擴壓器是一種由離心壓縮機產生的裝置，其主要功能是將動能轉化為靜壓能。這種轉化發生在離心壓縮機葉輪出口，此處的氣流絕對速度通常在200-300米/秒之間，而在高性能葉輪中，這一速度甚至可能超過500米/秒。這些高速氣流占據了葉輪給予氣體總能量的很大一部分，如徑向直葉片型葉輪約占50%，而水泵型火壓縮機型葉輪則占25%-40%。因此，擴壓器的主要職責就是將這部分動能有效地轉化為靜壓能。除了這個核心功能外，擴壓器還負責收集和引導氣體。
形態特征
擴壓器在汽車增壓發動機中扮演著重要角色，隨著發動機轉速的提高和工況變化范圍的擴大，對渦輪增壓器壓氣機的性能提出了更高的要求。為了滿足這些需求，許多壓氣機采用了無葉擴壓器，然而這種設計會帶來氣流在到達蝸殼入口之前的沿程損失問題。相比之下，葉片式擴壓器能夠更好地控制氣流的方向，從而減少流動沿程損失，提高壓氣機的工作效率。然而，在非設計工況下，由于葉輪和擴壓器之間的流動匹配處于大攻角狀態，擴壓器葉片內部特別是吸力面一側會出現流動分離現象，這可能導致壓氣機內的流動不穩定，進而影響壓氣機的流量范圍。此外，由于結構方面的限制，車用增壓器壓氣機進口通常采用無預旋結構，這也可能會導致增壓器壓氣機在某些工況下無法滿足發動機所需的進氣量范圍，從而引發壓氣機喘振。面對這些挑戰，如何在保證壓氣機具有寬流量范圍的同時提高工作效率，成為了一個亟待解決的關鍵問題。
技術原理
為了應對上述挑戰，研究人員針對車用增壓器JP88無葉擴壓壓氣機進行了改進。首先，他們基于CFD分析和優化，設計了一種新的進口導葉和葉片擴壓器。為了保持原有的壓氣機結構，新設計的葉片擴壓器高度與原無葉擴壓器相同。其次，他們使用FINE/TURBO軟件進行了壓氣機的三維流動計算分析，并選擇了Spalart-Almaras湍流模型。計算過程采用了中心差分格式離散控制方程，并利用四階Runge-Kutta法進行時間推進求解，結合當地時間步長、隱式殘差光順技術和多重網格技術來加速收斂。計算網格采用塊結構化網格，確保了計算精度。在邊界條件方面，壓氣機進口參數保持一致，總壓為101325帕斯卡，總溫為293開爾文，氣流方向為軸向進氣，固體壁面采用絕熱無滑移邊界條件。壓氣機工況特性線通過逐步提高壓氣機出口背壓的方式獲取。計算收斂性的判斷標準是壓氣機進出口流量的相對誤差不超過0.5%，并且相應的壓氣機總性能（包括效率和總壓比）在足夠長時間內沒有顯著變化或僅出現微小周期性振蕩。
功能實現
導葉無預旋及預旋調節
在研究中，研究人員考慮了兩種情況：一是導葉無預旋，二是導葉預旋8度。前者用于分析導葉對壓氣機性能的影響，后者則用于比較進口預旋對壓氣機喘振裕度的影響。結果顯示，雖然導葉的引入帶來了葉型和尾跡損失，導致壓氣機效率略有下降，但最高效率點的位置并未改變。此外，無預旋導葉的采用使得壓氣機的流量范圍與原型壓氣機相同。在導葉預旋8度的情況下，壓氣機的流量范圍增加了16.7%，同時壓比仍保持較高水平。盡管進一步調整導葉預旋角可以獲得更寬的喘振裕度，但由于過大的負預旋角會導致壓氣機總壓比顯著降低，無法滿足發動機匹配要求，因此未將其視為有效的調節方案。導葉預旋擴展了壓氣機的流量范圍，但對壓氣機效率特性產生了不利影響，而采用葉片式擴壓器則能改善壓氣機效率。
葉片擴壓與擴壓器調節
擴壓器無調節
