葉片擴壓器進口安裝角對高負荷離心壓氣機流道堵塞的影響

葉片擴壓器進口安裝角對高負荷離心壓氣機流道堵塞的影響

在離心式壓力中，葉片擴壓器主要用于通過離心式葉片的較大動能急劇下降氣流，并將氣體的動能有效轉(zhuǎn)化為壓力。對于一般高負荷離心葉輪來說,其出口氣流速度可達500m/s,這部分動能幾乎可以占到離心葉輪耗功的50%,即使對于一般的后彎式離心葉輪也占(25～40)%左右。因此,在離心壓氣機中,葉片擴壓器是僅次于離心葉輪重要的部件,其對于提高壓氣機級效率與壓比,改變最佳工況點位置,擴大工作裕度起到十分重要的作用。相比于對離心葉輪深入的研究,目前對葉片擴壓器的研究還很不夠,比如不同葉片擴壓器安裝角下,影響擴壓器內(nèi)部流動及總壓恢復(fù)系數(shù)的諸多因素的詳細研究?，F(xiàn)以某微小型燃氣輪機的高負荷離心壓氣機為研究對象,對五種不同葉片擴壓器安裝角和無葉擴壓器時進行了數(shù)值計算,并對不同情況下離心壓氣機的性能及葉片擴壓器流場結(jié)構(gòu)進行了較為詳細的分析。1擴壓器安裝角及網(wǎng)格劃分研究對象由帶分流葉片的離心葉輪和徑向擴壓器組成,主葉片和分流葉片均為15片,徑向擴壓器葉片為23片,其中葉輪進口直徑為149.0mm,進口高度為32.9mm,出口直徑為215.0mm,出口寬度為13.5mm,徑向擴壓器進口直徑為240.6mm,葉輪轉(zhuǎn)速為45000r/min。壓氣機示意圖如圖1所示。葉片擴壓器安裝角的設(shè)計角為17°(和切向夾角),通過繞葉片擴壓器前緣中點分別順時針和逆時針各旋轉(zhuǎn)2°和5°(旋轉(zhuǎn)軸與壓氣機軸線平行),得到新的擴壓器安裝角,新的擴壓器進口安裝角分別為12°、15°、17°、19°和22°。使用NUMECA軟件中的AutoGrid模塊生成計算網(wǎng)格,離心葉輪葉頂間隙中使用蝶形網(wǎng)格,其展向給定13站,其它區(qū)域和五種不同安裝角下的徑向擴壓器均使用H型網(wǎng)格,周向、展向和流向均滿足多重網(wǎng)格要求。徑向擴壓器網(wǎng)格數(shù)約為34萬,離心壓氣機總網(wǎng)格數(shù)約為124萬,采用無葉擴壓器時總網(wǎng)格數(shù)約為140萬。經(jīng)過對比驗證,計算網(wǎng)格密度均滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。使用NUMECA軟件中的FINE/Turbo模塊進行數(shù)值計算,選用Spalart-Allmaras一方程湍流模型。工質(zhì)采用實際氣體,壁面采用絕熱無滑移邊界條件,進口給定總溫、總壓和進口氣流方向,出口分別在大流量條件下給定平均靜壓,小流量條件下給定質(zhì)量流量,通過逐漸提高背壓和減小流量直至計算無法收斂,得到壓氣機特性線。2結(jié)論分析2.1安裝角對壓氣機特性的影響圖2為五種不同葉片擴壓器安裝角及使用無葉擴壓器下離心壓氣機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下總體性能曲線對比,曲線名對應(yīng)擴壓器形態(tài)或角度。由圖2可知,葉片擴壓器安裝角從15°逐漸增大到22°,堵塞流量變化并不明顯,擴壓器安裝角為22°和使用無葉擴壓器時壓氣機的堵塞流量相等,由此可知,此兩種情況下堵塞喉道在離心葉輪尾部,而其他四種情況下的堵塞喉道均位于葉片擴壓器前部,其中以安裝角為12°時堵塞最為明顯,使得壓氣機通流能力大大降低。隨著擴壓器安裝角的增加,壓氣機的特性線整體向右方偏移,即壓氣機的通流能力逐漸增加。從安裝角為15°、17°和19°來看,隨著安裝角的增大,壓氣機特性線整體向右上方移動,即壓氣機等熵效率變大,總壓比升高,整體性能增加,但壓氣機的工作裕度卻逐漸減小,即變工況性能降低。