三元葉片型面造型對離心壓縮機(jī)葉輪氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究

孫曄晨,田玉寶,2,席光,王志恒,趙會(huì)晶,樊宏周

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司,710075,西安)

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三元葉片型面造型對離心壓縮機(jī)葉輪氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究

孫曄晨1,田玉寶1,2,席光1,王志恒1,趙會(huì)晶1,樊宏周1

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司,710075,西安)

以某一離心壓縮機(jī)中的任意曲面葉輪為研究對象,將其“直紋面化”以降低制造成本,同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),直紋面化處理后任意空間曲面三元葉輪的氣動(dòng)性能下降。為了提升直紋面葉輪的氣動(dòng)性能,通過設(shè)計(jì)8+1套改型設(shè)計(jì)方案、調(diào)整葉片型線控制點(diǎn)、改變?nèi)~片前緣及尾緣坐標(biāo),并借助流體計(jì)算軟件Numeca進(jìn)行了數(shù)值模擬,由此求得了性能曲線及內(nèi)部流場。結(jié)果顯示:當(dāng)直紋面葉輪葉片進(jìn)口安裝角擴(kuò)大時(shí),氣動(dòng)性能明顯下降,反之亦然;當(dāng)直紋面葉輪葉片出口安裝角擴(kuò)大時(shí),壓比的提升較為明顯,葉片出口安裝角縮小時(shí),效率的改善更為顯著;綜合改進(jìn)葉片前緣與尾緣的型線,可使直紋面葉輪的氣動(dòng)性能顯著提高。研究表明,直紋面葉輪氣動(dòng)性能對葉片型線變化非常敏感,通過適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)型線可以有效提升直紋面葉輪的氣動(dòng)性能,使之不低于原任意曲面葉輪的氣動(dòng)性能。

三元葉片;任意曲面葉片;直紋面葉片

離心壓縮機(jī)是空分系統(tǒng)中的核心設(shè)備,而葉輪是離心壓縮機(jī)中功能轉(zhuǎn)化的核心部件,葉輪葉片型面的構(gòu)型對整個(gè)機(jī)組的氣動(dòng)性能及制造成本將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。20世紀(jì)50年代吳仲華提出了三元流動(dòng)的普遍理論,之后運(yùn)用該理論設(shè)計(jì)的三元離心葉輪以其優(yōu)越的氣動(dòng)性能逐漸成為設(shè)計(jì)主流。在透平壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中采用“三元葉片”的先進(jìn)技術(shù)可以使壓縮機(jī)效率顯著提升。在葉輪的整體銑削加工技術(shù)中,對于采用任意空間曲面造型的葉輪,需要采用點(diǎn)銑加工技術(shù),然而點(diǎn)銑加工時(shí)間較長,制造成本高,由此限制了任意曲面葉片葉輪的工程應(yīng)用[1-3]。側(cè)銑技術(shù)可以改善點(diǎn)銑技術(shù)的諸多不足,但是目前的CAM商用軟件僅能針對直紋面進(jìn)行側(cè)銑,而針對任意曲面葉輪仍然采用點(diǎn)銑技術(shù)[3-5]。因而,任意曲面葉片與直紋面葉片之間的轉(zhuǎn)化問題逐步成為近年來工程界的熱點(diǎn)問題,文獻(xiàn)[3-7]均對這一類型面轉(zhuǎn)化方法進(jìn)行過研究。直紋面葉片葉輪的結(jié)構(gòu)簡單,數(shù)據(jù)量小,數(shù)控加工制造成本低,但是把任意曲面葉片改造成直紋面葉片之后,氣動(dòng)性能將如何改變,對于這一問題,目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中尚未見研究報(bào)道。

本文以某一任意曲面三元離心葉輪為對象,研究了采用任意曲面及直紋面造型葉片的氣動(dòng)性能,并通過對直紋面葉輪的葉片型線進(jìn)行改進(jìn),使采用直紋面葉片型面造型的葉輪的氣動(dòng)性能不下降,從而獲得兼顧氣動(dòng)性能及加工成本兩種需求的高性能三元葉輪。

1 某三元離心葉輪的數(shù)值計(jì)算

本文的研究對象為某一帶分流葉片的三元離心葉輪,葉片總數(shù)為24,其中主葉片數(shù)為12,分流葉片數(shù)為12,葉輪直徑為1.652 m。計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)口延伸段、葉輪葉片及無葉擴(kuò)壓器。主葉片與分流葉片沿展向均有9條型線,用于葉片的幾何描述。無葉擴(kuò)壓器為收斂型,這類無葉擴(kuò)壓器相比直壁型和擴(kuò)張型有更高的效率,不易發(fā)生流動(dòng)分離,可最大程度地減小無葉擴(kuò)壓器引起的離心葉輪流場的計(jì)算誤差[8]。

