1、0.067/2.20/66%0.081/2.40/68%0.094/2.56/69%0.106/2.86/70%25）4000m（计算温度-0.075/2.74/66%0.086/2.96/68%0.096/3.10/70%0.105/3.22/72%0.115/3.35/70%10）7000m（计0.083/2.99/66%0.095/3.21/67%0.105/3.37/68%0.115/3.52/68%0.126/3.68/68%20）二、设计分析由于该压气机将用于航空用途的小型柴油机增压器上，需要满足从起飞到 7000 米高空的运行范围，对压气机的压比和流量覆盖范围要求都非常高，加上航
2、空用设备要求重量尽量轻， 需要尽量降低压气机尺寸。为了获得足够的流量覆盖范围和尽量高的效率，需采用全三维气动优化设计方法，确保压气机性能。从设计要求中的压气机运行曲线来看，与常规的螺旋桨推进特性不同。对于高压比压气机来说，该压气机要求的流量范围很大，部分工况可能需要采用在叶轮罩壳上开放气槽的机匣处理方法，才能满足使用要求。由于该压气机压比较高，选择了设计要求的最高压比 3.68 作为设计点，然后结合 CFD 软件对压气机的多个工况进行优化，使其具有尽量宽的高效区覆盖范围。由于该压缩机尺寸很小， 粗糙度对性能影响较大，所以在设计和 CFD 分析时都需要对粗糙度进行专门考虑。由于该压气机压比高，几
3、何尺寸小，所以叶片表面粗糙度建议做到 Ra=1.6，蜗壳内流道表面粗糙度尽量做到 Ra=6.3。21三、一维设计航空用增压器需要尽量降低几何尺寸，减轻重量。但是过小的几何尺寸对压气机气动性能影响较大。为了在尽量降低增压器重量和几何尺寸的要求下，获得较理想的气动性能，对多个转速的设计结果经行了对比。将轮径控制在 48mm 时，进口马赫数较高，达到了 1.23。这将使得叶轮很难获得较大的流量范围。轮径 50mm 时，转速 200000rpm，进口叶尖平均马赫数略有下降，但是仍然较高，达到了 1.165。流量范围仍然受一定影响，但基本满足使用要求。转速下调到 180000rpm 时，轮径增加到了 5
4、4mm，进口平均马赫数下降到了 1.073， 这将使机组流量范围较前面两个方案能有较大的提升。综合考虑后，选择了转速 200000rpm 作为设计转速，轮径 50mm。高压比压气机为了控制吸力面峰值马赫数，降低激波附面层干涉后造成的损失，需要比低 压比压气机更多的叶片。小尺寸压气机叶片数都相对较少。为此，采用 7 组和 9 组叶片方案进行了对比。7 组叶片时，由于吸力面峰值马赫数较高，激波强度较大，激波与附面层干涉造成了局部气流分离。9 组叶片时，吸力面峰值马赫数有较大的下降，激波附面层干涉只造成了附面层增厚，而没有发生局部分离。从气动角度考虑，9 片叶片更好。由于叶轮尺寸较小，在与加工人员沟
5、通后，认为 9 片叶片叶根喉口宽度太窄，现有刀具很难加工，最终选择了 8 组叶片。设计工况，软件一维预估等熵效率 0.756。由于叶轮几何尺寸较小，受制造误差和叶片表面粗糙度影响较大，所以实际效率可能略低于该数值。压气机子午面基本几何尺寸见表 2，一维设计结果见图 2。表 2 压气机子午面几何尺寸名称单位数值进口叶根半径mm5.5进口叶尖半径16.5叶轮轴向长度17.5叶轮出口半径25叶轮出口宽度2.5扩压器出口半径（蜗壳进口半径）38扩压器出口宽度2.2转速rpm200000叶片数组8进口叶尖间隙0.15出口叶尖间隙0.15+轴承窜动量图 2 一维设计结果一维设计完成后，采用软件进行了一维性
6、能计算，计算结果见图 3图 3 一维预估性能曲线三、三维详细设计3.1 叶轮设计结果一维设计完成后，结合 CFD 软件，对子午面型线分布和叶片角度分布进行设计和优化。为 了降低制造成本，提升叶片表面光洁度，采用了直纹面叶片，并在三维 CFD 软件中进行了优化， 提升叶片加工质量。叶片形状见图 4，叶片几何数据见电子版的叶轮三维模型。叶轮子午面型线坐标见附表一。3.2 机匣处理为了拓宽压气机流量范围，采用了在叶轮罩壳开放气槽的机匣处理方法，开口位置与宽度见图 5。小流量状态下，叶轮罩壳上的开口会泄掉部分气流回到进口，形成自循环，降低进口攻角，延缓进口气流分离，增加压气机喘振裕度。小流量下叶轮罩壳
7、开口的流场见图 6、7。图 4 叶轮三维模型图 5 叶轮罩壳开口位置图 6 机匣处理区小流量适量分布图 7 机匣处理区小流量流线分布3.3 蜗壳设计结果蜗壳截面形状见图 8，各截面几何数据见表 3。图 8 蜗壳截面示意图表 3 蜗壳截面几何数据截面角度360330300270240210蜗壳进口半径进口宽度R110.349.879.398.888.347.78R231801501209060307.186.535.835.024.082.822.82.62.3四、设计工况 CFD 分析4.1 计算网格与边界条件整周叶轮加蜗壳计算几何模型见图 8，网格数和设计工况边界条件见表 4。表 4 网格数
