兩個(gè)典型離心式壓縮機(jī)級(jí)靜子元件中流動(dòng)的數(shù)值模擬

1、兩個(gè)典型離心式壓縮機(jī)級(jí)靜子元件中流動(dòng)的數(shù)值模擬 周曉東 徐 忠/西安交通大學(xué)流體機(jī)械研究所 孫玉山/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 摘要：使用NUMACA 軟件對(duì)兩個(gè)不同流量系數(shù)的離心式壓縮機(jī)級(jí)靜子元件中的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了兩個(gè)級(jí)無(wú)葉擴(kuò)壓器中的流場(chǎng)及其中一個(gè)級(jí)彎道和回流器中的流場(chǎng)。對(duì)離心式壓縮機(jī)級(jí)設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)信息。關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī) 靜子元件 數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào)：TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-8155(2006)02-0001-05Numerical Simulation of Flow between the Static Components of 2 Stage

2、s of Typical Centrifugal CompressorAbstract: Numerical simulation of flow is carried out on static components of 2 stages of centrifugal compressor whose flow coefficient are different using NUMACA software. It analyzes the Flow field of vaneless diffuser of 2 stages and the bend and return channel

3、for 1 stage. The information how to improve the stage design of centrifugal compressor stage is put forward.Key words: Centrifugal compressor Static component Numerical simulation 1 引 言 離心式壓縮機(jī)的靜子元件通常有吸氣室、擴(kuò)壓器、彎道、回流器及蝸殼（或排氣室）等。其作用主要是把氣體從前一元件引到后一元件中去，并使之具有一定的速度和方向。靜子元件對(duì)整個(gè)壓縮機(jī)的工作效率有相當(dāng)大的影響，隨著人們對(duì)葉輪研究的不斷深入，

4、葉輪的效率已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。相對(duì)而言，人們對(duì)靜子元件的研究還很不深入，因此近年來(lái)人們對(duì)靜子元件的研究越來(lái)越重視。本文主要涉及的是擴(kuò)壓器、彎道和回流器這3個(gè)靜子元件。一般情況下，離開(kāi)離心式壓縮機(jī)級(jí)葉輪的氣流動(dòng)能為總輸入功的3040。這些動(dòng)能需要在擴(kuò)壓器中進(jìn)行回收。在擴(kuò)壓器中氣流流道面積增大使平均速度減小，并因此使動(dòng)能減小，靜壓增大，同時(shí)伴隨著能量損失，氣流分離和失速。在彎道和回流器中亦同樣會(huì)有能量損失和氣流分離。無(wú)葉擴(kuò)壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能曲線平坦，穩(wěn)定工況范圍寬等特點(diǎn)。因此，在多級(jí)離心式壓縮機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。本文就兩個(gè)帶有無(wú)葉擴(kuò)壓器（其中一個(gè)為末級(jí)，另一個(gè)為中間級(jí)帶有彎道和回流器）的不同流

5、量系數(shù)的離心式壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)行數(shù)值模擬。分析了兩個(gè)級(jí)無(wú)葉擴(kuò)壓器中的流場(chǎng)及一個(gè)級(jí)彎道和回流器中的流場(chǎng)。以其對(duì)離心式壓縮機(jī)級(jí)提供改進(jìn)信息，從而提高級(jí)的設(shè)計(jì)水平。2 數(shù)值模擬方法 采用NUMECA軟件的FINE/TURBO模塊進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件采用時(shí)間相關(guān)法求解雷諾平均NS方程，中心節(jié)點(diǎn)的有限體積離散，顯式龍格庫(kù)塔時(shí)間積分，全多重網(wǎng)格初場(chǎng)處理，以及多重網(wǎng)格迭代加速。計(jì)算中采用SpalartAllmaras一方程湍流模型，對(duì)流項(xiàng)離散格式采用中心差分并結(jié)合四階耗散項(xiàng)，時(shí)間推進(jìn)選用四階顯示Runge-Kutta方法，CFL數(shù)取值2。分析了流量系數(shù)為110.08級(jí)（以下稱(chēng)為級(jí)A），D2450mm，2A45&#

