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回流器冲角对于压缩机模型级性能影响的研究*

冀春俊 刘 洋 / 大连理工大学能源与动力学院    

Abstract
摘要:通过建立离心压缩机模型级(包括叶轮、无叶扩压器和回流器)的数值计算模型,利用Numeca软件对其内部流场进行数值模拟及变工况计算,得到该级的变工况性能曲线及内部流场信息。经过变工况性能分析和流场分析,发现由冲角公式反推出的回流器进口宽度过大,导致其叶片吸力面侧流动分离,产生漩涡。针对这一问题,适当减小回流器进口宽度,并进行相应的建模、网格划分和数值计算,得到改进后的变工况性能曲线及三维流场信息,较原结构有明显改善。
关键词:离心压缩机;回流器进口冲角;数值模拟
中图分类号:TH452 文献标志码:A
Study on the Effect of Deswirl Incidence Angle on the Performance of Compressor Model Stages
Abstract:Based on constructing the numerical model (including the impeller, vaneless diffuser and deswirl) of a centrifugal compressor, its inner flow field was numerically simulated and calculated under off-design conditions by software CFD NUMECA. Based on the off-design performance curve and information of inner flow field, it was found that the derived entrance width of deswirl was too big and caused a flow separation on the suction side of the deswirl blade. Aiming at this problem, the measures that reduced the entrance width appropriately and carried out corresponding modeling, meshing and numerical simulation were adopted. Then the improved off-design performance curve and information of 3-D flow field were obtaind, which had showed a significant improvement over the original structure.
Key words: centrifugal compressor; deswirl incidence angle; numerical simulation
0 引言
  在多级离心压缩机中,回流器作为二级间的连接部件,其作用是将气体从扩压器出口引入下一级叶轮进口。由于流动中周向角动量变化很大,因此回流器内二次流十分显著[1-2] 。回流器的设计目标是以尽可能少的损失对气体进行整流,减少下级叶轮进口处的流场畸变[3] 。已有的对离心压缩机的研究大部分集中于叶轮或扩压器内的流动,针对级间连接部件回流器的研究并不多[4-5] 。一方面是通过调整几何参数如弯道扩张比、叶片数、叶片角以及气动参数如流量系数、雷诺数、来流预旋角等与实验或数值模拟进行对比,另一方面是给定速度或载荷分布进行二维反设计计算[6-10] 。我公司在设计过程中,往往利用经验公式来进行冲角的计算,然后调整回流器的宽度使冲角保持在一个合理的范围内。然而在研究中发现这种设计方法不是十分可靠,由于经验公式的误差可能导致实际冲角超出范围很远,最终导致级性能的下降,因此对于冲角的设计问题有必要进行深入的研究。
  本文的研究目的是验证和修正现在设计中采用的离心压缩机回流器冲角计算的经验公式,通过对回流器的轮毂、轮盖和整流叶栅进行参数化建模和N-S方程数值求解[11] ,着眼于改善变工况条件下级的等熵效率以及出口流场的均匀性[12-13] ,总结出一套适合我公司压缩机产品回流器冲角计算和回流器结构改进的方法。该研究有望使我公司的离心压缩机产品性能大大提高,进而增强产品和企业的竞争力。
1 计算模型及网格
  以某台空气压缩机的第二级为研究对象,确定了计算域,建立了包括叶轮、无叶扩压器、弯道和回流器的几何模型,在IGG[14]模块中进行网格划分,在FINE[15]模块中进行数值模拟计算,得到该级内部流场的全三维信息。忽略了叶轮与扩压器之间的间隙[16]
  模型级工作轮采用的是强后弯闭式叶轮,叶轮叶片为等厚度叶片,叶片数为19,叶片前缘为圆头、尾缘为钝头,三维模型如图1所示;采用等宽无叶扩压器(b3=b4=const);回流器为扩张通道,采用变厚度叶片,叶片数为18,前缘和尾缘皆为圆头,三维模型如图2所示。模型级子午流道图及模型级网格拓扑如图3、图4所示。

2 模型内部流动分析
2.1 设计工况

  本章对各元件(尤其是回流器)的内部流场进行分析,从流场分析的角度找出回流器结构设计中存在的问题,并对其结构进行优化设计改进。图5为叶轮单个流道内部的相对速度矢量分布图,从流线可以看出,叶片通道内流体的流动比较顺畅,没有出现明显的回流、漩涡等现象。图6为回流器单个流道内部的速度矢量分布图,从流线可以看出,叶片吸力面存在较大范围的漩涡,严重影响该级性能,甚至影响下一级进口流场的周向均匀性。从回流器叶片前缘流场放大图可以看出,气流方向与叶片前缘匹配不佳,存在较大的冲角,是导致叶片吸力面流体严重分离的主要原因。经过NUMECA软件的后处理模块CFView[17]计算,得到该处的气流角约为21°,而回流器进口角为33°,二者相差12°,严重影响机组性能,因此必须进行结构改进。但是结构的改进必须考虑模型级的变工况性能[18-19] ,因此对该模型级进行了变工况的计算分析。

