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文 | 史说你知道编辑 | 史说你知道离心压缩机在微小型涡喷/涡扇发动机中应用广泛，叶片扩压器叶片前缘及无叶空间涡系结构对于扩压器乃至离心压缩机的稳定性影响显著。
其中最为关键的影响因素之一为扩压器叶片安装角度的变化，尤其在叶片可调的叶片扩压器中，其异常叶片对失速现象的诱发效果，是离心压气机动力学性能与稳定性研究亟待解决的基础问题。
压气机系统中的旋转叶轮内非定常流动一直都是研究的热点，而针对扩压器的研究相对较少。
大部分学者集中于扩压器结构参数的研究，如扩压器有无叶片，扩压器叶片数､叶片长度及厚度等参数对扩压器性能的影响，以及如何优化扩压器结构从而提升压气机性能，某种程度上为我们提供了理论基础。
我的团队将以带叶片扩压器的高速离心压气机作为研究对象，开展定常与非定常数值模拟，并通过实验验证数值模拟的准确性。
通过整体或局部改变扩压器叶片安装角，研究叶片安装角改变对扩压器气动性能与稳定性裕度的影响规律，并对比分析存在某个叶片安装角异常情况下，扩压器失稳特性与诱发机理的变化规律。
那么具体的计算方式是什么样的呢？数值模拟与结果验证1、几何结构以某台带有叶扩压器的高速离心压气机为主要研究对象进行数值模拟，其叶轮包括8个主叶片与8个分流叶片，扩压器包含11个叶片，如图１所示。
具体结构参数如表1所示，几何模型主要考虑离心叶轮与扩压器，其中扩压器叶片绕其前缘点沿正负方向旋转以改变叶片安装角，设置旋转角度为-５°，-3°，-1°和1°，3°，5°，6个对照组。
为了分析某个叶片安装角异常对扩压器性能的影响规律，选取如图２所示的叶片，旋转其安装角分别为7°，10°和15°，对应数值计算的算例分别为AN1，AN2和AN3。
2、网格划分与无关性验证通过Auto Grid软件开展叶轮、扩压器网格划分，叶轮和扩压器通道采用04H型结构网格，叶片周围则为O型网格，通过细化蝶形网格生成蜗壳网格，网格结构如图3所示。
图3a为了尽量减小网格数量对数值计算的影响，以压气机总压比及效率为指标开展网格无关性验证。
当整体网格数超过1400万时，压气机的总压比和效率基本不再变化，为了保证仿真模型的精确度和计算效率，选取离心压气机的网格数为1400万。
3、数值计算与结果验证数值计算过程给定叶轮入口总温总压，扩压器出口为质量流量出口，其他壁面均采用无滑移壁边界条件。
通过不断改变出口质量流量来计算不同工况，在接近失速点时采用压力出口边界条件，有利于计算收敛。
湍流模型采用S-A流模型，定常计算时采用显式龙格-库塔四阶格式计算方法，叶轮出口和扩压器进口交界处采用冻结转子法。
非定常计算时采用隐式对偶时间步进方法，叶轮出口和扩压器进口交界处采用滑移网格法。
时间步长为6.67x10°，在叶轮叶片前缘、扩压器无叶空间和扩压器叶片通道分别设置监测点，通过监测点处压力和速度波动情况来预判非定常流动情况。
图4为带蜗壳的原始压气机数值计算与实验性能对比，其中质量流量按堵塞时的流量进行了归一化处理。
由图可知，数值模拟所得压气机压比预测结果与实验结果差异较小，数值模拟具有较高的准确度。
扩压器性能分析1、不同安装角下整体性能对比图5为带有不同扩压器安装角的离心压气机性能曲线。
图5当扩压器叶片偏转角从-5°变化到5°时叶片的安装角逐渐变大，对应的大流量工况下工作裕度逐渐变大。
扩压器叶片偏转角度从-5°到0变化时，设计工况效率值逐渐有所上升，从0到5变化时，设计点效率呈现逐渐下降的趋势。
但是各安装角下的失速点都是同一流量，这是因为在该安装角下，压气机的失速首先发生在叶轮上，而扩压器内尚未发生失速现象。
2、气动特性分析图6所示为近失速工况3种叶片安装角下扩压器90%叶高叶片前缘流线与轴向涡量分布，其中黑色箭头代表主流方向，箭头与叶片前缘的碰撞点表示叶片流动滞止点。
叶片旋转-5°的扩压器中，流动滞止点位于叶片前缘圆弧上的中点，叶片前缘处的气流攻角很小，吸力面处的流线分布较为规律。
图6在叶片旋转0°的扩压器中，流动滞止点在前缘中点偏向压力面的位置，攻角比叶片旋转-5°的扩压器有所增大，在吸力面产生微小的流动分离。
图6在叶片的旋转5扩压器中，流动滞止点位置偏向压力面，攻角继续变大，吸力面处的流动分离范围也更大。
