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小流量模型级扩压器对性能影响的研究

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小流量模型级扩压器对性能影响的研究

冀春俊 陈曦 么立新 / 大连理工大学能源与动力学院

摘要: 通过对模型级内部的三维粘性流动进行数值模拟,用数值试验的方法研究扩压器的不同设计对模型级性能的影响; 对模型级的变工况性能进行了计算分析和比较,确保了新设计方案的工程可行性。
关键词 :离心式压缩机;小流量级;扩压器;数值模拟
中图分类号: TH452    文献标识码: B
文章编号: 1006-8155(2007)04-0008-04
Research on the Effect of Performance by Diffuser of Small Flow Model Stage
Abstract: this paper describes numerical simulation to 3-D viscous flow of internal model stage, and studies different design of diffuser to the effect of model stage performance using the method of numerical experiment, and calculates and analyzes changeful condition performance of model stage. Thus it ensures the feasibility of new design project. .
Key words: centrifugal compressor ; small flow stage ; diffuser ; numerical simulation

0  引言

  国际上的发展方向是装置容量不断增大,开发高压比、小流量、低噪声、高效率压缩机产品与之配套。国内离心压缩机高技术、高参数、高质量和特殊产品尚不能满足需要, 50%左右还需靠国外进口。为此,我国学者采用试验和数值模拟的方法进行了深入的研究, 文献 [1]通过对某离心压缩机小流量级的扩压器进行数值分析和优化设计,使整级多变效率提高了近5个百分点。但是,并没有对新设计方案的稳定工作范围、变工况性能作进一步研究,尚不能应用到生产实际中去。因此,本文在文献[1]的基础上,继续对扩压器的叶片数目和前缘形状进行修正,计算了新方案在不同转速下的变工况特性及原方案在设计转速下的变工况特性,并对计算结果进行了对比和分析。

1 数值计算
1.1 计算平台
  本数值计算建立在CFD商业软件NUMECA平台上,是国际上公认的叶轮机械内部流动数值分析的首选软件,其核心部分—离散格式与解法以及与求解密切相关的多重网格等方面的质量很高。其中心格式采用了Jameson

人工粘性显格式[2] ,迎风 格式采用基于TVD与通量差分分裂方法的高精致格式,方程求解采用多阶Runge-Kutta法,低速计算采用预条件法等,并采用多重网格技术与隐式残差光顺法等提高求解过程的收敛速度。

1.2  计算域与网格
  为了真实地反映扩压器内部的流动情况,对小流量模型级整级进行了三维造型。计算域包括进气道、叶轮、扩压器、弯道、回流器以及回流器出口延伸段,采用多块六面体结构网格,如图1和图2所示。

1.3  计算方法与边界条件
  本计算分析的出发点为气流流动的控制方程,包括三维可压缩雷诺平均N-S方程、能量方程、连续方程、理想气体状态方程以及Spalart-Allmaras代数湍流模型方程;采用有限体积法对控制方程进行空间离散,采用显式时间推进法求解。
  工质为理想空气,设计转速(n=12000r/min), 进口边界给定速度方向、静温(Tin =293K)以及质量流量(G=0.5378kg/s),出口边界给定静压(pout=137293.1Pa )。

2  计算结果分析
2.1  原无叶扩压器内部流动分析
  基于上述的数值计算,得到了该模型级内部三维流场的完全信息。
  原结构采用的等宽无叶扩压器,具有结构简单、造价低、性能曲线平缓、稳定工作范围宽等优点。但是,由于流体在无叶扩压器中的方向角α基本不变,流线

流线较长(见图3),摩擦损失较大,在设计工况下效率较叶片扩压器低。据此,文献[1]在无叶扩压器后端加一段叶片扩压器,以增大α角和缩短流线,达到减少流动损失的目的。

2.2  对扩压器叶型的设计
  文献[1]选择的扩压器当量扩张角为4.8°左右,叶片数为10,分别对C4叶型、倒C4叶型、倒T4叶型、直壁叶型进行了三维造型和数值计算。经比较(见表1),采用直壁型扩压器整级的效率最高。

表1 采用各方案扩压器整级性能参数比较

叶片型式

流量 /(kg/s)

静压比

总压比

级等熵效率/%

级多变效率/%

无叶

0.5378

1.4756

1.4785

73.113

74.552

C4叶型

0.5378

1.5034

1.5056

77.031

78.316

倒C4叶型

0.5378

1.5017

1.5041

77.108

78.385

倒T4叶型

0.5378

1.5003

1.5026

76.960

78.243

直壁叶型

Z =10)

0.5378

1.5051

1.5072

77.758

79.006

直壁叶型

Z =18)

0.5378

1.5094

1.5113

78.428

79.646

  注:由于在数值模拟过程中没有考虑级内的某些损失(包括轮阻损失、漏气损失等),模拟后得到的原结构级多变效率(74.552%)比实际的多变效率(68%)高。

2.3  对扩压器叶片数目的分析
  文献[3]指出,扩压器叶栅稠度对流动有着显著的影响。从气流折转角的角度分析,折转角大时,叶栅负荷较大,如果稠度比较小,气流易产生脱离,损失增加;折转角小时,即使稠度不大的叶栅,因为负荷较小,也不会产生附加损失。但是,如果稠度过大,则使通流面积过小,叶片前缘的通道截面相对阻塞增加,使流动损失增大。笔者在采用直壁型扩压器的基础上,选择了不同叶片数目(即不同的叶栅稠度)分别进行数值模拟。图4和图5分别给出了叶片数为10和18的直壁型扩压器内部速度场分布,表1给出了整级性能参数。比较后发现:采用叶片数为18的直壁型扩压器的整级效率最高,将该小流量模型级的整级效率提高了5.1个百分点。

