某工業(yè)軸流壓縮機(jī)進(jìn)氣蝸殼數(shù)值研究

秦華魂

（北重阿爾斯通電氣裝備有限公司，北京 100040）

0 引 言

進(jìn)氣蝸殼是工業(yè)用軸流壓縮機(jī)的重要組成結(jié)構(gòu)。正是由于徑向蝸殼的形式，使得工業(yè)壓縮機(jī)的占地空間更小，在廠房布置上，具有很大的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)壓縮機(jī)的進(jìn)氣蝸殼實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)進(jìn)氣的徑向至軸向的轉(zhuǎn)換，但同時(shí)也帶來一些不利影響，當(dāng)進(jìn)行進(jìn)氣蝸殼設(shè)計(jì)時(shí)過多考慮部套布置及空間結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使蝸殼不在最佳的氣動(dòng)性能下工作，徑向進(jìn)氣會(huì)使壓縮機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)發(fā)生畸變，使進(jìn)口的速度、壓力氣流角等在周向上有很大的不均勻度，從而影響壓縮機(jī)運(yùn)行狀況及性能曲線［1］。

本文以某工業(yè)軸流壓縮機(jī)的進(jìn)氣蝸殼為研究對(duì)象，通過改變其進(jìn)口形狀和增加導(dǎo)流肋板以使進(jìn)氣蝸殼內(nèi)流場(chǎng)變得均勻。為驗(yàn)證所改型設(shè)計(jì)的實(shí)際影響，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，以分析其內(nèi)部流動(dòng)特性，驗(yàn)證改型后的壓縮機(jī)進(jìn)氣蝸殼的氣動(dòng)性能。

1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

本文的數(shù)值研究對(duì)象為某工業(yè)軸流壓縮機(jī)的進(jìn)氣蝸殼，圖1 所示為該進(jìn)氣蝸殼結(jié)構(gòu)的二維回轉(zhuǎn)截面及三維實(shí)體造型。本文計(jì)算模型將進(jìn)氣蝸殼原始的圓形進(jìn)口段改為矩形進(jìn)口段，并在進(jìn)口位置增加導(dǎo)流肋板。

網(wǎng)格劃分采用ICEM 進(jìn)行，由于進(jìn)氣蝸殼結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在蝸殼壁面位置進(jìn)行加密，網(wǎng)格具有很好的正交性。

數(shù)值計(jì)算采用CFX 軟件，其中湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的kε 模型，壁面為無滑移的絕熱固壁。監(jiān)測(cè)進(jìn)出口位置的質(zhì)量流量，當(dāng)進(jìn)出口質(zhì)量流量相差小于0.1%時(shí)，確認(rèn)計(jì)算收斂。

2 結(jié)果與分析

2.1 性能指標(biāo)分析

進(jìn)氣蝸殼的設(shè)計(jì)需盡可能滿足壓縮機(jī)進(jìn)口的流場(chǎng)均勻性，并確保蝸殼壓力損失最小。因此，衡量進(jìn)氣蝸殼氣動(dòng)性能的主要指標(biāo)包括蝸殼的總壓力損失和速度不均勻度，總壓力損失和速度不均勻度越小，進(jìn)氣蝸殼的氣動(dòng)性能越好［2-4］。

總壓力損失定義為

式中，Pin為蝸殼部分的進(jìn)口總壓力；Pout為蝸殼部分的出口總壓力。

速度不均勻度定義為

圖1 進(jìn)氣蝸殼的二維回轉(zhuǎn)截面及三維實(shí)體模型

式中，vi為截面上計(jì)算單元的軸向參數(shù)，為截面上的設(shè)計(jì)平均參數(shù)。

根據(jù)軸流壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)來給定數(shù)值模擬的邊界條件，經(jīng)數(shù)值計(jì)算，得到如表1 所示的性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。進(jìn)氣蝸殼的總壓力損失為2.5%，壓縮機(jī)進(jìn)口的速度不均勻度為6.93%。通過與工業(yè)用軸流壓縮機(jī)的使用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文所進(jìn)行的針對(duì)進(jìn)氣蝸殼的改型設(shè)計(jì)所帶來的氣動(dòng)性能影響更佳。這是因?yàn)檫M(jìn)口位置所增加的導(dǎo)流肋板使得進(jìn)口的氣流更加均勻。

表1 進(jìn)氣蝸殼性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

圖2 進(jìn)氣蝸殼整體流線分布

2.2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖2 所示為進(jìn)氣蝸殼的總體流線分布情況。從圖中可以看出，盡管在距進(jìn)口較遠(yuǎn)的蝸殼內(nèi)部有對(duì)稱漩渦產(chǎn)生，但范圍很小，主要集中于導(dǎo)流肋板缺口的附近，這是由于增加導(dǎo)流肋板所引起的蝸殼內(nèi)漩渦尺寸減小。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)某工業(yè)軸流壓縮機(jī)的進(jìn)氣蝸殼進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了所進(jìn)行的改型設(shè)計(jì)能夠改善進(jìn)氣蝸殼內(nèi)的流場(chǎng)分布情況，其總壓損失和速度不均勻度均較低，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

［1］ 劉希賢.工業(yè)性燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)若干問題綜述［R］.航空部四院，1983.

［2］ 周兵，陳乃祥.雙蝸殼內(nèi)部定常湍流數(shù)值研究［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19（2）：12.

［3］ 吳克啟，黃堅(jiān).風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部旋渦流動(dòng)的數(shù)值分析［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2001，22（3）：316-319.

［4］ 曹樹良，許國，吳玉林.水輪機(jī)蝸殼和固定導(dǎo)葉內(nèi)部三維紊流流場(chǎng)數(shù)值研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，1998，19（5）：586-589.