【作者单位】中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089;中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089;中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089

　　叶型不同，扩压器内部流动不同。对比分析三种扩压器相对马赫数分布可以发现：无论叶根、叶中还是叶尖截面，楔形扩压器尾缘形成明显低速区；所有扩压器叶片吸力面前缘出现高马赫数区；单圆弧叶片通道内存在大面积的低速区，串列叶栅中前排叶片流道内低速区得到了有力的改善。

　　图12（a）～图12（c）分别给出了匹配楔形扩压器、单圆弧扩压器、串列叶栅扩压器的离心压气机50%叶高截面的压力分布图。Pt代表叶片表面静压与叶轮进口总压之比。从图中可以看出，单圆弧扩压器和串列叶栅扩压器静压分布都比较均匀，基本沿着流线的方向，而楔形扩压器静压分布较为混乱。总体来看，整个叶片扩压器静压升高主要发生在叶片扩压器进口到喉道部位之间的半无叶区，在喉部之后三种扩压器均有一定的静压升。

　　图7和图8分别给出了三种扩压器的总压损失系数和静压恢复系数对比曲线。从图中可以看出，楔形扩压器的总压损失系数高于单圆弧和串列扩压器，静压恢复系数偏低，因此，楔形扩压器性能相对较差；同一流量下，单圆弧扩压器的总压损失系数低于串列叶栅扩压器，静压恢复系数基本持平。

　　图9～图11分别给出了楔形扩压器、单圆弧扩压器、串列叶栅扩压器与叶轮匹配后，沿展向10%，50%，90%叶高的相对马赫数云图。径向扩压器和离心叶轮互相干涉，因此，扩压器叶型改变对离心叶轮和扩压器内部流动均会产生影响。

　　【摘 要】采用数值模拟方法对匹配三种扩压器的离心压气机性能进行分析和对比,分别是楔形扩压器、单圆弧扩压器和串列叶栅扩压器.研究结果显示,对于进口超声和叶片较短的扩压器,串列叶栅扩压器性能表现最优,其次是单圆弧扩压器,楔形扩压器性能最差.

　　将ANSYS BladeGen造型得来的扩压器几何文件导入AutoGrid5中，与CC3离心叶轮组合生成单通道网格，离心叶轮和扩压器均采用O4H网格结构，离心叶轮存在叶顶间隙，叶顶间隙则采用蝶形网格结构。生成网格时，网格质量必须满足如下要求：（1）最小网格正交性角度＞5°，越接近90°越好。（2）最大网格宽度比＜5000，越接近1越好。（3）最大网格延展比＜10，越接近1越好。

　　初雷哲[4～8]等对某离心压气机进行数值模拟，研究了叶轮前缘几何形状、叶轮叶顶间隙、叶片数、分流叶片周向位置对压气机性能的影响。同时，对扩压器叶片倾角、扩压器无叶段长度对扩压器和叶轮动静干涉的影响进行了非定常计算。柳阳威[9]等以某跨声速离心压气机为研究对象，对其内部流动进行了定常和非定常计算，详细分析了叶轮和扩压器之间的相互干涉。周莉[10]等以某离心叶轮匹配串列叶栅扩压器为对象进行数值模拟，结果表明与单列扩压器相比，串列叶栅扩压器的性能表现更好，效率和压比均有提高。周向位置对压气机性能影响，对其性能曲线、熵增分布和载荷分配进行分析，压气机流道中气流的速度和马赫数提高，从而导致超声速气流在叶轮前缘叶顶部位形成，同时出现于扩压器进口区域。多数情况下，超声速气流的出现总是伴随着效率降低和流量范围变窄。因此，对进口超声扩压器的研究具有深远的意义，而国内外学者对此方面专项研究较少，所以，本文以进口超声的有叶扩压器为研究对象。

　　（2）设计点附近三种扩压器的压比表现差距较小，其中串列叶栅扩压器的压比略高，其次是楔形扩压器。

　　（3）楔形扩压器整体效率和峰值效率均低于单圆弧和串列叶栅扩压器；与单圆弧扩压器相比，串列叶栅扩压器的效率表现更优。

　　本文以默认拓扑结构为基础，通过在AutoGrid5中调整部分节点数目，在满足上述要求的基础上，仍然多次调整以期得到质量较优的网格结构。

　　本文数值模拟介质为真实气体，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型，进口边界条件给定气流角，湍流黏度为0.0001，出口边界条件给定背压，通过改变背压计算不同工况。

　　与本文叶轮匹配的叶片扩压器进口为超声。该叶轮有15个主叶片和15个分流叶片。该叶轮的设计参数见表1，三维效果图如图1所示，离心叶轮子午流道如图2所示。

　　图13～图15分别为楔形扩压器、单圆弧扩压器和串列叶栅扩压器叶根、中、尖压力分布曲线。Pt代表叶片表面静压与叶轮进口总压之比，0为叶片前缘，1为叶片尾缘。可以发现，楔形扩压器叶片从35%弦长位置吸力面压力高于压力面，压力面在80%弦长位置出现明显的下降，导致叶片载荷出现中断，单圆弧扩压器和串列叶栅扩压器载荷分布连续；串列叶栅前排叶片相对于单圆弧扩压器，吸力面静压明显升高，压力分布曲线更加平滑，而压力面静压降低，吸、压力面面积差减小，前排叶片负荷降低；而后排叶片仍然存在静压升，保证了串列叶栅扩压器的扩压能力，承受了部分负荷。

