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第 41 卷（2023）第 4 期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE Vol.41（2023）No.4 收稿日期：2022-08-13；修回日期：2022-12-19 基金项目：国防科技重点实验室基金资助项目(6142212180101)；河北省自然科学基金资助项目(A2021202014)作者简介：田红艳，博士，副教授，E-mail： 通信作者：田红艳，博士，副教授，E-mail： DOI:10.16236/ki.nrjxb.202304042 离心压气机叶片式机匣拓稳流动特性 田红艳1，侯 康1，佟 鼎2，刘欣源2，王宪磊2，赵 洋2(1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300401；2.中国北方发动机研究所，天津 300400)摘要：内燃机功率提高以及高原、高空功率恢复的要求，推动着内燃机增压比不断提高，高增压技术成为先进内燃机发展的核心关键技术之一提高压比将导致离心压气机稳定工作范围和效率急剧降低，高压比离心压气机的气动稳定性与扩稳成为高增压技术研究的核心和难点为拓宽跨声速离心压气机的稳定工作范围，对一种离心压气机叶片式机匣处理结构开展了研究，利用数值模拟研究了叶片式机匣内部流动特性与拓稳机理，并对导叶形式进行了优化，最后通过试验进行验证，结果表明：采用优化的导叶机匣处理结构，能够有效拓宽离心压气机高压比流动范围，喘振流量可拓宽 6%8%关键词：离心压气机；叶片式机匣；高压比；数值模拟 中图分类号：TK474 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2023)04-0361-08 Stabilizing Flow Characteristics of a Centrifugal Compressor with Vane Casing Treatment Tian Hongyan1，Hou Kang1，Tong Ding2，Liu Xinyuan2，Wang Xianlei2，Zhao Yang2(1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2.China North Engine Research Institute，Tianjin 300400，China)Abstract：The turbocharging boost ratio of internal combustion engines is increasing with the requirements of power intensification and power recovery at high altitudes.High turbocharging technology has become one of the key technologies in advanced internal combustion engines area.The increase of the pressure ratio will lead to a sharp decrease in the stable working range and the efficiency of centrifugal compressor.The aerodynamic stability and working range expansion of the high-pressure-ratio centrifugal compressor become a core research area.In or-der to broaden the stable working range，a centrifugal compressor with blade casing was studied using numerical simulation to investigate the internal flow characteristics and stability mechanism.The blade form was optimized，and finally verified by experiments.The test results show that the optimized guide vane casing structure can effec-tively broaden the flow range of the high-pressure-ratio centrifugal compressor，and the surge flow range is ex-panded by 6%8%.Keywords：centrifugal compressor；vane casing treatment；high-pressure-ratio；numerical simulation 离心压气机是车用涡轮增压器的核心部件，随着车用增压发动机功率密度提高、排放要求及变海拔环境的适应性需求提高，增压比不断提高，但压比提高将导致离心压气机稳定工作范围和效率降低，因而高压比离心压气机的气动稳定性与扩稳成为高增压技术研究的核心和难点 