博客分享｜加工方式影响叶轮性能的三个例子
如Mark Anderson先生在往期博客《影响叶轮机加工时长的设计因素》中所述，在设计阶段统筹考虑加工方法具有重要意义。
基于此，本文将重点讲述制造方法对叶轮性能的影响。通过三个典型案例，系统展示不同加工方法对不同类型叶轮的影响。所选案例涵盖的压比、马赫数、雷诺数范围广，具有较强的代表性与参考价值。
具体叶轮参数及几何构型如下所示：
我们对上述三个离心压缩机分别采用三种不同的参数化方式进行造型修改，这样就构建了3*3=9个对比方案。基准方案为直纹面开式叶轮设计。三个参数化造型修改分别是：
闭式叶轮
这个改变指的是盖板与叶片一体化加工，将原开式设计转化为闭式设计。这种整体的盖板从气动上来说是一个与通道一起旋转的边壁。这种闭式叶轮带来的性能改善（改善了叶尖间隙损失）会与盖板外部的泄漏路径二次流损失互相抵消。
点铣设计
基于点铣的设计可为叶片的构型提供额外的自由度。叶根和叶尖之间的叶型可通过这种参数化的方式进行控制，从而保证叶高方向上冲角分布更合理。
后切式前尾缘
这种设计方式通过“截断”直线元的方式切除了前缘与/或尾缘。这种参数化形式对气动影响较小，但可以提高切削效率，并有利于获得更好的表面光洁度。
我们采用Concepts NREC自主研发的Pushbutton CFD™（PbCFD）求解器对上述的级变量进行CFD分析。PbCFD采用三阶AUSM（Advection Upstream Splitting Method）格式，并可加载专为叶轮机械提供的高级网格拓展模版。PbCFD提供多种湍流模型，这里采用单方程Spalart-Allmaras模型。所有部件壁面的表面网格Y+均值约为20。
下图为三个算例原始曲线（虚线）与将三个算例改为闭式叶轮（实线）的对比图，横坐标为质量流量，纵坐标为总总效率。设计点（名义上的效率最高点），用黑点表示。
总总效率-质量流量图
三个原始案例（虚线） 闭式叶轮设计（实线）
为更直观地对比上图结果，我们将其进行无量纲化的变换。无量纲化方法如下 ：对于横坐标，采用设计点的质量流量进行参数无量钢化；对于纵坐标，以原始设计的效率为基准，以改进变化后的效率的变化进行参数无量钢化。按照这一无量纲化方法，原始三个算例的基准点均为下图X坐标为1，Y坐标为0%的点。
总总效率差值与质量流量的无量纲参数图
闭式叶轮（实线）原始设计（虚线）
如上文所述，我们比较了普通侧刃铣与闭式叶轮整体加工（成本更高）之间的区别。从气动上考虑，闭式叶轮的优势主要是能保证机组运行时盖板侧表面的气流速度相对于整个通道为零。
在决定采用开式叶轮或闭式叶轮时，通常有几个因素值得我们考虑。这通常由轴承及轴系统能否保证开式叶轮叶尖间隙水平决定。多数情况下，串联式机组（即叶轮处于轴承之间）需要考虑采用闭式叶轮。
如之前的总总效率差值与质量流量的无量纲参数图（原始侧刃铣与闭式叶轮方案对比）所示，可以看到大多数情况下闭式叶轮相较于原始侧刃铣方案效率会有一定程度的提高。这种提高对于低压比叶轮（绿色线）比较明显，对于中压比（红色线）和高压比（蓝色线）不明显。造成这一现象的原因是低压比算例叶尖间隙更大，因此换为闭式叶轮后效率提升更明显。另外可以看到，当开式侧刃铣叶轮方案换为闭式叶轮方案时，各压比叶轮的性能曲线基本在垂向上移动，其效率峰值位置与工况范围变化不大。
闭式叶轮整机加工的成本可能是开式叶轮侧刃铣加工的五倍甚至更多。需要注意的是，有的闭式叶轮由于流道狭长的原因可能导致铣刀无法完全探入流道的中心位置。对于这种闭式叶轮，有时可采用铣削与电火花加工结合的方式来完成加工。
点铣设计相对于侧刃铣设计能更好控制最终的加工形状。侧刃铣设计实际上仅能定义叶根截面和叶尖截面的几何形状。叶根和叶尖之间的叶身部分形状完全由直线元的分布确定。相比之下，点铣设计能在整个叶高方向上实现更精确的设计控制。在本例中，我们调整了叶中截面的叶型，使得叶片整体入口的冲角分布更合理。下图以压比为2的例子展示了侧刃铣设计和点铣设计叶片入口整体冲角分布。其中实线为侧刃铣设计，虚线为点铣设计。可以看到点铣设计的叶片入口冲角分布均匀的多。
压比为2的例子的叶片前缘冲角分布对比
