机匣引气再循环拓宽压气机工作范围的仿真研究

吴春雨，王银燕，杨传雷，王贺春

哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

机匣引气再循环拓宽压气机工作范围的仿真研究

吴春雨，王银燕，杨传雷，王贺春

哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

高压比离心式压气机高效率工作范围窄，喘振裕度低。为了拓宽其高效工作范围，将机匣引气再循环技术应用于高压比离心式压气机。采用数值模拟方法对其进行仿真研究，对各结构尺寸对压气机性能的影响进行对比。结果表明，引气再循环系统使该离心压气机各转速下稳定工作范围平均拓宽13%以上，喘振裕度最大增加11%。抽吸槽与分流叶片的距离在引气再循环结构尺寸中对离心压气机性能影响最大，其次是抽吸槽的宽度，其余结构尺寸对其影响较小。引气再循环使压气机叶轮入口相对马赫数分布更加均匀，减弱叶片前缘局部高马赫数的现象，使叶片入口正攻角减小，抑制了叶片表面边界层的分离。

高压比离心压气机；引气再循环；喘振裕度；抽吸槽；分流叶片

近年来，国外船用柴油机高功率密度技术发展迅速，对涡轮增压器的增压比提出了更高的要求。离心压气机增压比提高后，稳定运行范围变窄，无法满足内燃机增压的宽流量范围要求，所以增大高压比离心压气机稳定工作范围的研究非常重要［1-4］。

机匣引气再循环技术是被动流动控制拓宽离心压气机工作范围的一种技术。Amman［5］将机匣处理从轴流压气机发展到离心压气机上；Fisher［6］的试验表明：引气再循环对压气机流量的影响是拓宽其工作范围的根本原因；Ishida［7-8］的研究表明：引气再循环中抽气槽位置对低速离心压气机性能影响较大；清华大学［9-10］利用机匣处理方法对压气机非对称流场进行了有效控制。

本文采用数值模拟方法，以某型最高压比为5．2的离心压气机为对象，研究了引气再循环各结构尺寸对压气机性能的影响和引气再循环拓宽压气机工作范围的作用。

1 数值模拟方法

本文所研究的压气机几何尺寸如表1所示。数值计算采用NUMECA商业软件，选择S-A湍流模型，求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程，采用当地时间步长、多重网格和残差光顺加速收敛。

表1 离心压气机叶轮和扩压器的主要尺寸

计算区域选择包含主叶片、分流叶片和叶片扩压器的通道，采用AutoGrid5模块对离心压气机模型进行网格的划分，选择ZR Effect功能生成引气再循环网格，如图1、2所示。固壁选择无滑移、绝热边界；进口边界给定总温、总压；出口边界大流量工况给定静压，小流量工况给定流量；计算步数600，全局残差低于10－4且进出口参数基本不变时，判断计算收敛。

图1 压气机叶片单通道网格

图2 压气机叶片子午面网格

2 计算结果及分析

引气再循环的主要的结构参数如图3所示，其中a为抽吸槽与分流叶片之间的距离，b为抽吸槽的宽度，c为回流通道的高度，d为回流通道直径，e为回流槽出口与分流叶片的距离，f为回流槽的出口直径。设定初始结构尺寸如下：a＝13 mm、b＝2 mm、c＝8 mm、d＝8 mm、e＝36 mm、f＝8 mm。选择计算工况为612 r／s等转速线，依次改变6个主要参数的大小，得到各结构参数对离心压气机性能的影响，计算结果如图4～9所示。

图3 引气再循环结构尺寸示意

图4 同a值的压比与流量变化曲线图

图5 不同a值的效率与流量变化曲线

从图4和5可以看出，经过机匣引气再循环改造后的压气机，抽吸槽与分流叶片之间的距离a对压气机性能影响较大。经过改造后，压比和效率都会较以前要低，堵塞线的位置变化不大，而喘振线都左移，喘振裕度增大。综合图4和5，以效率优先的原则，a值取15 mm较为合适。据文献［5-6］的研究成果，抽吸槽的宽度b对压气机的性能影响也较大，图6和7为计算结果。从图6和7中可以看出，抽吸槽宽度b的变化对压气机的压比和效率也有较大的影响。等转速的压比和效率会下降，特别是效率下降较大，达到3个百分点。堵塞线几乎不变，喘振线均左移。由于增加了机匣引气其喘振裕度也承之增大。本文依次对另个4个参数也进行了仿真计算研究，图8和9是不同的回流通道高度c以压气机的影响变化曲线。从图中可以看出，c值的变化对压气机性能影响不大。同样，对回流通道直径d、回流槽出口与分流叶片的距离e、回流槽的出口直径f进行了仿真计算，结果同样显示其值对压气机性能影响较小。

图6 不同b值的压比与流量变化曲线

图7 不同b值效率与流量变化曲线

综上研究表明，机匣引气再循环技术中的结构参数，抽吸槽与分流叶片之间的距离a和抽吸槽的宽度b对压气机性能影响较大，是机匣引气再循环结构设计的关键参数。而其他4个参数对压气机性能影响较小，可依据加工难易进行调整。

图8 不同c值的压比与流量变化曲线

图9 不同c值的压比与流量变化曲线

通过以上仿真研究表明，机匣引气的结构参数优化为：a＝15 mm，b＝3 mm，c＝8 mm，d＝8 mm，e＝36 mm，f＝8 mm。为了对比机匣引气改造后的性能影响，在各等转速线下，从堵塞流量边界到喘振流量边界进行了仿真计算，绘制的压气机特性线如图10所示，图11为无引气再循环下的压气机特性线图。