所采用的葉片式擴壓器設計點為葉輪轉速為70000轉/分鐘時壓氣機的最高效率點。擴壓器采用參數化設計方法完成，進口幾何角根據原型壓氣機最高效率點工況葉輪出口平均氣流角確定，出口幾何角則根據原型壓氣機最高效率點工況無葉擴壓器出口平均氣流角確定。由此流動匹配原則，葉片擴壓器的安裝角為53度（與徑向夾角），進口幾何角和出口幾何角分別為43度和55度。研究表明，采用葉片式擴壓器后，壓氣機在設計點工況附近的效率較無葉擴壓的原型機有了明顯的提高，最高效率提高了約1.5%，總壓比也有一定程度的提升。然而，在非設計點尤其是小流量工況處，葉片擴壓的壓氣機效率和壓比較無葉擴壓原型機都有大幅下降，效率降低了12.5%，壓比下降了10%。最高效率點無葉、葉片擴壓器進出口的絕對氣流角沿葉高分布。在擴壓器進口處，有葉和無葉擴壓兩種情況的氣流角分布基本相同，從葉根到葉頂呈逐漸增加趨勢，在50%葉高以上區域，由于受葉輪葉尖間隙流的影響，氣流角呈先快速增加后快速減小趨勢。在無葉擴壓器出口，氣流角基本延續進口處的分布趨勢，但沿葉高方向上的變化梯度有所改善；在葉片擴壓器出口，在葉片流道形狀的約束下，氣流角的分布并沒有呈現進口處先增后減的趨勢，而是沿葉高整體呈增加趨勢，說明葉輪出口的不均勻氣流受到了葉片的有效控制，同時葉片擴壓器的采用使得擴壓器出口的氣流角整體減小，有助于減小下游氣流的沿程損失。
最高效率點工況擴壓器內子午平均流線對比
對于兩種擴壓器結構，葉輪出口葉尖處皆存在分離渦（間隙渦）。在無葉擴壓器中，分離渦向下游發展過程中得不到有效控制，一直延續至擴壓器出口；而在葉片擴壓器中，葉輪出口葉尖處的分離渦尺度被放大，但在向下游發展過程中，得到了有效抑制，在50%擴壓器葉寬處分離渦基本消失，在擴壓器出口獲得了較低的總壓損失。從圖6給出的90%葉高截面葉片擴壓器前部區域的速度矢量圖可以看出，在擴壓器進口葉尖處分離渦尺度增大的原因是存在較大的負攻角。由于葉輪出口氣流非常不均勻，因而葉片擴壓器所采用的直葉片設計無法保證沿整個葉高上的氣流角匹配效果，攻角不可避免。可以通過扭葉片設計方法來進行擴壓器設計，以獲得更好的氣流角匹配效果。
工作原理
為了保持不同流量工況下葉片擴壓器與葉輪之間的流動匹配，研究人員以設計點（最高效率點工況）為基礎，在不同的流量工況對葉片擴壓器安裝角進行調節，調節的角度根據無葉擴壓時對應工況點葉輪出口處的絕對氣流角確定。葉片旋轉中心為擴壓器中弧線中點，從葉頂看與葉輪轉向相同為正。研究人員還發現，為了獲得壓氣機的擴穩效果，在小流量工況進行擴壓器調節的同時進行進口導葉預旋控制是非常有效的。實驗表明，進口導葉無預旋時，擴壓器的調節可有效提高小流量工況時壓氣機效率，且在整個工作流量范圍內，與原型相比壓氣機效率均有所提升，效率最高提高1.7%；對應的總壓比在高效區有所提升，在小流量區則有所下降。在擴壓器調節的同時配合進口導葉的預旋，可以獲得壓氣機流量范圍的拓展。進口有一定的負攻角，旋轉13度后，進口攻角得到明顯改善，且擴壓器進口輪緣處回流區也明顯減小，說明通過改變擴壓器的角度可明顯減小壓氣機的回流損失。進口葉根處出現回流區是因為調節擴壓器角度后不能同時兼顧葉根和葉頂的攻角，導致葉根攻角增大出現回流，通過扭葉片的設計可以使葉片擴壓器進口角與全葉高氣流角相匹配，進一步改善壓氣機的性能。
產品優勢
擴壓器的技術改進帶來了顯著的優勢。首先，采用無預旋導葉時，壓氣機的流量范圍與原機相同；導葉預旋8度后，壓氣機流量范圍拓寬了16.7%，同時壓氣機壓比仍然處于較高的水平。其次，與無葉擴壓器相比，葉片擴壓器能夠有效控制葉輪內部的不均勻氣流，使擴壓器出口氣流角整體減小約10度，有助于減小下游的沿程損失。第三，在設計工況下，葉片擴壓器可有效提高壓氣機的效率，效率提高約1.7%；在非設計工況下，通過調節擴壓器角度減小擴壓器進口攻角，可使壓氣機的壓比在小流量區提高約7%，效率整體提高約1.2%。
參考資料 >
離心風機擴壓器的作用是什么？擴壓器作用與要求.三元流風機.2024-08-18
離心壓縮機工作原理與喘振的原因 .搜狐網.2024-08-18
離心式壓縮機擴壓器及其特點.華強電子網.2024-08-18