目前，提升离心压气机稳定性主要采用机匣处理技术，该结构能够从离心叶轮叶片顶部抽吸引发失速的气体，进而推迟失速发生，具有成本低、结构简单且可靠性高等特点，是车用涡轮增压领域应用最为广泛的扩稳技术1-4 近年来，关于离心压气机的机匣处理研究主要集中在有效实现气流回流、降低流动损失等方面5-9 张博等10对某型离心压气机自循环机匣处理结构进行了研究，结果表明：机匣可以减小失速 362 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 流量，增大堵塞流量，进而扩宽稳定运行范围 在机匣结构方面，徐伟等11提出了一种孔式机匣结构，结果表明：孔式机匣处理方式可以有效扩大半开式离心压气机的稳定工作范围，且不会显著降低压气机的效率，其主要原因是孔式机匣干扰了叶顶间隙内的流动，使得压气机稳定工作范围扩大 Zheng 等12提出了一种非对称机匣开槽方式，并进行了仿真与试验研究，相比于传统对称开槽的离心压气机机匣，非对称结构机匣具有更宽的拓稳流动范围 Sivagnanasundaram等13在离心压气机自循环机匣处理的基础上，在机匣中布置导叶，并进行了仿真研究，结果表明：在机匣中布置导叶能够有效调整机匣内部的气流流动 王志恒等14将机匣处理技术同时应用于叶轮和扩压器，研究发现，该种混合式回流机匣处理方法能够改善叶轮主叶片前缘、扩压器叶片前缘和尾缘的气体流动特性，获得较宽的稳定工作范围 Yang 等15提出了一种主动控制机匣处理系统，主动控制器从传感器获取喘振信号，通过控制装置向离心压缩机中注入空气，从而延迟喘振的发生，研究发现，该系统能在不同转速下主动调节注入空气的质量流量，大大降低喘振流量，扩大了离心压缩机的稳定工作范围 迟志东等16研究了叶片掠设计和机匣处理的组合作用对压气机转子性能的影响，结果表明：前掠转子与机匣处理的组合有效改善了间隙泄漏流，能以较小的效率损失获得最好的扩稳效果 综上可知，目前对离心压气机机匣处理结构的研究主要从机匣的基本几何形式出发，探讨其基本几何结构(开槽位置、开槽分布形式和自循环结构等)对离心压气机性能的影响，对规范气流在机匣内部通道流动的结构研究较少 基于此，笔者提出一种在机匣内部布置弯曲导叶的结构形式，通过导叶对机匣内部气流的调整作用，进一步提升机匣处理的扩稳效果 应用三维数值模拟叶片式机匣处理对离心压气机扩稳的作用规律及机理，详细分析流动特性，并通过台架性能试验进行验证，以期有效提升离心压气机的稳定工作范围 1 数值仿真模型及验证 初始研究对象为具有传统机匣拓稳的某高压比离心压气机，叶片式机匣均在此离心压气机上进行改进 首先对初始离心压气机进行仿真模型的建立及模型验证 离心压气机叶轮包括 9 支主叶片及 9 支分流叶片，计算模型中包括叶轮、蜗壳通道及机匣流域，计算区域及叶轮如图 1 所示 表 1 为离心压气机主要几何参数 （a）计算区域 （b）叶轮 图 1 计算区域及叶轮示意 Fig.1 Schematic of calculation area and impeller 表 1 离心压气机主要几何参数 Tab.1 Main geometry parameters of centrifugal compressor 参数 数值 叶片数(含分流叶片)18 叶片后弯角/()17.5 叶轮进口直径/mm 85.1 叶轮出口直径/mm 118.0 扩压器进口直径/mm 126.0 蜗壳进口直径/mm 168.0 笔者在完成几何建模以后，进行计算网格结构划分，叶轮网格采用 TurboGrid 进行，蜗壳、进口及机匣流域部分采用 Workbench ICEM 划分 计算域内的网格单元数量是影响数值仿真结果的直接因素，因而对数值仿真研究的对象进行网格独立性分析，对所研究的离心压气机叶轮单流道的性能进行预测 在保证边界条件、湍流模型和几何尺寸等因素完全相同的情况下，预测的压比和效率随网格数量的变化关系如图2 所示 可知，当单流道网格数量超过 3.5105后，预测的效率和压比基本保持恒定 根据网格无关性计算结果，建立离心压气机网格 总网格数为 2.32106，其中叶轮网格数为 4.00105，图 3 为网格划分示意 流场计算采用 CFX 求解器，湍流模型为剪切应力传输模型(SST)，差分方法为一阶迎风格式，叶轮-2023 年 7 月 田红艳等：离心压气机叶片式机匣拓稳流动特性 363 蜗壳与叶轮-机匣流道的转静交界面均采用 Stage 速度平均处理 进口边界条件中，温度为 298K、压力 为 101.32MPa 出口边界条件采用初始静压和质量流量，流动壁面为绝热、无滑移 仿真计算过程中，在压气机出口处首先采用静压出口条件，每个转速下均由大流量工况向小流量工况计算，当出口压力条件响应不明显时，改为质量流量边界条件，直至结果参数值无法收敛时停止计算，则已经达到离心压气机喘振边界 为了验证数值仿真模型的正确性，笔者首先对装有传统机匣的离心压气机进行了台架性能试验，图 4为试验值与仿真值对比 可以发现，在各个转速下，仿真值较为准确地预测出了压气机的堵塞点和最高效率点位置，但大流量工况效率和压比仿真值略高 从整个工况来看，仿真计算能较好地预测离心压气机对应的高效率点和工作范围，误差在可接受的范围内 笔者研究中均采用相同的网格模型尺度、计算方法及收敛判断准则 图 2 网格无关性计算结果 Fig.2 Calculation result of mesh independence （a）整体网格 （b）网格细节示意 图 3 原始离心压气机网格结构 Fig.3 Mesh structure of original centrifugal compressor （a）流量-压比特性 （b）流量-效率特性 图 4 原始离心压气机特性仿真值与试验值对比 Fig.4Comparison of simulation and experimental resultsof original centrifugal compressor performance 2 叶片式机匣结构及拓稳机理 2.1 叶片式机匣结构 叶片式机匣结构是在机匣处理流道中布置周向叶片，如图 5 所示，传统机匣结构与叶片式机匣三维模型如图 6 所示 通过导流叶片对机匣内部流动的 （a）导叶位置示意 （b）导叶结构俯视 图 5 叶片式机匣结构 Fig.5 Structure of vane casing treatment 364 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 导引作用，进一步规范机匣处理内部的流动情况，从而进一步提升离心压气机稳定性 （a）传统机匣 （b）叶片式机匣 图 6 传统机匣结构与叶片式机匣三维模型 Fig.6 3D model of traditional casing treatment and vanecasing treatment 2.2 叶片式机匣拓稳机理 为了揭示叶片式机匣处理的扩稳机理，选定直导叶叶形为初始研究对象，初始直导叶叶片出口角度为与压气机进口(轴向)夹角(30)，对其建立相应的数值仿真模型，进行离心压气机特性及内部流动特征的详细分析 为了保证分析的一致性，在已经标定的传统机匣离心压气机的基础上，在机匣流道内增加导叶流域网格部分，网格划分如图 7 所示 计算选定转速为 69000、78000 和 86000r/min共 3 条转速线进行性能计算和对比 图 8 为传统机匣与直导叶机匣离心压气机压比和效率特性 图 8a中，直导叶机匣离心压气机小流量区域的流量范围比传统机匣得到了明显的拓宽，整体流量范围拓宽了约 图 7 具有叶片式机匣的离心压气机网格 Fig.7 Mesh of centrifugal compressor with vane casingtreatment 5%图 8b 中，在堵塞区域两者差别不大，随着流量减小，直导叶机匣的效率略低于传统机匣的离心压气机，由于仿真是理想状态下的，在机匣流道内部布置导叶，增加了流体与固体的摩擦损失，因而从整体的流动来看，效率存在一定的降低趋势 为了揭示叶片式机匣的拓稳机理，选定转速为69000r/min 作为研究对象，在同一流量工况点(0.57kg/s)，对比传统机匣和导叶机匣离心压气机的内部流场结构变化 图 9 为传统机匣与直导叶机匣离心压气机仿真结果的内部流线 可知，传统机匣在计算工况点(仿真喘振点)具有较大的切向速度，直导叶机匣内部由于有导叶的影响，改变了近喘振工况从机匣出流的气流方向，降低了其切向的速度 图 10 为传统机匣与直导叶机匣离心压气机进口速度 可知，从导叶机匣出流的气体与进口气体相互掺混以后又进入到叶轮内部，从进入到叶轮进口情况可知，其进一步改变了气流进入的角度 图 11 为传统机匣与直导叶机匣离心压气机进口相对气流角分布 可知，在叶片进口叶高近叶顶位置1/3 处，直导叶机匣使气流角发生了改变，相较于传统机匣离心压气机，进入到叶片的气流角得到了一定程度的降低 在小流量工况，气流角的降低使得气流更容易进入到叶轮通道，抑制了进口的流动分离，因 （a）流量-压比特性 （b）流量-效率特性 图 8 传统机匣与直导叶机匣离心压气机特性对比 Fig.8Comparison of centrifugal compressor perform-ance with traditional and vane casing treatment 2023 年 7 月 田红艳等：离心压气机叶片式机匣拓稳流动特性 365 而稳定性得到了一定程度的提升 图 12 为传统机匣与直导叶机匣离心压气机进口轴向速度对比 可以看出，相比于传统机匣，在叶轮叶片进口顶部，直导叶机匣降低了气流进口相对气流角，同时还使气流轴向速度得到了提升 轮盖处轴向 （a）传统机匣 （b）直导叶机匣 图 9 传统机匣与直导叶机匣内部流线 Fig.9 Streamline in traditional and vane casing treatment （a）传统机匣压气机 （b）直导叶机匣压气机 图 10 传统机匣与直导叶机匣离心压气机进口速度 Fig.10 Velocity vector at inlet of centrifugal compressorwith traditional and vane casing treatment 速度的提升说明机匣出流的流体和进口管路入流的流体混合特性得到了提升，主要原因是在导叶的作用下，机匣内流体流动变得更加规范 压气机稳定性提升的另一个原因是直导叶机匣使得喘振工况时从机匣通道出流流体的流量改变 图13 为传统机匣与直导叶机匣离心压气机机匣出流流量比 可知，由于机匣导叶的存在，从机匣出流的流量得到了增加，这部分出流流量的增加是由于叶轮轮盖处静压的提升为其提供了额外的驱动力，这部分流 图 11传统机匣与直导叶机匣离心压气机进口相对气流角分布 Fig.11Distributions of relative flow angle at inlet of cen-trifugal compressor with traditional and vane cas-ing treatment 图 12 传统机匣与直导叶机匣离心压气机进口轴向速度对比 Fig.12Comparison of axial