。2)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受進(jìn)氣管道導(dǎo)流、葉輪勢(shì)流和下游蝸殼周向不對(duì)稱(chēng)性共同作用。葉輪進(jìn)口在彎管安裝角度位置附近總壓下降出現(xiàn)極值;其徑向方向上從葉根起約40%以上的葉