弯管对离心压气机性能的影响

弯管对离心压气机性能的影响

0离心压气机性能在车辆涡流发生器的应用中，压气机的入口通常通过曲线管道进行传输。曲线中的二次流动导致压气机进口气的变形，这影响了压气机的气动效率和叶片的可靠性。Engeda通过实验和数值模拟,表明离心压气机进口接入90°弯管产生的气流畸变,显著降低了压气机性能。Zemp和Kammerer分别对离心叶轮进口畸变进行非定常计算,表明叶片载荷在前缘位置受进气畸变影响较大,且幅值与流量有关。周颂东采用试验的方法在离心压气机进口导叶前加装径向畸变网,结果表明其综合效应有利于压气机工作。作者所在研究团队与Brune等的研究均表明,弯管畸变对压气机性能的影响随流量和转速的增大而增大。但以往研究中很少涉及180°进气弯管及其周向安装位置的改变。本文在离心压气机进口加装180°弯管,发现其周向安装角度对压气机性能变化有明显影响。对该问题及其原因进行研究,可为离心压气机进气弯管设计提供指导。1叶栅通道数值模型研究对象为J90S涡轮增压器用离心压气机,其主叶片和分流叶片数各为7,叶片后弯角35°,叶轮进出口直径分别为61mm和90mm,扩压器进口直径为108mm,蜗壳进口直径为144mm,设计转速为80kr/min,设计流量为0.28kg/s。在叶轮进口前分别接入一段直管和180°弯管(以下简称弯管)作为进气管道。两管道长度相同,直径均与叶轮进口相等,从结构紧凑考虑,弯管中心线半径为80.5mm,两种进气管道时的数值模型见图1。数值方法参考文献,叶栅通道空间离散网格由IGG/AutoGrid模块生成,采用H-O型结构化网格,其中进口延伸段及扩压器为H型网格,各排叶片为O型网格;进气管道和蜗壳通过IGG模块手动生成,并采用蝶形网格技术;为加速计算收敛,采用多重网格技术,网格无关性验证见文献。图2中点划线对应进气弯管轴线相对于蜗壳的周向位置。文中SP表示直管进气模型;BP表示弯管进气模型,其下标指弯管安装角度(如BP0对应模型中弯管的安角度为0°)。数值计算采用NUMECA的FINE/TURBO软件包,求解三维定常的Navier-Stokes(N-S)方程、湍流模型选用Spalart-Allmaras(S-A)模型,采用有限体积中心离散方法,空间项的离散采用中心差分格式,时间项采用四阶Runge-Kutta方法迭代求解,并用多重网格等方法加速收敛。压气机进口给定均匀的总温、总压和轴向进气,网格模型采用全周叶轮流道,选用“转子冻结法”处理转静边界条件。2压气机实验结果离心压气进口分别接入直管和不同安装角度的弯管,其性能影响实验在北京理工大学叶轮机械与增压技术研究所涡轮增压器压气机实验台上完成,压气机进口连进气管道的布置如图3所示。实验中通过外源压缩空气吹动涡轮作功带动压气机叶轮旋转,主要进行压气机流量、转速、进出口空气温度和压力等性能参数的测量,其中流量采用双纽线流量计测量后通过计算间接获得。图4是压气机模型为SP和BP0时,设计转速下得到的实验和计算性能曲线。可见小流量时数值计算的效率、压比值大于实验结果;而随流量增大,实验结果与数值结果逐渐接近;在近阻塞流量下计算结果偏大于实验值。在整个流量范围,压气机的实验性能曲线与数值模拟性能曲线的变化趋势基本一致,说明采用数值方法研究是可行的。3弯管安装角度考虑压气机进出口管道和传感器等的实际安装情况,实验中弯管安装角度分别为0°、30°和-60°,实验结果发现弯管的不同安装角度对压气机的性能影响程度存在差异。3.1弯管安装角度进一步的数值研究中,将进气弯管分别按照图2所示的周向角度布置安装,定常计算分别得到压气机相应的压比与效率特性。为细化弯管进气时不同安装角度对压气机性能的影响程度,图5量化了压气机在直管进气与各安装角度下的弯管进气性能的差别,其中横坐标对应弯管的周向安装角度(为便于观察,以0°安装角度为基准,在逆时针-360°到顺时针360°范围作两个安装周期);纵坐标分别为各流量点下弯管进气相对直管进气时压比和效率变化的百分比,正值表示压气机特性的下降量。