離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況流量為226.81 kg/s,進(jìn)口總壓為325 300 Pa,進(jìn)口總溫為313.15 K,轉(zhuǎn)速為3 969 r/min,工質(zhì)為空氣。

對任意曲面葉片的離心葉輪,可進(jìn)行“直紋面化”改造,具體方法為:沿葉高方向刪去除葉根型線與葉頂型線以外的其他數(shù)據(jù)點(diǎn),直接連接葉根與葉頂型線上對應(yīng)的各點(diǎn),生成直紋面。改造后的葉輪葉片與原任意曲面葉輪葉片對照圖如圖1所示。

(a)任意曲面葉片 (b)直紋面葉片圖1 任意曲面葉輪與直紋面葉輪對比

幾何構(gòu)型與網(wǎng)格劃分采用Numeca/AutoGrid 5進(jìn)行,模擬計(jì)算采用Numeca/Fine Turbo,空間離散采用中心差分格式,數(shù)學(xué)模型為湍流N-S方程,湍流模型選取Spalart-Allmaras模型,該模型具有求解量小、收斂速度快、計(jì)算準(zhǔn)確度高[9]等諸多優(yōu)點(diǎn),在工程實(shí)踐中基本可以滿足計(jì)算需求。

計(jì)算網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,壁面附近邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,以確保y+不大于10.0。根據(jù)單流道網(wǎng)格數(shù)量,本文設(shè)計(jì)了4套方案,網(wǎng)格數(shù)分別為128 450、240 992、369 400、487 608,經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,選擇網(wǎng)格數(shù)為369 400進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

進(jìn)口邊界條件為給定總溫、總壓、流動(dòng)方向;出口邊界條件為給定質(zhì)量流量,在近阻塞工況下給定出口靜壓;壁面邊界條件為絕熱、無滑移。經(jīng)過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算繪制的性能曲線如圖2所示。為便于比較,采用無因次流量系數(shù)表示流量變化,該參數(shù)定義為某一工況下質(zhì)量流量與設(shè)計(jì)工況下質(zhì)量流量之比。文中壓比均為總壓比,效率為等熵效率。

(a)壓比曲線 (b)效率曲線圖2 任意曲面葉輪與直紋面葉輪性能曲線

相比任意曲面葉輪,直紋面葉輪的壓比和效率均明顯下降,設(shè)計(jì)工況處壓比下降3.78%,效率下降2.21%。雖然壓比與效率有所下降,但直紋面葉輪的穩(wěn)定工作范圍卻比任意曲面葉輪有所拓展,阻塞工況點(diǎn)右移,流量增大4.62%。如果能在保持直紋面葉片的基礎(chǔ)之上,通過調(diào)整葉片型線來提升壓比和效率,同時(shí)保持一定的擴(kuò)穩(wěn)裕度,便可充分利用直紋面葉片的諸多優(yōu)勢且規(guī)避其缺陷。

2 改型方案描述

實(shí)際離心壓縮機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)為黏性三維流動(dòng),流道扭曲、復(fù)雜,任何幾何參數(shù)的變化都可能對壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響[10-13]。

本文通過調(diào)整葉片安裝角及葉片型線,對某一離心壓縮機(jī)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。由于葉片安裝角沿葉高方向存在差異,吸力面與壓力面的角度也有所不同。為保證研究的準(zhǔn)確性和有代表性,對改型方案中葉片安裝角定義如下:選取50%葉高位置作為葉片吸力面與壓力面的中分線,該線與葉輪進(jìn)口圓周的夾角為進(jìn)口安裝角,與葉輪出口圓周的夾角為出口安裝角。按照上述定義,原直紋面葉輪的進(jìn)口安裝角為23.37°,出口安裝角為43.08°。

Hildebrandt等以葉片出口安裝角及葉片出口寬度為變量,分析了改型設(shè)計(jì)的某離心葉輪的氣動(dòng)性能[14],但其數(shù)據(jù)中未涉及葉片進(jìn)口安裝角的變化,且出口安裝角只有兩組對比數(shù)據(jù)。本文的改型分為兩大類,每一類有4個(gè)方案,即對葉片進(jìn)口/出口安裝角進(jìn)行調(diào)整的同時(shí)改變前緣/尾緣附近的葉片型線,改型原則為保證整個(gè)型線的光順平滑。根據(jù)型線調(diào)整區(qū)域,根據(jù)安裝角調(diào)整方向和大小。每一條葉片型線由葉片進(jìn)口至出口共有13個(gè)控制點(diǎn)來確定。改型設(shè)計(jì)時(shí),如果調(diào)整前緣,則需調(diào)整從葉片進(jìn)口開始的前6個(gè)控制點(diǎn);如果調(diào)整尾緣型線,則調(diào)整靠近葉片出口的后6個(gè)控制點(diǎn)。改型方案如表1所示。改型方案與原直紋面葉輪性能曲線如圖3所示。