velocity at inlet of centrifugalcompressor with traditional and vane casing treat-ment 图 13 传统机匣与直导叶机匣离心压气机机匣出流流量比 Fig.13Comparison of mass flow rate at casing slot of centrifugal compressor with traditional and vane casing treatment 366 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 量的增加可以减少叶轮进口处气流的偏转，增加额外的欧拉功输入 3 机匣导叶叶片形状优化 为了进一步优化导叶的几何形状，选定转速为78000r/min 作为分析对象，去掉蜗壳部分以节省计算成本，虽然在特性上会略产生变化，但对揭示影响规律无本质影响 首先针对直导叶形式进行数值仿真，直导叶基本形式如图 14 所示，选定 3 种直导叶，与轴向(压气机进口方向)夹角分别为 0、30和 45，并进行网格划分，网格结构如图 15 所示 图 16 示出 3 种直导叶在转速为 78000r/min 时的压比和效率特性 图 16a 中，在大流量工况点，随着导叶角度增加，堵塞流量有所提升，而随着流量的减小，导叶角度越小，拓稳效果越明显，3 种直导叶机匣在效率表征上差异不大 综合直导叶角度对压气机特性(堵塞、小流量工况)的影响，可以将导叶几何本体沿垂直长度中线分为上、下两个部分，如图 17 所示 导叶的上、下部分分别能对堵塞和喘振工况有所响应，且呈相反的特征，为了取其优点，集成新型曲导叶叶形，其上部与水平方向夹角为 45，下部与水平方向垂直，如图 18 所示 针对新型曲导叶机匣形式，建立相应的几何模型，并进行网格划分，如图 19 所示 图 14 3种直导叶机匣导叶布置角度示意 Fig.14 Layout angle of three different straight vane forcasing treatment （a）0导叶网格（b）30导叶网格（c）45导叶网格 图 15 3种直导叶机匣网格划分示意 Fig.15 Meshes of three different straight vane for casingtreatment （a）流量-压比特性 （b）流量-效率特性 图 16 3种直导叶机匣离心压气机特性 Fig.16Performance of centrifugal compressors with three different straight vane casing treatment 图 17 直导叶几何形式示意 Fig.17Schematic of straight vane geometry for casing treatment 图 18 新型曲导叶和原直导叶叶型对比 Fig.18Comparison of bent vane and straight vane for casing treatment 图 20 为新型曲导叶与 0和 45直导叶离心压气机性能对比 曲导叶压气机性能在堵塞点趋近于 45直导叶性能，流量向大流量工况点偏移；在近喘振工况点，性能趋近于 0直导叶，稳定性提高，新型曲导叶压气机的性能变化集合了两种直导叶的优点 2023 年 7 月 田红艳等：离心压气机叶片式机匣拓稳流动特性 367 图 19 新型曲导叶网格划分 Fig.19 Mesh of bent vane casing treatment （a）流量-压比特性 （b）流量-效率特性 图 20 新型曲导叶与原直导叶机匣离心压气机特性对比 Fig.20 Comparison of centrifugal compressor perform-ance with bent and straight vane casing treatment4 试验验证 通过数值分析结果可以看出，导叶机匣能够有效拓宽离心压气机的稳定运行范围 为了验证最终优化机匣导叶叶型，对曲导叶叶型扩稳机匣进行了样机样件的加工，并开展台架试验验证 图 21 为加工的被测件 试验过程中，增压器涡轮端由气源提供动力，试验的测试从压气机大流量端开始，根据实际需要保持一定的流量间隔，逐渐减小流量，直到接近压气机的喘振流量工况 图 22 为原型机及新设计离心压气机试验性能对比 图 22a 中，叶片式机匣离心压气机相较于原型机，在全工况范围内流量范围得到了拓宽，在保证堵塞流量不变的条件下，稳定性得到了提升，随着压比的提高，拓稳效果越明显，在压比为 3.0 的条件下，流量范围拓宽了约 7%，整体流量范围拓宽了约 6%8%可知，在低转速条件下，叶片式机匣对效率有一定的改善作用，随着压比的升高，效率有略微降低 （a）离心压气机叶轮及导叶机匣 （b）具有导叶机匣的蜗壳与原始蜗壳 图 21 试验测试的离心压气机零部件 Fig.21 Parts of centrifugal compressor for bench test （a）流量-压比特性 （b）流量-效率特性 图 22 叶片式机匣与传统机匣离心压气机性能对比 Fig.22Comparison of centrifugal compressors perform-ance with vane and traditional casing treatment 368 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 4 期 5 结 