图5中可见,相对直管进气,弯管在各安装角度下进气均使压气机性能明显下降,且下降程度随流量的增大而显著增加,近阻塞流量时压比最大下降量可达5%,效率最大可下降7.5%。同时观察发现,弯管安装角度介于-90°～460°之间时,曲线数值较低且随流量变化较为平缓,说明该范围对压气机性能影响较小;而安装角度介于60°～270°之间时,曲线数值明显增大且随流量变化加剧,说明相应范围对压气机性能影响较大。曲线整体变化趋势表明:相对于蜗壳的周向位置,弯管的安装位置逆叶轮转向越接近蜗舌对压气机的性能影响越小;而顺叶轮转向越接近蜗舌对压气机的性能影响越大。3.2弯管安装位置及流变场分析分别取弯管进气时对压气机性能影响相对较小和较大两个安装角度与直管进气对比分析。结合图5及弯管实际安装位置,取0°为弯管对压气机性能影响较小的角度,120°为影响较大的角度。直管进气及上述两种角度安装的弯管进气对应的压气机模型分别表示为SP、BP0、BP120。考虑弯管进气在大流量工况下对压气机性能影响更大,本文的后续分析只对此工况进行。同时,为便于说明问题,图6对压气机叶轮相应位置主叶片编号B1～B7。图7中分别为叶轮进口10%、25%、50%、75%、90%叶高的周向总压分布曲线。图中横坐标表示弯管安装角度;纵坐标代表叶轮进口总压,并作无量纲化处理(,其中为外界大气压,为叶轮进口处总压);B1～B7所在虚线表示叶轮主叶片前缘位置,T处实线代表下游蜗舌相应的周向位置,A处点划线对应弯管周向安装位置。图7中显示,气流在叶轮进口受叶轮势流扰动明显,总压沿周向呈高低相间分布。直管进气时,周向总压分布与下游蜗壳的周向位置有关,与叶轮转向相同,越接近蜗舌所在的周向位置,总压值下降越明显,在B2～B3对应周向范围总压下降更显著。这是由于下游蜗壳轴向不对称引起的内部总压周向畸变向上游传播的结果,大流量下蜗壳总压畸变的传播形式与文献一致。弯管进气时,相对于弯管安装位置约120°周向范围出现总压畸变,并在相应于安装角度的周向位置附近出现极小值;而径向方向从叶根起约40%以上的叶高部分总压变化更为显著。而周向总压畸变形态并不以弯管的安装角度呈对称分布,明显体现出受下游蜗壳影响。这表明叶轮进口流场的变化是由进气管道、叶轮势流和下游蜗壳不同位置引起的扰动反向传播共同决定的。对比两弯管进气模型,以叶轮转动方向为参考,BP0的弯管安装位置与蜗舌位置在周向上相距较近,其总压畸变区域处于转动上游,蜗舌的周向位置使畸变区域的低总压极值进一步下降,但蜗舌周向位置前方总压波峰与畸变区域的叠加,使该处总压值明显上升,显著改变了畸变区域形态;而BP120的畸变区域相对蜗舌位置,处于叶轮转动的下游,蜗舌所在的周向位置对畸变区域影响相对较小。叶轮进口总压畸变区域形态的变化改变了流场结构,使叶片转过该区域时的进气条件发生改变。由主叶片节距决定,总压畸变周向范围内只能同时有两个主叶片通过,BP0低总压部分主要影响主叶片1,而BP120低总压部分则同时对主叶片3、4产生影响。3.3进口气流角的影响叶轮进口总压畸变将改变进气轴向速度的分布,从而对主叶片进口相对气流角产生影响。图8定义进口相对气流角为气流相对速度和子午流动速度的夹角。由图8可见,相对直管进气,BP0对应的主叶片1和BP120对应的主叶片3、4受叶轮进口畸变区影响较大,该叶片前缘的相对气流角在40%叶高以上均有不同程度增大,BP120主叶片3、4相对气流角的增加量大于BP0主叶片1相对气流角的增加量。而进口气流相对气流角的增大会使攻角减小,进而导致压气机性能的下降。BP0与BP120两模型下叶轮进口相对气流角对比表明BP120对应的进气弯管安装角度对离心压气机的影响更大。4蜗舌、叶轮转向与压气机性能的响应1)实验与数值方法研究均证实弯管进气使压气机性能下降,各进气弯管安装角度对压气机性能的影响存在明显差异。基于转子冻结法的数值结果显示:相对于蜗壳的周向位置,弯管的安装位置逆叶轮转向越接近蜗舌对压气机性能的影响越小;而顺叶轮转向越接近蜗舌对压气机性能的影响越大。2)压气机叶轮进口流场结构受进气管道导流、叶轮势流和下游蜗壳周向不对称性共同作用。叶轮进口在弯管安装角度位置附近总压下降出现极值;其径向方向上从叶根起约40%以上的叶