基于Vista,CCD的高增压比离心压气机设计和性能计算

方案，由此确定壁面光洁度并估算损失；扩压器采用叶片式。

将以上设计参数输入Vista CCD中，计算出满足需求的离心叶轮并预测压气机整体性能，如图2和图3所示。

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由Vista CCD预测的结果可见，该压气机基本能满足高增压比和相对高的效率要求，但是由于采用了高转速、高负荷设计，压气机在高转速条件下的流量范围均很窄，工作的裕度较小，这与压气机叶轮进口、出口超过音速，达到或接近拥塞有关。

3.离心叶轮工作流场验算

由于离心压气机的工作叶轮是压气机的关键部件，按照Vista CCD的估算，叶轮增压比将超过9，其气动性能是否稳定将直接影响发动机设计好坏，为此，本文主要对离心叶轮54000r/min设计点的工作流场进行了CFD三维流场数值验算。计算采用了图1中的计算流程，并利用S-A湍流模型。

1.网格的划分

将Bladegen生成的叶轮模型导入Turbogrid软件中，该软件是专业的叶轮机械处理软件，可以方便快速地对叶轮模型划分网格，计算所用的表面网格如图4所示。以该网格为基础，设置标准大气条件下，叶轮工作在设计转速时、设计背压条件下的边界条件，通过CFX的CFD计算即可获得叶轮的工作流场。

从图5可见，在设计状态叶轮进口气流速度矢量的攻角、相对速度大小分布基本合理，小叶片起到了抑制高负荷叶片后段气流分离的作用，叶轮后段也采用了叶片前倾的技术措施，但该叶轮级采用了中等后弯角度的设计方案，加之气动负荷较高，在叶片后段80%叶高以上流动分离的趋势明显，流动损失相对较大，也限制了其稳定工作的范围，这也是制约叶轮整体效率进一步提高的主要原因之一。

此外，计算表明：设计转速下，叶轮入口基本处于拥塞状态，叶轮设计状态的流量接近进口壅塞流量，这和图3中预测是一致的，但CFD计算的拥塞流量和设计点的流量均在2kg/s左右，大于设计值1.8kg/s约10%，究其原因是实际叶轮中靠近进口叶根处入口马赫数小于1，整个叶轮拥塞面并不固定，也不是恰好在叶轮入口处，实际拥塞面面积均大于几何拥塞面，以上非线性的因素造成Vista CCD软件估算会有一定的误差。

图7给出了整个叶轮通道中静压分布情况，可见离心增压的压力分布相对合理，但是由于高级增压比的要求决定了叶轮出口的速度将相对高，计算的设计点出口平均绝对马赫数在1.2以上，相对一般压气机偏大，这会增加扩压器中的流动损失。此外，由于级负荷较高，间隙相对大，叶顶间隙的泄漏明显。图8可见，叶轮前段泄漏和后段的泄漏都较为明显，会影响叶轮通道的流动和效率。

4.结论

本文基于Vista CCD软件，设计了一型高增压比的离心压气机，并利用CFX软件对所设计离心叶轮的设计点的流场进行了仿真计算，分析计算结果得到如下结论。

（1）Vista CCD提供了便捷的离心压气机设计工具。

（2）高转速、高增压比离心叶轮进口基本处于壅塞状态，拥塞使其高转速范围内的流量特性很窄，特性线变得陡峭。

（3）小流量、高增压比离心压气机后弯角、页顶间隙等因素对其工作效率、工作范围均有一定影响。

参考文献

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