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          CFTurbo在离心压气机建模中的应用                    摘要：电动压气机是多电飞机环控系统气源分系统的核心部件应用于气源系统的压气机一般为高增压比离心式压气机电动压气机的设计包括两个阶段：第一阶段，系统设计，压气机应能满足在设计工况下具有较高的效率，在非设计工况下，结合相关的控制方法满足使用要求；第二阶段，内部设计，在压气机满足系统设计要求的基础上，优化叶轮、蜗壳、扩压器等部件气动参数和几何参数本文结合波音787相关参数，在系统设计阶段，选择设计点，通过CFTurbo设计了压气机的几何模型，并通过CFD仿真计算结果，来对设计结果进行评价关键词：CFTurbo；叶轮；温度；压力0 引 言CFTurbo，是一款旋转机械设计的专业软件，广泛应用于离心及混流式压缩机、泵、风机、涡轮等旋转机械的设计CFturbo 具备与多种 CAD 与 CAE 软件的直接接口，从而确保 CFturbo 设计生成的几何造型能够便捷地导出到各种软件进行模型修改、性能校核、优化设计、性能分析等相关工作近年来，国内对离心式压气机的研究主要是影响参数研究对于高增压比离心后弯叶轮，叶片后弯角为30°时，压缩机效率较高。

叶片数过多会使叶轮流动摩擦损失增加，而降低等熵效率叶片数过少，容易造成叶片载荷增加，从而缩短叶轮寿命分流叶片过长或者过短均会使叶轮流场分布不均匀，从而使其等嫡效率降低带分流叶片的叶轮最佳叶片数为7对叶片，叶轮最佳分流叶片长度为长叶片的0.813倍CFTurbo内置丰富的经验函数库能够很好的考虑各种几何参数的影响本文参考波音787相关的参数，考虑远航客机巡航状态占据飞机飞行阶段的比例较大，选择设计点为巡航状态，根据设计点下应具有较高的效率，给出设计点的要求在此基础上，通过CFTurbo设计了压气机的几何模型最后，通过CFD仿真对设计结果进行评价1 设计点选取及系统要求参考B787飞机相关资料，选择飞机巡航作为设计点，给出如表1所示的设计参数对于设计点应满足要求为：设计点下应能满足飞机座舱增压要求，要求设计点的压比不小于5；要求压气机出口温度小于193℃；设计点下压气机的效率不小于0.85；质量流量能够满足座舱通风换气要求和全机热载荷要求，不小于0.6kg/s[1-2]表1 飞机稳定巡航点压气机设计条件Table 1 Design Conditions of Airplane's Stable Cruise Point Compressor参数数值巡航高度（m）质量流量（kg/s）叶轮转速（r/min）110000.740000马赫数0.85环境温度(K)216.78环境压力(Kpa)22.696压缩因子1绝热系数进口总压（KPa）进口总温（K）1.41302502 离心式压气机的设计叶轮设计主要包括基本参数设计，子午流道设计以及叶片设计及叶片前缘和尾缘的处理。

基本参数主要是给定叶轮的外径，内径入口直径以及出口宽度子午流道设计主要是轮毂和轮盘的曲线轮廓设计叶片设计主要包括叶片类型，叶片数，叶片厚度，进出口气流角，叶片中心线设计等设计的基本要求如下：1.a. 叶轮外径受制于强度要求，转速一定的情况下，不宜太大b. 叶轮的子午流道轮廓线采用贝叶斯曲线，调整曲线控制点保证曲率曲线光滑平整曲率小，合理的速度分布、轮毂和轮盘的静力矩沿流道近似相等、沿流道有收缩的截面积c. 叶片类型选择直纹叶片，后弯叶片的叶片数一般为14~32片进出口气流角采用内置的经验函数设计d. 叶片中心线为贝塞尔曲线，通过拖动控制点的位置来修改叶片弦长、叶片不同位置的流动角、过流断面面积e. 叶片厚度采用等厚度设计，叶片前缘磨圆角，尾部剪成与出口面一致叶轮设计的结果如下：表2 压气机叶轮的几何参数Table 2 Geometric parameters of compressor impeller参数数值叶轮外径（mm）叶轮内径（mm）进口直径（mm）出口宽度（mm）2502015010叶片数14后弯角（°）37.4叶片厚度（mm）1.5叶轮出口气流速度较大，为了提高增压比和效率，设置扩压器让气流减速增压。