以方案1為例,葉片進(jìn)口安裝角為+3°,依次調(diào)整控制點(diǎn)2～6,使調(diào)整后的曲線在控制點(diǎn)1處(即葉片進(jìn)口處)的切線與原曲線在控制點(diǎn)1處的切線的夾角為+3°,以保證控制點(diǎn)2的唯一性,控制點(diǎn)3～6則依據(jù)確保整條曲線保持光順平滑的原則進(jìn)行順序調(diào)整,控制點(diǎn)7～13不變。

方案1～4對進(jìn)口安裝角及葉片前緣型線進(jìn)行了調(diào)整。進(jìn)口安裝角的減小可以顯著改善葉輪的氣動(dòng)性能,提升壓比和效率。反之,葉片進(jìn)口安裝角的增大會(huì)惡化氣動(dòng)性能。在可調(diào)范圍內(nèi),進(jìn)口安裝角越小,對改善直紋面葉輪的氣動(dòng)性能越有利。其中,方案4為調(diào)整葉片進(jìn)口安裝角的最佳方案,該方案使得原直紋面葉輪的壓比提升了2.12%,效率提升了1.99%。

表1 某一離心壓縮機(jī)改型設(shè)計(jì)方案

方案5～8對出口安裝角及葉片后緣型線進(jìn)行了調(diào)整。除方案6以外,其他方案的效率均有所提升,表明出口安裝角存在某一最優(yōu)值,超過該值效率下降。隨著出口安裝角的不斷增大,葉輪做功能力逐步增強(qiáng),壓比不斷提升。

方案6雖然葉輪壓比較高,但效率相比原直紋面葉輪有所降低。綜合而言,方案5為調(diào)整葉片出口安裝角的最佳方案,該方案使得原直紋面葉輪的壓比提升了0.14%,效率提升了0.40%。為方便比較,表2中列出方案1～8在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)的壓比和效率,并將各改型方案與任意曲面葉輪、原直紋面葉輪的氣動(dòng)性能進(jìn)行了對比。

調(diào)整之后較優(yōu)的改型方案為方案4和方案5,方案4的氣動(dòng)性能與任意曲面葉輪相比已經(jīng)十分接近。在調(diào)整的絕對值上,葉輪的氣動(dòng)性能對進(jìn)口安裝角的變化更為敏感,但考慮到葉輪進(jìn)口安裝角比出口安裝角小,為了進(jìn)一步比較進(jìn)、出口安裝角對葉輪性能的影響,還需要考察角度變化的相對值。為此,選取較優(yōu)的方案4和方案5并定義:壓比每百分點(diǎn)提升值表示角度每變化1°所引起的壓比的相對提升值;效率每百分點(diǎn)提升值表示角度每變化1°所引起的效率的相對提升值。角度變化與性能提升的相對值比較如表3所示。

為進(jìn)一步提升直紋面葉輪的氣動(dòng)性能,結(jié)合方案4、 5進(jìn)行了綜合改型,如圖4所示。綜合改型方案的氣動(dòng)性能比方案4、5均有所提升,設(shè)計(jì)流量點(diǎn)處壓比為1.793 5,效率為88.07%,相對任意曲面葉輪分別提高了0.15%與0.24%。可見,無論是壓比還是效率,綜合改型方案在失速流量附近、設(shè)計(jì)流量點(diǎn)右側(cè)均不低于任意曲面葉輪,而且具有相同的失速流量,但阻塞流量從253.33 kg/s增加至269.44 kg/s,提升了6.36%。

(a)方案1～4壓比性能曲線

(b)方案1～4效率性能曲線

(c)方案5～8壓比性能曲線

(d)方案5～8效率性能曲線

方案編號壓比效率/%11.682283.9221.670983.2231.773587.2241.784987.5551.750386.1861.778785.6771.739986.5081.738185.94任意曲面葉輪1.790987.86原直紋面葉輪1.747885.84

