扩压器

扩压器是一种由离心压缩机产生的装置，其主要功能是将动能转化为静压能。这种转化发生在离心压缩机叶轮出口，此处的气流绝对速度通常在200-300米/秒之间，而在高性能叶轮中，这一速度甚至可能超过500米/秒。这些高速气流占据了叶轮给予气体总能量的很大一部分，如径向直叶片型叶轮约占50%，而水泵型火压缩机型叶轮则占25%-40%。因此，扩压器的主要职责就是将这部分动能有效地转化为静压能。除了这个核心功能外，扩压器还负责收集和引导气体。

形态特征

扩压器在汽车增压发动机中扮演着重要角色，随着发动机转速的提高和工况变化范围的扩大，对涡轮增压器压气机的性能提出了更高的要求。为了满足这些需求，许多压气机采用了无叶扩压器，然而这种设计会带来气流在到达蜗壳入口之前的沿程损失问题。相比之下，叶片式扩压器能够更好地控制气流的方向，从而减少流动沿程损失，提高压气机的工作效率。然而，在非设计工况下，由于叶轮和扩压器之间的流动匹配处于大攻角状态，扩压器叶片内部特别是吸力面一侧会出现流动分离现象，这可能导致压气机内的流动不稳定，进而影响压气机的流量范围。此外，由于结构方面的限制，车用增压器压气机进口通常采用无预旋结构，这也可能会导致增压器压气机在某些工况下无法满足发动机所需的进气量范围，从而引发压气机喘振。面对这些挑战，如何在保证压气机具有宽流量范围的同时提高工作效率，成为了一个亟待解决的关键问题。

技术原理

为了应对上述挑战，研究人员针对车用增压器JP88无叶扩压压气机进行了改进。首先，他们基于CFD分析和优化，设计了一种新的进口导叶和叶片扩压器。为了保持原有的压气机结构，新设计的叶片扩压器高度与原无叶扩压器相同。其次，他们使用FINE/TURBO软件进行了压气机的三维流动计算分析，并选择了Spalart-Almaras湍流模型。计算过程采用了中心差分格式离散控制方程，并利用四阶Runge-Kutta法进行时间推进求解，结合当地时间步长、隐式残差光顺技术和多重网格技术来加速收敛。计算网格采用块结构化网格，确保了计算精度。在边界条件方面，压气机进口参数保持一致，总压为101325帕斯卡，总温为293开尔文，气流方向为轴向进气，固体壁面采用绝热无滑移边界条件。压气机工况特性线通过逐步提高压气机出口背压的方式获取。计算收敛性的判断标准是压气机进出口流量的相对误差不超过0.5%，并且相应的压气机总性能（包括效率和总压比）在足够长时间内没有显著变化或仅出现微小周期性振荡。

功能实现

导叶无预旋及预旋调节

在研究中，研究人员考虑了两种情况：一是导叶无预旋，二是导叶预旋8度。前者用于分析导叶对压气机性能的影响，后者则用于比较进口预旋对压气机喘振裕度的影响。结果显示，虽然导叶的引入带来了叶型和尾迹损失，导致压气机效率略有下降，但最高效率点的位置并未改变。此外，无预旋导叶的采用使得压气机的流量范围与原型压气机相同。在导叶预旋8度的情况下，压气机的流量范围增加了16.7%，同时压比仍保持较高水平。尽管进一步调整导叶预旋角可以获得更宽的喘振裕度，但由于过大的负预旋角会导致压气机总压比显著降低，无法满足发动机匹配要求，因此未将其视为有效的调节方案。导叶预旋扩展了压气机的流量范围，但对压气机效率特性产生了不利影响，而采用叶片式扩压器则能改善压气机效率。