2.4 对直壁型叶片前缘的修正
   设计的直壁型叶片的前缘为尖头,从理论上讲,尖头对来流不会产生阻塞,气流的速度和压力分布比较均匀,流动损失也比较小,所以性能也比较高;但从加工工艺上讲,尖头在工程上无法实现,一般来说,受加工工艺的限制,叶片前缘倒角半径最小可做到 0.3mm。因此,从工程实际出发,应在原来设计的直壁型叶片前缘削一个半径为0.3mm的圆头。笔者采用两种切削方式:一种是直接在原来的叶片上削圆头,即缩小了叶片的长度;另一种是保持叶片的长度和尾缘厚度不变,重新设计前缘为圆头(半径为0.3mm)的直壁型叶片。原始方案和两种新设计方案的叶片前缘见图6。

表 2 直壁型叶片前缘修改前后整级性能比较

流量/(kg/s)

静压比

总压比

级等熵效率/%

级多变效率/%

修改前

0.5378

1.5094

1.5113

78.428

79.646

方案1

0.5378

1.5076

1.5095

78.148

79.379

圸抔篲粝赓灝E圸抔篲粝赓top width=115>

0.5378

1.5070

1.5090

78.045

79.280

比较直壁型叶片修改前后该模型级整级的性能参数(见表 2),可以发现:模型级整级的效率及压比均略有降低,但降低的幅度很小。观察修改前后叶片前缘附近的速度场分布(见图 7和图8),发现流动情况良好。由于倒圆的引入,级效率和压比略有降低,但增强了叶片对来流方向的适应性,又可以改善其变工况性能。
3  整级变工况性能比较
   叶片扩压器的流道长度短,流动损失小,故在设计工况下效率较无叶扩压器高;但由于叶片的存在,其变工况性能较无叶扩压器差。据此,笔者对该模型级改进前后的变工况性能作了进一步的分析讨论。

3.1  改进前后整级变工况性能的比较
   笔者计算了设计转速下,该模型级改进前后的流量特性,如图9所示。改进前,该模型级采用的是无叶扩压器,其多变效率随流量的变化平缓,稳定工作范围较宽。加入叶片扩压器后,设计工况点附近的静压比和多变效率都有较大幅度的提高,但随着流量的进一步增加,静压比和多变效率迅速下降,在距离设计工况点较远处,甚至低于原模型级。因此,改进后的模型级适合在设计工况点附近工作,当流量高出设计工况较多时,不宜采用改进的模型级。

3.2  采用叶片扩压器的模型级变工况性能
   笔者还计算了不同转速下,采用叶片扩压器的模型级的变工况特性。由图 10可见:随着转速的下降,整级的静压比下降明显,最大多变效率也略有下降,稳定工作范围朝流量减小的方向偏移,变工况性能的趋势符合一般规律。但是,等转速线与一般试验规律相比略显平缓,这说明计算系统对流量变化的敏感性不够。分析原因,可能是计算所采用的湍流模型在目前的网格尺度下,尚不能精确计算出附面层的影响。因此,在今后的研究工作中还需对此进行详细的计算分析,以提高计算的精度。

4  结论

  对一台离心压缩机小流量模型级进行了内部三维粘性流场的数值研究,针对扩压器结构及其对变工况性能的影响进行了分析讨论,结果表明:

  (1)数值模拟的结果可以真实地反映离心压缩机小流量级内部的三维粘性流动特征,在流场分析的基础上,可以进行有针对性的结构改进,达到提高性能的目的;

  (2)在设计工况下,离心压缩机采用叶片扩压器的效率明显高于采用无叶扩压器,增设叶片扩压器是提高整级效率的有效方法;

  (3)扩压器叶片数目对扩压器性能优劣有较大的影响,对离心压缩机小流量级来讲,采用18个直壁型叶片对于改进设计工况下扩压器性能的效果最佳;

  (4)叶片扩压器的加入,使整级的变工况性能略有恶化,当偏离设计工况点较多时,性能迅速下降,甚至低于原型;

  (5)笔者计算的变工况特性线略显平缓,在湍流模型及网格尺度方面需要进一步的研究,以提高计算系统的敏感性。但目前的计算结果基本能够满足工程要求。

[1] 冀春俊,肖蕾.离心压缩机小流量级扩压器的分析与优化[J].风机技术,2005(2):15-17.
[2] Jameson A,Schmidt W,Turkel E.Numerical solution of the Euler equation by Finite volume methods with Runge-Kutta time stepping schemes[A].AIAA Paper[C],1981,81-1259.
[3] 西安交通大学透平压缩机教研室.离心式压缩机原理[M].机械工业出版社,1978.
[4] 朱方元.航空轴流叶片机气动设计[M].航空专业教材编审室,1984.
[5] 汪庆桓,喻达之,汤育红.多级离心式压缩机小流量系数叶轮的内流特点和设计方法[J].化工机械,1994(3): 138-144,184.

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  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-8 17:59:13
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-19 0:28:04
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-12 10:24:58
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-9 15:17:34
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-21 14:14:39
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