8、与设计工况边界条件名称数值叶轮网格数7738432蜗壳网格数1176039湍流模型k-Epsilon叶轮与扩压器表面粗糙度Ra=1.6蜗壳内表面粗糙度Ra=6.3进口总压101325Pa进口总温298K出口静压270000Pa转速200000RPM图 8 叶轮加蜗壳组合计算几何模型4.2 设计工况 CFD 计算结果子午面静压分布见图 9。图中显示叶轮和扩压器中静压分布均匀，满足性能要求。叶片表面静压分布见图 10。图中显示，叶片表面静压分布均匀上升，90%叶片高度吸力面子午方向 34%位置静压下降。主要是由于该状态下，90%叶片高度还处于堵塞状态，气流经过喉口后出现加速， 造成压强下降。图 1
9、1 中的马赫数分布也显示了该现象。图 9 叶轮子午面静压分布图 10 叶片表面静压分布图 11、12、13 分别是 90%、50%、10%叶片高度回转面马赫数分布。图中显示，叶片进口三角区峰值马赫数约 1.4，对高压比压气机来说，已经非常低，能有效的降低进口激波强度。90%叶片高度通道内出现了较强的通道波，主要是由于该叶轮压比较高，且接近堵塞的，属于正常现象。在激波与附面层干涉，未造成气流分离的情况下，激波不会造成较大的损失，从图14 可以可见，该激波未造成气流分离，所以该激波不会对性能造成较大的影响。各截面马赫数分布合理，满足设计的要求。图 14、15、16 分别是 90%、50%、10%叶
10、片高度回转面速度矢量分布。图中显示，叶片表面无气流分离，90%叶片高度靠近出口段的通道中出现了较大的低速区，这主要是由于该叶轮较小，叶尖间隙与叶片的相对高度较大，间隙泄漏气流形成的泄漏涡造成的。图 17 中叶尖间隙泄漏气流流线分布也很清楚的反应了该现象。图 11 90%叶片高度马赫数分布图 12 50%叶片高度马赫数分布 图 13 10%叶片高度马赫数分布图 14 90%叶片高度速度矢量分布图 15 50%叶片高度速度矢量分布图 16 10%叶片高度速度矢量分布图 17 叶尖间隙泄漏流流线分布图 18 蜗壳流道表面静压分布图 18 是蜗壳流道表面静压分布，图中显示蜗壳内静压分布均匀，能使机组获
11、得较大的流五、叶片强度与模态分析量覆盖范围和高效区。叶轮应力分布见图 19。转速 220000rpm 时，叶片最大应力 285MPa。7050 铝合金屈服强度在 435Mpa 以上，具有足够的安全系数，满足强度要求。叶轮模态分析结果见图 20。前三阶是整个叶轮的摆动和绕轴转动，在评估叶片频率时，可以不用专门考虑。整个叶轮的摆动受连接方式和链接处的几何尺寸影响较大，但是叶片的振动受连接方式相对较小。计算结果中的第四阶频率是叶片的一阶频率。220000rpm 的四倍转频为14667Hz，小于叶片一阶频率 16596Hz，满足设计要求。图 19 叶轮应力分布图 20 叶轮模态分析结果六、压气机性能预
12、估图 21、22 是 CFD 计算的压气机性能曲线。机匣处理的目的是拓宽压气机等转速线的流量范围，所以带机匣处理的 CFD 分析，只计算了设计转速和不带机匣处理时喘振裕度较窄的转速。带机匣处理后，压气机压比和效率都略有下降，喘振裕度有明显提升。计算效率高于设计要求 值约 7%，并且在计算时已经考虑叶片和蜗壳流道表面粗糙度，所以该压气机效率满足设计要求。将带机匣处理和不到机匣处理的计算结果结合经验整理后，得到压气机性能曲线（图 23）。图中显示，设计要求的压气机运行工况在压气机高效区附近，近喘点工况喘振裕度在 15%以上， 能很好的满足使用要求。;Re4（#,#0.0）压比#,#0.00;Re3
13、0-#,#0.流量#,#0.0;Re31（#,#0.0.Re1（#,#0.0）Re2（#,#0.0）Re3（#,#0.0）设计要求不带机匣处理#,#0.0带机匣处理进口温度298K 进口压图 21 压气机流量与压比 MAP 图效率e30-#,#0.R带机匣处理图 22 压气机流量与效率 MAP 图图 23 根据 CFD 计算结果预估压气机性能曲线七、结论1. 在考虑叶轮和蜗壳流道表面粗糙度的情况下，压气机要求的所有运行工况计算效率均高于要求值；2. 近喘点工况喘振裕度在 15%以上，能很好的满足使用要求；3. 在极限转速下，叶片最大应力远低于材料屈服强度，具有较好的强度；4. 叶片一阶频率低于
14、最高转速的 4 倍频，满足叶片振动要求。八、附表附表一叶轮子午面型线坐标叶根叶轮罩壳叶尖ZR-25.73912.56618-24.971517.7829-20.436716.5811-25.47672.69583-24.67817.6972-19.835616.5031-25.21562.8226-24.395617.6168-19.232816.4399-24.95382.94751-24.112917.5384-18.628216.3922-24.69363.06939-23.840317.465-18.022716.3609-24.43273.1894-23.567217.3935-17
