微型燃气轮机的离心式压气机叶片设计及计算分析
王瑞浩，李 政，张力敏
【摘 要】摘要： 离心式压气机作为微型燃气轮机的核心部件，对其整体性能有重要影响。为使微型燃气轮机上所用离心式压气机的叶片形状达到所需压比、效率等性能的目的，利用Concepts NREC软件完成了一台适用于100 kW、60 000 rpm微型燃气轮机的离心压气机的一维方案设计、准三维设计和造型。利用经过校核的全三维CFD软件所设计的离心压气机性能进行了验算，结果表明，该离心压气机内流流动参数分布合理，各项性能完全满足设计指标要求。 【期刊名称】黑龙江科学 【年(卷),期】2019(010)010 【总页数】4
【关键词】 微型燃气轮机；离心式压气机；叶片设计；气动设计；计算验证
1 引言
微型燃气轮机相对于中大型燃气轮机来说，是一类新兴的小型热力发电机，其单机功率范围为25～300 kW，基本技术特征是采用离心式压气机及回热循环。部分学者认为，微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮，成为21世纪能源技术的主流。离心式压气机作为微型燃气轮机的核心部件，对其整体性能有重要影响。为使微型燃气轮机上所用离心式压气机的叶片形状达到所需压比、效率等性能的目的，可利用Concepts NREC软件完成一维方案设计、准三维设计和造型。利用经过校核的全三维CFD软件所设计的离心压气机性能进行验算，设计出一款符合微型燃气轮机功率和转速需要的离心式压气机。
2 一维设计
对离心压气机的气动设计主要是设计其几何特征。要确定轮毂直径、轮缘直径、出口宽度、扩压器内外直径、扩压器宽度、叶片数量等参数。设计的基础方案是基于Concepts NREC公司的Compal软件。利用软件中的经验公式和经验数据，对离心压气机的性能进行初步预估，选择性能良好的方案进行下一步的设计工作。
针对100 kW、60 000 rpm微型燃气轮机的离心式压气机的气动设计，主要确定压气机的气动参数如下：设计功率(为微型燃气轮机功率的2倍)、设计流量、设计转速、设计总压比、设计效率等。对于叶轮外形尺寸，主要给定以下尺寸参数：轮毂外径、轮缘直径、出口宽度、扩压器内外径、扩压器宽度等。根据所给参数，可进行简单计算并初步预测压气机性能，进而根据预测性能对压气机叶轮的外形尺寸进行调整，初步得到符合设计要求的叶轮尺寸。表1为该压气机的主要设计指标参数和叶轮主要外形尺寸。图1和图2给出了速度三角形。图3给出了该压气机的子午流道图。
3 三维造型
压气机的一维设计中，给定了压气机的主要设计指标和叶轮的主要尺寸参数，并得到其预测性能。对其进行三维造型时，主要考虑内外子午线、叶片角Beta分布、叶片厚度分布对叶片载荷的影响，以达到合理的叶片表面速度分布和理想的负荷分布。造型中采用了任意空间直纹叶片造型法。叶片造型时，需要解决以下三个问题：叶片表面气动参数分布合理，所造型的叶片具有较好的制造工艺性；叶片的强度和振动满足要求。一般情况下，同时满足以上三个要求是比较困难的，所以叶片设计时需要综合考虑以上三个因素，并进行合理取舍。
之后，根据计算结果，对叶片造型进行反复修改，在满足设计要求的前提下，达到合理的叶片表面气动载荷。
图4给出了内外子午线。设计时共取25个可调点，以达到更优的设计效果。图5给出了叶片角Beta分布。叶片角Beta分布需综合考虑最大负荷位置、叶片包角、叶片倾斜角等。叶片包角和叶片倾斜角是由叶片角度分布衍生而来，即叶片角度分布一旦确定，叶片包角和叶片倾斜角也就确定了。对于该离心式压气机，可通过减小进口段吸力面的曲率来有效抑制超声速区域的加速、减弱激波，但是需要同时兼顾后部叶片转折角和载荷增加不应过快。
图6给出了叶片厚度分布。叶片厚度分布主要影响压气机的强度和振动。通常压气机叶片前缘厚度要小于其他位置的叶片厚度，并保持其他叶片厚度尽量均匀，以适应叶片载荷分布。随着叶片厚度的增加，压气机效率有所降低，但其承载能力有所提高，所以对叶片厚度进行设计时，要综合考虑叶片强度和压气机效率两方面的影响。
对于内外子午线、叶片角Beta分布、叶片厚度分布的确定，主要考虑其要与叶片表面速度分布和载荷分布相匹配，使叶片表面流速均匀变化，减少阻力损失。由于叶轮的叶尖速度较高，所以叶尖的厚度尽量薄。为了保持叶轮的寿命，中间采用均匀厚度分布。同时要满足叶片间载荷位于0.7C3以下，该压气机叶片间载荷为0.52C3。图7给出了叶片表面流速分布，图8给出了叶片间载荷分布。
径向扩压器采用无叶扩压器，具体尺寸见表1，图9给出了其三维模型图。
4 CFD前后处理及解算过程
为保证压气机性能的可靠性，需对设计出的压气机进行流场分析。利用
微型燃气轮机的离心式压气机叶片设计及计算分析