图10 具有引气再循环结构的压气机特性

图11 不具有引气再循环结构的压气机特性

由图10和11可以看出，采用引气再循环后，压气机喘振边界整体左移，各转速下稳定工作范围增加，低转速和中间转速时，喘振裕度和稳定工作范围的提升明显；各转速下效率稍有下降，但不超过2%；压气机压比在低转速和中间转速下降不明显，高转速压比下降较大，最大压比由5．2降为5．07。引气再循环结构尺寸是在中间转速612 r／s时选择的，该转速下压气机稳定工作范围由1．402 kg／m3到1．794 kg／m3提升为1．281 kg／m3到1．796 kg／m3，喘振裕度提升10．4%，压比下降约为0．05，效率平均下降约2%。

为了较好地说明机匣引气再循环技术对压气机性能的影响，本文对压气机在612 r／s工况下的内部流场进行了研究，图12为引气再循环压气机和无引气再循环压气机相对马赫数的对比图。

图12 离心压气机相对马赫数分布

从图12可以看出，相同工况点，引气再循环的压气机入口马赫数较小，且入口马赫数分布更均匀，采用引气再循环后离心压气机的入口速度三角形发生变化，由于引气再循环的回流作用使入口流量增大，入口绝对速度增大，在牵连转速不变的情况下，相对速度增大，叶片入口的正攻角变小。

由此可知引气再循环减弱了叶片表面的边界层分离，拓宽了离心压气机稳定工作范围，增大了其喘振裕度。

3 结论

1）采用优化后的结构尺寸，引气再循环压气机稳定工作平均拓宽13%以上，喘振裕度最大增大11%，最大压比稍有下降，效率下降值低于2%。

2）引气再循环中抽吸槽与分流叶片的距离和抽吸槽的宽度对压气机性能影响较大，其余引气再循环的结构尺寸对压气机性能影响较小。各转速下，引气再循环对压气机性能的影响程度不同。一种引气再循环尺寸，难以在各个转速下全面提高压气机性能。

3）引气再循环的压气机入口相对马赫数降低，且分布更均匀，叶片入口正攻角变小，叶片表面的边界层分离减弱，可以拓宽压气机的稳定工作范围。

［1］卢家玲．轴流压气机机匣处理及其机理研究［D］．西安：西北工业大学，2007：2-5．

［2］郭宫达．压跨声速离心压气机扩稳流动控制研究［D］．北京：清华大学，2009：5-12．

［3］杨名洋．内燃机高压比离心式压气机扩稳非对称流动控制［D］．北京：清华大学，2011：12-15．

［4］徐伟，王彤，谷传纲．抽吸孔数目对孔式机匣处理方式效果的影响［J］．机械工程学报，2011，47（18）：121-129．

［5］AMMAN C A，NORDENSEN G E，SKELLENGER G D．Casing modification for increasing the surge margin of a cen-trifugal compressor in an automotive turbine engine［J］．Journal of Engineering for Power，1975，97：329-336．

［6］FISHER F．Application of map width enhancement devices to turbocharger compressor stages［J］．SAE Transactions，1989，97（6）：1303-1310．

［7］ISHIDA M，SAKAGUCHI D，UEKI H．Optimization of inlet ring groove arrangement for suppression of unsteable flow in a centrifugal impeller［C］／／Proceedings of GT2005 ASME Turbo Expo 2005：Power for Land，Sea and Air．Reno，USA，2005：35-43．

［8］ISHIDA M，SURANA D，UEKI H，et al．Suppression of unstable flow at small flow rates in a centrifugal blower by controlling tip leakage flow and reverse flow［J］．ASME Journal of Turbo-machinery，2005，127：76-83．

［9］YANG Mingyang，ZHENG Xinqian，ZHANG Yangjun．Sta-bility improvement of high-pressure ratio turbocharger cen-trifugal compressor by asymmetric flow control-part I：non-axisymmetric flow in centrifugal compressor［C］／／Proceed-ings of ASME Turbo Expo 2010：Power for Land，Sea and Air．Glasgow，UK，2010：1891-1902．

［10］YANG Mingyang，ZHENG Xinqian，ZHANG Yangjun．Stability improvement of high-pressure ratio turbocharger centrifugal compressor by asymmetric flow control-part II：non-axisymmetric self-recirculation casing treatment［J］．Journal of Turbomachinery，2012，135（2）：0210071-0210078．

Simulation on expanding steady working range of centrifugal compressor
by self-recirculation casing treatment

WU Chunyu，WANG Yinyan，YANG Chuanlei，WANG Hechun
College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Numerical simulation method is adopted to simulate and research self-recirculation casing treatment（SRCT）on expanding the scope of steady work of high-pressure-ratio centrifugal compressor，and increase the compressor surge margin．Contrast the influences which are caused by structure sizes of the SRCT on the perform-ance of compressor．The results showed that SRCT makes the compressor stable operating range broaden more than 13%in average on all kinds of speed，and the surge margin has increased by 11%at most．Among the structure si-zes，the distance between the bleed slot and the splitter blade has the largest effect on the performance of centrifu-gal compressor，followed by the bleed slot width，others have less affect．SRTC makes the distribution of the com-pressor impeller inlet relative Mach number more uniform，weakens the phenomenon of local high Mach number of blade leading edge，decreases the positive incidence of blade inlet，and inhibits separation of the blade surface boundary layer．

high-pressure-ratio centrifugal compressor；self-recirculation casing treatment；surge margin；bleed slot；splitter blade

TK442

A

1009-671X（2014）03-0069-04

10．3969／j．issn．1009-671X．201308009

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009-671X．201308009．html

2013-08-30．

日期：2014-06-05．

国家科技支撑计划资助项目（2012BAF01B01）．

吴春雨（1988-），男，硕士研究生；

王银燕（1961-），女，教授，博士生导师．

杨传雷，E-mail：heuylz＠163．com．