15、.416416.3467-24.17383.30625-23.303517.3266-16.809616.3498-23.91423.42123-23.039317.2616-16.498616.3555-23.6573.53293-22.783617.2009-16.187716.3611-23.39913.64274-22.527517.1421-15.876716.367-23.1443.74919-22.279117.0872-15.565616.3733-22.88823.85374-22.030417.0343-15.254616.3803-22.63553.95484-21.78
16、8616.9849-14.943716.3883-22.38214.05405-21.546516.9375-14.632816.3977-22.13224.14974-21.310816.8935-14.321916.4084-21.88164.24353-21.074716.8515-14.011116.4209-21.63484.33377-20.844516.8125-13.700316.4354-21.38724.42209-20.613916.7756-13.389716.4522-21.14384.50684-20.388616.7415-13.079316.4719-20.89
17、964.58967-20.162916.7095-12.769116.4948-20.65984.66891-19.94216.6802-12.459116.5213-20.41944.74624-19.720816.6529-12.149616.5518-20.18354.81998-19.503916.6281-11.840516.5867-19.94694.89179-19.286716.6054-11.531916.6263-19.71514.96006-19.073316.5851-11.224116.671-19.48275.02639-18.859616.5668-10.9171
18、16.7212-19.25535.0892-18.649316.5508-10.611116.7772-19.02725.15008-18.438716.5368-10.306416.8395-18.80435.20749-18.23116.525-10.00316.9083-18.58085.26296-18.023116.5153-9.7013116.984-18.36265.31504-17.817816.5077-9.4015117.0669-18.14385.36516-17.612216.5021-9.1039117.1575-17.93045.41197-17.408716.49
19、85-8.8087817.2558-17.71645.45682-17.20516.497-8.5164417.3621-17.5-16.8-8.2272117.4766-17.02785.59429-16.493116.5061-7.9414617.5995-16.55675.69428-16.186216.5121-7.6595817.731-16.08695.79997-15.879316.5182-7.3819617.8714-15.61845.91133-15.572416.5243-7.1089818.0205-15.15156.02884-15.265516.5303-6.841
20、0318.1785-14.68636.15338-14.958716.5407-6.5784918.3454-14.22316.28494-14.651916.5526-6.3217618.5211-13.76196.42349-14.345216.5644-6.0712518.7055-13.30296.56906-14.038516.5762-5.8273618.8986-12.84656.72267-13.731716.588-5.590419.1001-12.3936.88462-13.42516.6002-5.3607119.3099-11.94267.05487-13.118616
21、.619-5.1385719.5277-11.49537.23336-12.812516.6415-4.9242519.7531-11.05157.42021-12.506616.6678-4.7179619.986-10.61187.61645-12.201116.6979-4.5199120.2259-10.17647.82218-11.89616.7317-4.330220.4724-9.74568.03731-11.591416.7693-4.1488520.7251-9.319558.26172-11.287416.8124-3.9759220.9837-8.898558.49545-10.984416.8614-3.8114221.2477-8.483378.73939-10.682416.9164-3.6553821.5168-8.074398.99358-10.381616.9773-3.5077521.7906-7.67186