论(1)叶片式机匣内部由于有导叶的影响，改变了近喘振工况从机匣出流的气流方向，降低了其切向的速度；同时使叶高近叶顶位置 1/3 处来流气流角发生了改变，进入到叶片的气流角得到了一定程度的降低，抑制了压气机进口的流动分离，使压气机稳定性能得到提升 (2)由于机匣导叶的存在，从机匣出流的流量得到了增加，这部分出流流量的增加主要取决于叶轮轮盖处静压的提升，流量的增加可以减少叶轮进口处气流的偏转，增加了额外的欧拉功输入 (3)新型曲导叶压气机性能基本融合了 0直导叶和 45直导叶的性能优点，在堵塞点趋近于 45直导叶性能，流量向大流量工况点偏移；在近喘振工况点，性能趋近于 0直导叶，稳定性提高，三者在效率上并无明显差异 (4)叶片式机匣离心压气机相较于传统机匣离心压气机，在全工况内流量范围得到了拓宽，是改进离心压气机性能的有效方法 参考文献：1 Nikpour B.Turbocharger compressor flow range im-provement for future heavy duty diesel enginesC/THIESEL-2004 Conference on Thermo and Fluid Dy-namic Processes in Diesel Engines，Valencia，Spain，2004，7-10.2 Hunziker R，Dickmann H P，Emmrich R.Numerical and experimental investigation of a centrifugal compres-sor with an inducer casing bleed systemJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A，Journal of Power and Energy，2001，215(6)：783-791.3 郑新前，张扬军，郭宫达，等.跨声速离心压气机机匣处理扩稳研究J.工程热物理学报，2010，31(12)：2023-2026.4 楚武利，卜远远，张皓光.低转速离心叶轮自循环机匣处理扩稳机理研究J.热能动力工程，2012，27(6)：649-654.5 龚义朝，杜礼明，王澄宇，等.离心压气机机匣处理多工况性能预测与分析J.流体机械，2013，41(2)：48-52.6 龚义朝，杜礼明，王澄宇，等.进气回流机匣处理离心压气机的扩稳机理J.内燃机学报，2014，32(1)：91-95.7 卜远远，楚武利，张皓光，等.高压比离心叶轮自循环机匣处理扩稳研究J.推进技术，2013，34(2)：194-201.8 Sharma S，Jupp M L，Nickson A K，et al.Ported shroud flow processes and their effect on turbocharger compressor operationC/Proceedings of ASME Turbo Expo 2017，Charlotte，North Carolina，USA，2017，2017-63678.9 Sun X，Dong X，Sun D.Recent development of casing treatments for aero-engine compressorsJ.Chinese Jour-nal of Aeronautics，2019，32(1)：4-39.10 张博，白江涛，陶林，等.自循环机匣处理对某型离心压气机性能的影响J.热能动力工程，2017，32(3)：54-60 11 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)：121-129.12 Zheng X Q，Zhang Y J，Yang M Y，et al.Stability improvement of high-pressure-ratio turbocharger cen-trifugal compressor by asymmetric flow control-part：Non-axisymmetric self recirculation casing treat-mentJ.Journal of Turbomachinery，2013，135(2)：021007.13 Sivagnanasundaram S，Spence S，Early J，et al.An impact of various shroud bleed slot configurations and cavity vanes on compressor map width and the inducer flow fieldJ.Journal of Turbomachinery，2013，135(4)：041003.14 王志恒，王晓阳，樊宏周，等.离心压气机混合回流机匣处理的数值研究J.工程热物理学报，2017，38(1)：87-92 15 Yang Q C，Li L S，Zhao Y Y，et al.Experimental in-vestigation of an active control casing treatment of cen-trifugal compressorsJ.Experimental Thermal and Fluid Science，2017，83：107-117.16 迟志东，楚武利，王广，等.跨声速压气机叶片掠和机匣处理组合效应的机理研究J.推进技术，2022，43(4)：1-10.