王艺佳
航空工业第一飞机设计研究院 陕西省 西安市 710089
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]。
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2 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：
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：
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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：
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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：
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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：
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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
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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
作者简介：
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