图6图7为近失速工况3种叶片安装角下扩压器90%叶高叶片尾缘流线与轴向涡量分布，由图可知扩压器叶片尾缘处的流动分离与前缘有着相似的分布规律。
图7扩压器叶片的尾缘附近会产生两个旋向相反、强度较高的轴向旋涡，将这两个高涡量的交界线与叶片尾缘方向的夹角设为B，那么B角的大小可以在一定程度上衡量尾缘处的流动分离状况。
图7虽然叶片偏转-5°扩压器前缘没有流动分离，但在尾缘处其B角较大，旋向相反的涡交界线偏向吸力面位置，尾缘吸力面存在较大范围的流动分离。
在叶片偏转0°扩压器尾缘处，B角减小，流动分离也减小而在叶片偏转5°扩压器内部，两个高强度涡的交界线在尾缘圆弧中点附近，形成的B值很小。
在尾缘附近没有明显流动分离现象，合理叶片安装角的确定需要兼顾叶片前缘与尾缘的流动分离较大的安装角会导致叶片前缘吸力面存在较强的流动分离，而较小的安装角会导致尾缘处存在局部回流。
图73、瞬态特性分析为了明确扩压器近失速工况下瞬态特性，图8分别给出了叶片偏转5°扩压器90%叶高与叶片偏转-5°扩压器10%叶高的流线与轴向涡量的瞬时分布，由图8(a)可知，在叶片偏转5°扩压器1号槽道前缘的叶片吸力面处存在明显流动分离。
而在2号槽道存在3个显著的回流区域，分别是无叶区间的回流区、吸力面上接近尾缘的回流区以及扩压器出口附近的回流区，其中无叶区间的回流区已基本将该槽道的入口堵塞。
由图8(b)可知，在偏转-5扩压器1号槽道的叶片尾缘处存在轻微流动分离以及回流现象，在2号槽道尾缘下游出现了一个较大范围的涡旋现象，并形成了从叶片前缘贯穿叶片出口的大范围回流，几乎占据了2号槽道，由此可知在偏转5°扩压器中叶片前缘处的流动分离主要发生在轮缘附近，而在偏转-5°扩压器尾缘处的流动分离主要发生在轮毅附近。
异常叶片影响规律分析当扩压器内存在异常叶片时，3种异常叶片对应的性能曲线如图9所示，其中质量流量按阻塞工况流量进行归一化处理，由图9可知，随着异常叶片安装角的增加，压气机稳定工作范围显著减小，失速点向大流量方向移动，但是3种异常叶片下压气机失速的发生位置仍需要进一步确定。
图10给出了AN1、AN2和AN33种算例近失速工况扩压器95%叶高位置静压分布图，由图10可知，算例AN1周向静压分布相对均匀，扩压器内部并没有明显的流动分离现象，而在AN2和AN3两种情况下，可以发现扩压器内存在大尺度的低压区和非对称的流动结构。
其中AN2中的静压分布不对称在整个扩压器内都有体现，而AN3中的静压分布不对称主要集中在异常叶片附近，综上所述，在异常叶片安装角度偏转不同时，压气机失速的发生位置有可能存在差异。
图11为近失速工况叶轮进口平面熵分布，对于离心压气机叶轮失速现象，其典型的前缘溢流特性可能导致叶轮人口平面存在局部高熵区域，是叶轮失速的判定方法之一。
由图11可知，算例AN1叶轮人口平面接近叶尖的位置存在显著的高熵区域，而在算例AN2和AN3，尚未发现明显的高熵区。
结合图9可知，在扩压器叶片安装角异常偏转7度条件下压气机失速优先发生于叶轮，而AN2和AN3算例中压气机失速优先发生于扩压器，综上所述，当异常叶片旋转角度较小时，叶轮处首先产生流动不稳定现象。
而当扩压器异常叶片旋转角度超过10°时，流场失稳现象则会先发生在扩压器中，出现这种现象的原因在于压气机在设计时通常会保证叶轮和扩压器处于最佳性能，这意味着叶轮和扩压器的失速流量临界点在一个有限范围内。
通过计算仿真发现，在设计转速下原始叶轮出现失速时的临界流量大于叶片扩压器的临界流量，而当扩压器的某个叶片发生异常偏转时，扩压器失速的临界质量流量有所增大，有可能导致扩压器优先发生失稳。
结论(1)当叶片偏转角从-5°变化到5时，叶片的安装角逐渐变大，对应的大流量工况下工作裕度逐渐变大。
但由于压气机失速主要发生于叶轮中，失速发生对应的流量并未发生明显改变。
(2)对比不同安装角下流场特征可知，合理叶片安装角的确定需要兼顾叶片前缘与尾缘的流动分离，较大的安装角会导致叶片前缘吸力面存在较强的流动分离，而较小的安装角会导致尾缘处存在局部回流。
在叶片偏转5°的扩压器中叶片前缘处的流动分离主要发生在轮缘附近，而在偏转-5°的扩压器叶片尾缘处的流动分离主要发生在轮毅附近。
(3)当异常叶片旋转角度较小时，叶轮处会产生流动不稳定现象，而当扩压器异常叶片旋转角度超过10°时，流场失稳现象则会先发生在扩压器中，并且异常角度为10°与15°的扩压器失速机制可能存在显著差异。