安裝角為22°時,壓氣機并沒有延續(xù)等熵效率增加的趨勢,工作裕度基本與安裝角為19°時相同,但等熵效率和總壓比卻出現(xiàn)了較大的下降,最大總壓比甚至低于安裝角為15°時的參數(shù);安裝角為12°時,壓氣機的等熵效率和總壓比均出現(xiàn)了大幅下降,并且同時沒有延續(xù)工作裕度增加的趨勢,反而有所降低,這說明徑向擴壓器此時已經(jīng)嚴重阻礙了壓氣機的通流能力。壓氣機使用無葉擴壓器時等熵效率和總壓比普遍低于有葉擴壓器(安裝角為12°時除外),而工作裕度并沒有太大優(yōu)勢,基本與安裝角為15°和17°時持平,由此說明,在此高負荷離心壓氣機中采用有葉擴壓器是合理的,且安裝角17°～19°是一個最合理的范圍。2.2安裝角對葉片減速過程的影響以下分別對安裝角為12°、17°和22°下葉片擴壓器在各自近堵塞點工況、近設(shè)計點工況及近失速點工況下的流場進行分析。由圖3可以看出,在近堵塞點工況,安裝角從小變大時,擴壓器內(nèi)部流動有逐漸變好的趨勢,這主要是由于安裝角的增加,使得葉片擴壓器喉道面積變大、氣流的通流能力增強,在徑向擴壓器擴張角不變的同時,氣流流通面積變化率減小,降低了堵塞效應(yīng)和擴壓損失。在安裝角為12°和17°時,徑向擴壓器流道產(chǎn)生拉瓦爾噴管效應(yīng),即氣流有一個先減速后加速,最后再減速的過程,其中尤以安裝角為12°時效應(yīng)最為明顯,氣流經(jīng)過擴壓器喉道后,即在葉片吸力面中前部開始向壓力面偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致葉片吸力面尾部產(chǎn)生回流區(qū),其最小的等熵效率值也反映了小安裝角時的大速度梯度會造成更大的流動損失。但在安裝角為22°時拉瓦爾噴管效應(yīng)消失,氣流始終處于減速增壓的過程,這同時也驗證了安裝角為22°時,壓氣機的堵塞喉道在離心葉輪尾部的結(jié)論。由圖4可以看出,在近設(shè)計點工況,安裝角為12°時,徑向擴壓器的拉瓦爾噴管效應(yīng)大大減弱,堵塞效應(yīng)得到緩解,雖然氣流在經(jīng)過擴壓器喉道后在葉片吸力面中前部就開始往壓力面偏轉(zhuǎn),但近堵塞點工況葉片吸力面尾部的回流區(qū)幾乎消失。安裝角為17°和22°時流動情況基本相同,徑向擴壓器的拉瓦爾噴管效應(yīng)完全消失,平緩的流通面積變化避免了流動分離產(chǎn)生,氣流始終處于平穩(wěn)的減速增壓過程,這也保證了此兩種徑向擴壓器安裝角下高負荷離心壓氣機均能在較高性能下穩(wěn)定工作。由圖5可以看出,在近失速點工況,安裝角為12°時,徑向擴壓器具有一定的負攻角,其拉瓦爾噴管效應(yīng)完全消失,也即堵塞效應(yīng)消失,與近堵塞點工況和近設(shè)計點工況相似,氣流在葉片吸力面依然有過早的折轉(zhuǎn),但葉片吸力面尾部的回流區(qū)消失。安裝角為17°時,流動基本處于零攻角,但此刻氣流已經(jīng)開始在擴壓器吸力面堆積,整個擴壓器流道開始逐漸變得不均勻。安裝角為22°時,徑向擴壓器具有較小的正攻角,擴壓器流道前部氣流在葉片吸力面堆積的更為嚴重,流道中后部氣流逐漸向葉片壓力面偏轉(zhuǎn),整個氣流流動極不均勻,流場結(jié)構(gòu)發(fā)生惡化,這也是隨著安裝角繼續(xù)變大壓氣機效率也變大趨勢終止的原因。3安裝角的影響(1)隨著葉片擴壓器安裝角增大,壓氣機特性線整體向右移動,也即通流能力逐漸增加,直至和使用無葉擴壓器時堵塞流量一致。(2)葉片擴壓器在合適的安裝角范圍,隨著進口安裝角的增大,壓氣機等熵效率變大,總壓比升高,但工作裕度卻逐漸減小。過大的安裝角使得工作裕度減小的同時效率也明顯下降,而過小的安裝角由于堵塞作用,效率急劇下降的同時工作裕度也不會繼續(xù)增大。(3)葉片擴壓器在安裝角為設(shè)計安裝角17°時,具有較高的效率和較大的工作裕度,在安裝角19°)時,具有最高的效率和稍小的工作裕度。相比于有葉擴壓器,無葉擴壓器時效率較低,而且工作裕度基本與設(shè)計安裝角時持平,因此,在此處