叶片扩压器变工况下气流对叶片入口处发生冲击，损失较快由于飞行环境复杂，因此选择无叶扩压器无叶扩压器，一般进口直径约为叶轮外径的1.03~1.12倍，视叶轮的外径而决定，为了达到减速增压的目的，出口直径尽可能大一点，约为叶轮外径的1.5~1.7倍若再加大尺寸则因边界层增厚太多易发生分离，造成很大损失而增压效果并不明显，且使得机器的径向尺寸过大，并不可取设计结果如下：表3 无叶扩压器的几何参数Table 3 Geometric parameters of vaneless diffuser参数数值扩压器内径（mm）130扩压器外径（mm）190蜗壳设计，沿蜗壳周向气流速度压力分布均匀，以减少对扩压器或者叶轮中气流的反影响，减少流动损失，消除旋绕运动，一般出气管为扩张管，使气流进一步减速增压蜗壳的设计比较复杂这里主要使用内置的经验函数进行设计完成上述主要部件的设计之后为了便于进行CFD仿真，在叶轮入口和蜗壳出口添加一段静子域，最终压气机的整个模型如下：图1 压气机的几何模型3 仿真分析采用ANSYS CFX进行仿真计算计算设置：建立静子和叶轮，叶轮和扩压器，扩压器和蜗壳三个Interface，动静交界面采用混合平面方法耦合，给定Pitch Angle，静止交界面采用一般耦合方法；设置气体模型为理想气体，参考压力为0KPa，求解设置勾选压力等级信息；传热模型采用全热模型，湍流模型采用SST模型，壁面为无滑移绝热壁面；残差值小于10^-5认为计算完成。

飞机稳态巡航仿真计算：表4 稳态巡航仿真条件Table 4 Steady-state cruise simulation conditions参数数值入口总压（Kpa）30入口总温（K）250出口质量流量（kg/s）0.7叶轮转速（r/min）40000表5 稳态巡航仿真结果Table 5 Steady-state cruise simulation results参数数值叶轮出口总温（K）443.48叶轮出口静温（K）368.59叶轮出口总压（KPa）192.26效率0.86蜗壳出口总温（K）412.13蜗壳出口静温（K）410.99蜗壳出口总压（KPa）蜗壳出口静压（KPa）166.77165.16结果分析：叶轮入口的总压为30KPa，出口蜗壳出口总压为166.77KPa，大于150KPa,能够满足出压比大于5；压气机效率为0.86，能够满足设计要求的0.85，使得他气急在设计工况下具有较高的效率；蜗壳出口温度换算后为137.84℃，远小于允许的出口温度193℃流场分析图2 压气机的剖面温度分布图3 压气机剖面总压分布图4 蜗壳出口总压分布4 结 论本文使用CFTurbo这一设计软件，结合波音787飞机相关数据，提出设计要求，设计了压气机的几何模型，最后通过CFX仿真计算，对设计结果进行分析。

结果表明：CFTurbo能够进行能够在初步设计阶段设计出合理的几何模型满足设计要求，并且具有均匀的流场参考文献：[1] 王辉，赵竞全. 高压比离心压缩机叶轮的优化设计[J]. 风机技术,2010（5）：28-31.[2] 党晓民，马兰，马庆林. 民用飞机环境控制系统手册[M]北京: 北京航空航天大学出版社, 2019：145-157作者姓名：  王艺佳      性别：  男        出生年月：1996年4月     民族：    汉族    籍贯：陕西省铜川市 单位名称：  航空工业第一飞机设计研究院 单位所在省、市：陕西省、西安市 邮编：710089学历：  在读研究生             职称：  助理工程师          研究方向：飞行器环境控制  -全文完-。