侧刃铣设计（实线）点铣设计（虚线）
这种前缘更均匀的冲角分布通常被视为一种设计改进，尽管有时理想的冲角与设计的冲角有一些差距。马赫数分布、厚度分布、堵塞通道的面积都会影响前缘附近的实际最优冲角分布。这些影响只能用基于高端CFD的优化分析来确定。
本例中对入口前缘进行了调整，也对叶型进行了微调，使得调整后的点铣方案叶型与原侧刃铣方案叶型的尾缘形状基本保持一致。下图用无量纲的形式展示了点铣方案与侧刃铣方案的最终性能对比。
总总效率差值与质量流量的无量纲参数图
点铣设计（实线）与侧刃铣设计（虚线）的对比
将上图与之前闭式叶轮的改善图可以看到，相对于将侧刃铣的开式轮改为闭式叶轮，将侧刃铣的开式叶轮改为点铣的开式叶轮所能得到的改善很有限。只有在中压比（PR=2）时，存在一定明显的差异。
整体而言，改为点铣设计后，叶轮的最大流量有所降低。这是因为改为点铣设计后通道中的叶片角度更加切向，导致叶轮进口喉口面积降低。而中压比（PR=2）改变尤为明显的原因是其进气区域的曲率比其它例子更高。这种曲率特点使得该例叶轮前缘处的速度三角形变化更大，最终导致该例与其他例子相比更大的叶片角度变化。另外，采用点铣时加工时间可能比采用侧刃铣时长约30%。因此在成本非常敏感的涡轮增压器行业，更多采用侧刃铣方式完成加工。
后切式前缘能够提高五轴加工叶轮的质量。这一过程必定会使得整个三维叶轮出现一些细微变化，这些变化会造成整体叶轮性能的改变。这种设计的目的是为了在加工时减小“摆动角度”(即加工刀具在加工相关部分时与前尾缘的角度)。该工艺能使叶轮整体通道形状保持不变，但在“后切”的前尾缘附近需要点铣辅助。这项技术使得整体叶轮直线元分布更加平缓。
如下图中橙色所示，在设计过程中拓展出的橙色部分跨越了后切前尾缘的实际部分，形成了一个“虚拟叶轮”。后切的部分在子午视图上与原始叶片相交。设计合理的情况下，可以保证这种采用后切式前缘的叶轮与原叶轮的冲角及通道横截面积等气动参数仅发生极小变化。右下方的图为中压比例子（Pr=2）后切式前尾缘采用前后三维对比图。其中灰色模型为采用后切式前尾缘技术调整后的叶轮模型；橙色模型为原始叶轮模型。可以看到采用后切式技术后，前缘最终呈现一种“弯曲”的形态，但整体叶轮仍是由直线元构成的。
采用后切式前尾缘技术前后的模型对比
（模型为PR=2的中压比叶轮）
这种后切的设计能极大帮助加工过程。因为这种情况下，刀具在加工中弯转的程度变低了，切削头的加速速度也会变低。而这种加速速度的降低不仅有助于减少成品叶轮表面的缺陷，而且还能延长切削机构的使用寿命。
从性能上来看，后切式前尾缘技术对原始设计的影响，远低于本文之前介绍的闭式叶轮设计与点铣设计。这一结论并不让人意外，因为后切式前尾缘技术对叶轮整体形状影响最小。它对性能的影响总体与点铣设计相似（即对于中压比PR=2，喉口形状有轻微不同）。通过下图的红色中压比曲线可看到，经过后切处理后，喉口尺寸有轻微减小，因此堵塞流量也有轻微降低。
总总效率差值与质量流量的无量纲参数图
后切前尾缘设计（实线）与侧刃铣设计（虚线）的对比
后切式前尾缘技术的主要优势在于它可以让加工时机器运行的更加平稳，获得的加工表面质量也更高，同时对加工时间影响不大。下图为一个采用后切式前尾缘技术设计的叶轮与原始设计叶轮在加工后的对比实物图。可以看到表面质量的提升非常明显。
原始设计由于90°刀具回转导致的表面缺陷（左图）
采用后切式前尾缘技术重新设计后加工得到的模型（右图）
上述例子清楚的展示出了不同加工方式所要求的不同设计方法，以及它们对性能的影响。从中我们可以看出，尽管制造加工是最后的步骤，但不同的制造方式要求不同的叶轮参数化建模方式，而不同的叶轮参数化建模方式又要求不同的设计方法和技巧。因此在设计的初始阶段就要对这一情况进行考虑。
Concepts NREC公司的Agile工程设计系统使得我们能够全面考虑所有这些可能性，并对其中涉及的权衡因素进行分析。只有综合考量所有可能性，并从初始设计到最终制造过程的整个流程进行全方位考虑，才能获得最佳的最终结果。
宋威｜译
何道贵｜校
王娜欣｜编辑
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