　　从图中可以看出，有叶扩压器的叶型对叶轮通道内的流动会产生很大影响。对比图中离心叶轮相对马赫数分布，可以得出：从90%叶高可以看出，匹配单圆弧扩压器的离心叶轮叶尖激波区域最大，串列叶栅扩压器次之，楔形扩压器最小；气流经过激波后与边界层相互作用，损失增加，主叶片和分流叶片的通道内形成大范围的低速区。观察50%叶高位置，匹配楔形扩压器的离心叶轮通道后部低速区要比其他两种扩压器范围大，单圆弧扩压器的叶轮吸力面前缘附近形成一道弱激波。10%叶高位置，楔形扩压器的离心叶轮通道内低速流动相对明显。

　　图17（a）～图17（c）分别给出了10%叶高楔形扩压器、单圆弧扩压器、串列叶栅扩压器熵增分布云图。对比图17可以发现，扩压器进口段，整个扩压器中沿展向越靠近机匣侧，损失越小，靠近轮毂侧损失较大。在10%叶高中，楔形扩压器叶片进口段熵增最为不明显，损失相对较小；叶片通道内，单圆弧叶片在50%弦长位置由于附面层的发展，吸力面出现明显的熵增，一直延伸到叶片尾缘区域，尾迹熵增区域明显，损失增加，而串列叶栅扩压器有效地控制了附面层的发展，进而改善了尾迹区的高熵情况。楔形扩压器尾缘由于尾迹涡系和回流，出现局部高熵区，尾迹同样存在熵增。匹配楔形扩压器的离心压气机的轴向无叶扩压器中熵增显著。

　　本文叶轮匹配有串列叶栅扩压器，该串列叶栅前后排均采用单圆弧叶型。该串列叶栅扩压器的基本设计参数见表2，串列叶栅扩压器三维效果图如图4所示，子午流道如图5所示。

　　综上所述，单圆弧扩压器叶片负荷分布不均匀，应用串列叶栅后，叶片负荷分配到前后两排叶片，使得载荷分布更加均匀，增加其气动性能。

　　图16（a）～图16（c）给出了匹配楔形扩压器、单圆弧扩压器、串列叶栅扩压器的离心叶轮S3截面的熵增分布云图。从图中可以看出，叶轮尾迹区的低能流体是离心叶轮熵增的主要来源。对比匹配三种扩压器的叶轮5个截面熵增图，发现叶片扩压器叶型对叶轮通道内的熵增有一定的影响。主叶片压力面和分流叶片吸力面之间的通道内，熵增较大的区域靠近于分流叶片吸力面，其中匹配单圆弧扩压器的离心叶轮熵增范围最大；主叶片吸力面和分流叶片压力面间的通道内，熵增较大的区域靠近分流叶片压力面，其中单圆弧扩压器的熵增范围最大。

　　本文采用基于ANSYS BladeGen的造型原理，分别为该叶轮设计了楔形扩压器和单圆弧扩压器，两种扩压器三维效果图如图3所示。在扩压器造型过程中进行了多次改进，如楔形扩压器中进口几何角和叶片扩张角的搭配，单圆弧扩压器进口几何气流角与圆弧对应圆心角的搭配，最终在多次尝试后选取性能表现较好的楔形、单圆弧扩压器为研究对象。

　　图6给出了该叶轮分别匹配楔形扩压器、单圆弧扩压器和串列叶栅扩压器的压气机特性线对比。从图中可以看出：

　　（1）单圆弧扩压器和串列叶栅扩压器的流量范围较窄，同时喘振裕度比较接近；与单圆弧和串列叶栅扩压器相比，楔形扩压器的稳定工作范围靠左，工作在流量偏小的工况，而且楔形扩压器稳定工况范围最宽。

　　离心叶轮出口的气流仍然具有较高的速度，气流在扩压器内部继续减速，进一步转化为压力能。扩压器可分为无叶扩压器和有叶扩压器两种。

　　Seiichi Ibaraki[1]以某跨声速离心叶轮匹配扩压器为研究对象，使用PIV技术和数值模拟方法，详细分析了压气机内部流场，得出扩压器进口气流受叶轮影响，而且分布极度不均匀。T. Ch Siva Reddy[2]通过试验研究了三种扩压器叶片形状对离心压气机性能的影响。结果表明，翼型叶片与其他两种叶片相比，表现出了更优的性能。Hong-Won Kim[3]采用数值模拟手段研究了翼型扩压器、楔形扩压器和NACA65型扩压器对离心压气机性能的影响，研究结果表明，NACA65型扩压器的喘振边界更陡，喘振裕度相对较大。