6、176;，D4720mm，回流器葉片進(jìn)口角-61°，由葉輪、擴(kuò)壓器、彎道和回流器組成，計(jì)算的進(jìn)口位置在葉輪的進(jìn)口處，出口位于回流器的出口；（2）10.16的級(jí)（以下稱(chēng)為級(jí)B），D2240mm，2A65°，長(zhǎng)短葉片，D4384mm，由葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼組成，計(jì)算的進(jìn)口位置在葉輪的進(jìn)口處，出口位于擴(kuò)壓器的出口。為計(jì)算方便，兩個(gè)級(jí)均在進(jìn)、出口位置增加了延伸段。計(jì)算網(wǎng)格：級(jí)A的網(wǎng)格分為兩大部分，第一部分為葉輪和擴(kuò)壓器，I型網(wǎng)格，分為兩塊，第一塊為葉片流道（41×41×193），第二塊為葉片尾緣鈍頭下游區(qū)域（17×41×41）；第二部分為彎道和

7、回流器 (41×41×193)，H型網(wǎng)格，總共約62萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。級(jí)B的網(wǎng)格分為8塊，第一、第二塊為主流道，I型網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)均為25×49×193，長(zhǎng)葉片頂部間隙采用蝶型網(wǎng)格（分為兩塊，網(wǎng)格數(shù)分別為9×9×193和17×9×89），短葉片頂部間隙采用蝶型網(wǎng)格（分為兩塊，網(wǎng)格數(shù)分別為9×9×193和17×9×89），長(zhǎng)、短葉片尾緣鈍頭下游區(qū)域分為兩塊（網(wǎng)格數(shù)均為17×49×33），總共約59萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。圖1和圖2 分別為兩個(gè)級(jí)的網(wǎng)格圖。邊界條件：進(jìn)口給定總溫、總壓

8、和氣流角（軸向進(jìn)氣），出口給定質(zhì)量流量，葉片及內(nèi)外環(huán)壁為無(wú)滑移、絕熱壁面。收斂準(zhǔn)則：進(jìn)出口流量誤差小于0.5，殘差水平下降到104以下。 圖1 級(jí)A網(wǎng)格圖 圖2 級(jí)B網(wǎng)格圖3 結(jié)果分析3.1 級(jí)特性參數(shù)分析 圖3給出了級(jí)A特性參數(shù)曲線，從圖中看出，該級(jí)的工況范圍為92.5125；圖4給出了級(jí)B特性參數(shù)曲線，從圖中可以看出，該級(jí)的工況范圍為80%130%。級(jí)B有比較理想的工況范圍，而級(jí)A的設(shè)計(jì)點(diǎn)偏向小流量區(qū)。圖3 級(jí)A多變效率及壓力曲線圖4 級(jí)B多變效率及壓力曲線3.2 設(shè)計(jì)工況下級(jí)內(nèi)部三維粘性流場(chǎng)分析 圖5和圖6給出了兩個(gè)級(jí)的子午平均速度分布，從圖中看出級(jí)A無(wú)明顯低速區(qū)，而級(jí)B在擴(kuò)壓器內(nèi)靠近蓋

9、側(cè)發(fā)生分離并產(chǎn)生倒流，形成較大的漩渦，氣流大部分被壓縮到盤(pán)側(cè)，使盤(pán)側(cè)氣流形成較大的速度。 圖5 級(jí)A子午平均速度 圖6 級(jí)B子午平均速度（右圖為擴(kuò)壓器分離區(qū)放大圖）圖7圖12給出了兩個(gè)級(jí)的橫向平面速度分布，從圖中看出，級(jí)A在回流器葉片吸力面有一個(gè)分離區(qū)，該區(qū)域在軸盤(pán)側(cè)較小，位于葉片的出口，向蓋盤(pán)側(cè)逐漸增大，在葉高約50的位置可以明顯看到較大的分離，該分離區(qū)在近蓋側(cè)已從葉片出口處向進(jìn)口延伸了約2/3的葉片長(zhǎng)度；級(jí)B在擴(kuò)壓器蓋側(cè)有一個(gè)低速區(qū)。A圖7 級(jí)A 25%葉高位置橫向平面速度（右圖為A處局部放大圖）B圖8 級(jí)A 50%葉高位置橫向平面速度（右圖為B處局部放大圖B）C圖9 級(jí)A 75%葉高位置