2.2 变工况数值计算结果
  在正常工况的基础上,对该模型级进行了变工况数值计算。从图7所示的压比曲线可以看出,当工作流量与正常流量之比在110%左右时,压比较高。

  从图8所示的效率曲线可以看出,当工作流量与正常流量之比在110%~130%时,效率较高。综合以上两点说明,该模型级在正常工况下工作时,既没有获得高压比,也没有获得高效率。也就是说,该模型级的设计流量偏大,不适合工作在正常工况下。
2.3 120%正常流量的数值计算结果及分析
  图9为叶轮单个流道内部的相对速度矢量分布图,从流线可以看出,叶片通道内流体的流动比较顺畅,没有出现明显的回流、漩涡等现象。图10为回流器单个流道内部的速度矢量分布图,从流线可以看出,叶片吸力面尾部存在小范围的漩涡,与正常工况相比,流动状况明显改善。从回流器叶片前缘流场放大图可以看出,气流方向与叶片前缘仍存在一定的冲角。经过NUMECA软件的后处理模块CFView计算,得到该处的气流角约为30°,与回流器进口角相差3°,优于正常工况,因此,性能也高于正常工况。
2.4 80%正常流量的数值计算结果及分析
  在进行小流量的数值计算时,计算收敛不佳,呈周期性震荡。观察图11所示的叶轮单个流道内部流场可以看出,叶片尾部吸力面附近的流动混乱;图12为回流器单个流道内部的速度矢量分布图,可以看出,整个叶片吸力面侧流动混乱,存在大范围的漩涡,甚至影响到叶片压力面的流动。
  从回流器叶片前缘流场放大图可以看出,气流方向与叶片前缘存在较大冲角。经过NUMECA软件的后处理模块CFView计算,得到该处的气流角约为15°,与回流器进口角相差18°。正因如此,回流器内分离严重,漩涡范围较大,进而导致级性能下降。
2.5 回流器的结构优化及数值分析
  分析模型级的变工况特性可以发现,回流器叶片前缘的气流角对级性能影响很大,气流角与叶片进口角匹配得好,级性能就高,反之就低。对于该模型级来说,在相对大的流量下工作性能较高,在相对小的流量下工作性能较低。也就是说,该模型级的设计流量偏大,回流器尺寸偏大。要想提高其性能,应该适当减小回流器的进口宽度,以增大气流角,进而更好地适应叶片进口角。
  为使结构改进具有通用性,本文通过平移回流器隔板型线(如图13所示)来减小其进口宽度,尝试了多种不同的回流器进口宽度。在众多优化方案中,当进口宽度为22.8mm时,模型级正常工况下的性能有了很大提高,具体数据见表1。可见,压比和效率均有所提高,特别是效率提高了近3%,效果十分显著。

表 1 改进前后正常工况下的性能对比

静压比

级多变效率/%

改进前

1.5313

85.782

改进后

1.5627

88.598

  从流场看,叶轮内流动顺畅,没有出现回流、漩涡等现象(如图14所示);回流器叶片尾部吸力面产生流动分离和小范围漩涡(如图15所示),与结构改进前相比,漩涡范围明显减小。经CFView模块计算,该处的气流角约为32°,与回流器叶片进口角相差无几。

  在正常工况的基础上,对改进后的模型级进行了变工况数值计算。从图16所示的压比曲线看,当工作流量与正常流量之比在95%~120%之间时,改进后的静压比明显高于改进前;从图17所示的多变效率曲线看,当工作流量与正常流量之比在90%~120%之间时,改进后的级多变效率明显高于改进前,且稳定工况范围增大。综上所述,对于本课题研究的模型级而言,适当减小回流器的进口宽度,对提高其性能具有显著效果。

3 结论
  对原模型级进行流动分析发现:回流器进口气流方向与叶片前缘匹配不佳,导致叶片吸力面侧产生分离。从变工况性能曲线看,大流量工况下性能较高,正常流量工况下性能次之,小流量工况下性能最低。这说明,该模型级的回流器宽度偏大。为了提高其工作性能,本文逐渐减小回流器的进口宽度,以增大气流角,进而更好地适应叶片进口角。从数值计算结果来看,该方法行之有效,可以得出如下结论:
  1) 回流器叶片前缘的气流角对级性能影响很大,而气流角是由回流器进口宽度决定的,因此只有宽度合适,气流角才能与叶片角匹配,进而获得较高的工作性能;
  2) 现有设计方法得到的回流器进口宽度偏大,导致回流器内流动分离,级性能较低,有必要对该计算公式进行修正;
  3) 本文通过数值试验的方法确定出合适的回流器宽度,结果使得模型级的效率提高了2.8%。

                 参 考 文 献
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*资助项目:国家973计划 多干扰复杂工况下压缩机系统的非稳定边界条件及性能变化规律(2012CB026001)