叶片扩压与扩压器调节

扩压器无调节

所采用的叶片式扩压器设计点为叶轮转速为70000转/分钟时压气机的最高效率点。扩压器采用参数化设计方法完成，进口几何角根据原型压气机最高效率点工况叶轮出口平均气流角确定，出口几何角则根据原型压气机最高效率点工况无叶扩压器出口平均气流角确定。由此流动匹配原则，叶片扩压器的安装角为53度（与径向夹角），进口几何角和出口几何角分别为43度和55度。研究表明，采用叶片式扩压器后，压气机在设计点工况附近的效率较无叶扩压的原型机有了明显的提高，最高效率提高了约1.5%，总压比也有一定程度的提升。然而，在非设计点尤其是小流量工况处，叶片扩压的压气机效率和压比较无叶扩压原型机都有大幅下降，效率降低了12.5%，压比下降了10%。最高效率点无叶、叶片扩压器进出口的绝对气流角沿叶高分布。在扩压器进口处，有叶和无叶扩压两种情况的气流角分布基本相同，从叶根到叶顶呈逐渐增加趋势，在50%叶高以上区域，由于受叶轮叶尖间隙流的影响，气流角呈先快速增加后快速减小趋势。在无叶扩压器出口，气流角基本延续进口处的分布趋势，但沿叶高方向上的变化梯度有所改善；在叶片扩压器出口，在叶片流道形状的约束下，气流角的分布并没有呈现进口处先增后减的趋势，而是沿叶高整体呈增加趋势，说明叶轮出口的不均匀气流受到了叶片的有效控制，同时叶片扩压器的采用使得扩压器出口的气流角整体减小，有助于减小下游气流的沿程损失。

最高效率点工况扩压器内子午平均流线对比

对于两种扩压器结构，叶轮出口叶尖处皆存在分离涡（间隙涡）。在无叶扩压器中，分离涡向下游发展过程中得不到有效控制，一直延续至扩压器出口；而在叶片扩压器中，叶轮出口叶尖处的分离涡尺度被放大，但在向下游发展过程中，得到了有效抑制，在50%扩压器叶宽处分离涡基本消失，在扩压器出口获得了较低的总压损失。从图6给出的90%叶高截面叶片扩压器前部区域的速度矢量图可以看出，在扩压器进口叶尖处分离涡尺度增大的原因是存在较大的负攻角。由于叶轮出口气流非常不均匀，因而叶片扩压器所采用的直叶片设计无法保证沿整个叶高上的气流角匹配效果，攻角不可避免。可以通过扭叶片设计方法来进行扩压器设计，以获得更好的气流角匹配效果。

工作原理

为了保持不同流量工况下叶片扩压器与叶轮之间的流动匹配，研究人员以设计点（最高效率点工况）为基础，在不同的流量工况对叶片扩压器安装角进行调节，调节的角度根据无叶扩压时对应工况点叶轮出口处的绝对气流角确定。叶片旋转中心为扩压器中弧线中点，从叶顶看与叶轮转向相同为正。研究人员还发现，为了获得压气机的扩稳效果，在小流量工况进行扩压器调节的同时进行进口导叶预旋控制是非常有效的。实验表明，进口导叶无预旋时，扩压器的调节可有效提高小流量工况时压气机效率，且在整个工作流量范围内，与原型相比压气机效率均有所提升，效率最高提高1.7%；对应的总压比在高效区有所提升，在小流量区则有所下降。在扩压器调节的同时配合进口导叶的预旋，可以获得压气机流量范围的拓展。进口有一定的负攻角，旋转13度后，进口攻角得到明显改善，且扩压器进口轮缘处回流区也明显减小，说明通过改变扩压器的角度可明显减小压气机的回流损失。进口叶根处出现回流区是因为调节扩压器角度后不能同时兼顾叶根和叶顶的攻角，导致叶根攻角增大出现回流，通过扭叶片的设计可以使叶片扩压器进口角与全叶高气流角相匹配，进一步改善压气机的性能。

产品优势

扩压器的技术改进带来了显著的优势。首先，采用无预旋导叶时，压气机的流量范围与原机相同；导叶预旋8度后，压气机流量范围拓宽了16.7%，同时压气机压比仍然处于较高的水平。其次，与无叶扩压器相比，叶片扩压器能够有效控制叶轮内部的不均匀气流，使扩压器出口气流角整体减小约10度，有助于减小下游的沿程损失。第三，在设计工况下，叶片扩压器可有效提高压气机的效率，效率提高约1.7%；在非设计工况下，通过调节扩压器角度减小扩压器进口攻角，可使压气机的压比在小流量区提高约7%，效率整体提高约1.2%。

参考资料

离心风机扩压器的作用是什么？扩压器作用与要求.三元流风机.2024-08-18

离心压缩机工作原理与喘振的原因 .搜狐网.2024-08-18

离心式压缩机扩压器及其特点.华强电子网.2024-08-18