10、橫向平面速度（右圖為C處局部放大圖）圖10 級(jí)B 25%葉高位置橫向平面速度 圖11 級(jí)B 50%葉高位置橫向平面速度D 圖12 級(jí)B 75%葉高位置橫向平面速度（右圖為D處局部放大圖）圖13和圖14給出了兩個(gè)級(jí)的子午平均靜壓分布，圖中顯示出靜壓梯度在兩個(gè)級(jí)的擴(kuò)壓器中分布都比較均勻，級(jí)A在彎道和回流器中壓力變化較小。從圖15和圖16的子午平均絕對(duì)總壓分布圖中看出級(jí)A擴(kuò)壓器出口處的軸盤(pán)側(cè)絕對(duì)總壓較低，級(jí)B在擴(kuò)壓器進(jìn)口處的蓋盤(pán)側(cè)絕對(duì)總壓較低。從圖17和圖18熵的子午平均分布圖中可以看出相應(yīng)絕對(duì)總壓較低的位置熵值較大，表明該處損失較大。 圖13 級(jí)A子午平均靜壓分布圖 圖14 級(jí)B子午平均靜壓分布圖

11、 圖15 級(jí)A子午平均絕對(duì)總壓分布圖 圖16 級(jí)B子午平均絕對(duì)總壓分布圖 圖17 級(jí)A子午平均熵分布圖 圖18 級(jí)B子午平均熵分布圖圖19和圖20給出了兩個(gè)級(jí)在50葉高處的靜壓分布。兩個(gè)級(jí)在葉輪部分壓力梯度分布比較均勻。級(jí)A在無(wú)葉擴(kuò)壓器里的壓力梯度仍較均勻，在彎道、回流器中壓力變化較??；而級(jí)B擴(kuò)壓器中的靜壓在前半部分梯度較小，這是由于此處存在較大的分離區(qū)而使通道有效面積減小、擴(kuò)壓效果減弱的緣故，后半部分壓力梯度較大且比較均勻。圖19 級(jí)A 50葉高位置橫向平面靜壓分布 圖20 級(jí)B 50葉高位置橫向平面靜壓分布圖21和圖22給出了兩個(gè)級(jí)的擴(kuò)壓器子午平均絕對(duì)氣流角分布，從圖中可以明顯看到兩個(gè)擴(kuò)壓

12、器中氣流角分布有明顯的差別。級(jí)A擴(kuò)壓器蓋側(cè)氣流角在進(jìn)口處沿?cái)U(kuò)壓器寬度的分布比較平緩，軸盤(pán)側(cè)的氣流角略大于蓋盤(pán)側(cè)，流道中部氣流角隨直徑的增大而逐漸增大；級(jí)B的氣流角沿流道寬度變化較大。擴(kuò)壓器氣流角在靠近蓋盤(pán)側(cè)20寬度附近氣流角最小，向軸盤(pán)方向氣流角逐漸增大，流道中部氣流角變化不大。1.2D21.4D21.05D21.6D21.6D21.4D21.2D21.05D2 圖21 級(jí)A擴(kuò)壓器子午平均絕對(duì)氣流角 圖22 級(jí)B擴(kuò)壓器子午平均絕對(duì)氣流角4 結(jié)論本文對(duì)兩個(gè)流量系數(shù)的離心式壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)行了數(shù)值模擬，從中看出，兩個(gè)級(jí)都有較高的效率，內(nèi)部流場(chǎng)總體上都比較好，但仍存在以下問(wèn)題需要加以改進(jìn)。（1）級(jí)A葉輪氣流轉(zhuǎn)彎較均勻，且b2/D2較小，因而擴(kuò)壓器中流場(chǎng)的分布較好；而級(jí)B由于葉輪蓋側(cè)氣流轉(zhuǎn)彎較快，同時(shí)由于b2/D2較大，因而在擴(kuò)壓器蓋盤(pán)側(cè)產(chǎn)生分離引起較大的損失?？煽紤]改進(jìn)擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)，使b3<b2，加速此處的氣流速度，同時(shí)將葉輪出口到無(wú)葉擴(kuò)壓器進(jìn)口之間做成圓滑過(guò)渡的收縮型，以使氣流轉(zhuǎn)彎均勻減少擴(kuò)壓器蓋盤(pán)側(cè)的分離。（2）在擴(kuò)壓器中，級(jí)A的氣流角沿?cái)U(kuò)壓器寬度較為平緩，而級(jí)B的氣流角在蓋盤(pán)側(cè)和軸盤(pán)側(cè)差別很大；在擴(kuò)壓器蓋側(cè)級(jí)A的氣流角較大，而級(jí)B的氣流角較小，這與級(jí)B在此處有大的分離有關(guān)；葉道中部，級(jí)A的氣流角