某微型涡喷斜流压气机设计及性能分析
吕文，宋丹路，曲帅杰，周红燕
(1.西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳 621010；
2.西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳 621010)
由于一系列优势，离心压气机在中、小和微型燃气轮机中得到了广泛应用[1]。但在实际工作中，由于离心力和径向压差存在于压气机中，离心压气机中常见射流-尾迹结构[2]，导致离心压气机叶轮效率急剧下降。斜流压气机兼有轴流压气机的小迎风面积、高效率特性及离心压气机的单级压比高、工作稳定性好的特点，且在同样的增压比情况下，其迎风面积比离心压气机小[3]。斜流压气机具有单级增压比高、结构简单、稳定裕度大等优点，其应用越来越广泛[4-5]。
为探究斜流压气机技术以用于微型涡喷发动机，以压比、流量、转速等参数为设计指标，设计了一台压比为3.662、流量为3.324 kg/s、等熵效率为87.61%的斜流压气机，与完全相同参数的离心压气机相比，它拥有更大的流量、压比和等熵效率。利用CFD 数值模拟方法完成设计验证。由于在工程实际运用中，压气机往往偏离最初的设计点工作，容易造成压气机整体性能以及稳定工作的范围达不到设计要求。因此，模拟分析该压气机在不同转速下的全工况，获取性能曲线，并验证流动失稳机制。
某微型涡喷斜流压气机设计要求：工作点转速为40 000 r/min，压比为3.5，质量流量为3.2 kg/s，进口总压为101 325 Pa,进口总温为300 K，叶片前缘、尾缘厚度均为2 mm，叶尖间隙为0.3 mm。
应首先确定外形尺寸大小，如压气机进口轮缘直径、进口轮毂高度、叶片数目、出气角度、叶轮出口半径、出口高度等尺寸参数。以大量的经验公式和经验数据为基础，根据初始参数不断分析、修正和优化，最终确定合理的初始设计参数。
压气机参数设计流程：
(1)选择进口轮毂比(d1h/d1s),一般取值范围为0.3～0.5[6];
(2)确定进、出口角度Pi1/Pi2；
(3)确定叶轮攻角、主叶片数以及前缘厚度；
叶片数目应该合理选择，因为增加压气机叶片数量能够提高效率，同时也能降低叶片载荷，数量太多也相对比较容易造成进口堵塞。叶片数量的选择可参考以下经验公式[7]：
式中:H为焓增;v2为叶轮线速度；
Tt1为进口总温。
从强度和加工考量，一般厚度不小于出口直径的0.3%[8]。叶片前缘厚度越薄越好，以减少进口气流在前缘处发生的加速现象[9]。综合考虑这2个因素，最终选择0.2 mm叶厚；
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