表3 角度變化與性能提升的相對值比較

3 改型方案的內(nèi)部流動(dòng)分析

觀察顯示:在靠近葉根(10%葉高)、中間葉高(50%葉高)位置,各改型設(shè)計(jì)方案的流動(dòng)組織均無較大差異;在靠近葉頂(90%葉高)處,各方案的流動(dòng)出現(xiàn)顯著差異,這一結(jié)論與對離心壓縮機(jī)進(jìn)行機(jī)匣處理后的流場變化十分類似,部分機(jī)匣處理的影響區(qū)域也主要集中于葉頂部分[15]。

設(shè)計(jì)工況下,選取幾個(gè)差異明顯的改型方案與任意曲面葉輪、原直紋面葉輪進(jìn)行了對比,相對速度分布如圖5、6所示。可以發(fā)現(xiàn),直紋面葉輪的內(nèi)部流場與任意曲面葉輪有明顯區(qū)別:任意曲面葉輪的主葉片前緣吸力面?zhèn)却嬖诘湍芰黧w區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)相對速度較低,且方向混亂;直紋面葉輪中該區(qū)域范圍顯著拓展,從主葉片前緣延伸至分流葉片進(jìn)口處壓力面?zhèn)取?/p>

(a)綜合改型方案壓比性能曲線

(b)綜合改型方案效率性能曲線圖4 綜合改型方案的性能曲線

圖5 任意曲面葉輪相對速度矢量分布

圖6 直紋面葉輪相對速度矢量分布

相比任意曲面葉輪,低能流體區(qū)域的蔓延是導(dǎo)致直紋面葉輪壓比降低、效率下滑的重要原因之一。在綜合改型方案中,圖7相比圖6,低能流體區(qū)域面積的減小則有助于效率提升。

圖7 綜合改型方案相對速度矢量分布

為進(jìn)一步觀察改型方案,本文挑選了幾個(gè)特征明顯的改型方案進(jìn)行了分析:調(diào)整前緣時(shí),方案1主葉片前緣氣流角的增加導(dǎo)致附近的回流現(xiàn)象進(jìn)一步加劇,低能流體持續(xù)蔓延至分流葉片的吸力面?zhèn)?方案1所對應(yīng)的葉輪氣動(dòng)性能欠佳,甚至不如原直紋面葉輪,見圖8;方案3中低能流體得到遏制,其氣動(dòng)性能相比原直紋面葉輪有所提升,見圖9;調(diào)整葉片后緣時(shí),方案7的低能流體區(qū)面積進(jìn)一步減小,見圖10;方案5～8效率最高。

圖8 方案1相對速度矢量分布

圖9 方案3相對速度矢量分布

圖10 方案7相對速度矢量分布

進(jìn)口處,葉片較高,直紋面葉片進(jìn)口面積顯著增大;出口處,任意曲面葉片沿葉高方向型線幾乎為直線,改造為直紋面葉片后葉輪流道出口面積增大不明顯。此外,任意曲面葉片改造成直紋面后,阻塞流量增大,這與流道喉部面積增大有關(guān)。流道喉部面積變化如表4所示。

表4 流道進(jìn)、出口面積的變化

4 結(jié) 論

將任意曲面葉輪改造為直紋面葉輪后,氣動(dòng)性能有所下降,但由于流道面積增大,阻塞流量提升,所以穩(wěn)定工況的范圍可以拓展,且損失的氣動(dòng)性能可以通過型線調(diào)整得以提升。

直紋面葉輪對葉片前緣和尾緣的型線變化均非常敏感,即小角度形變會(huì)引發(fā)壓力與效率的大幅波動(dòng)。本文離心葉輪,相對葉片前緣而言,增大進(jìn)口安裝角會(huì)惡化流動(dòng),減小進(jìn)口安裝角會(huì)改善流動(dòng),壓比與效率均有所提升;相對葉片尾緣而言,增大出口安裝角會(huì)提升葉輪做功的能力,壓比隨之升高,而減小出口安裝角則可以提升效率,這一結(jié)論與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)論一致,但這種對應(yīng)關(guān)系可能存在最優(yōu)值,即出口安裝角減小到一定程度時(shí)反而導(dǎo)致效率降低,不同的葉輪及不同的工作狀態(tài),這一最優(yōu)值存在差異。

型線調(diào)整法可以顯著改變直紋面葉輪的氣動(dòng)性能,適當(dāng)?shù)恼{(diào)整可以使之不低于任意曲面葉輪的性能,同時(shí)達(dá)到拓展穩(wěn)定工況范圍的目的。

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(編輯 苗凌)

Numerical Research on Effect of 3-D Blade Surface Profiles on Aerodynamic Performance of Centrifugal Compressor Impellers

SUN Yechen1,TIAN Yubao1,2,XI Guang1,WANG Zhiheng1,ZHAO Huijing1,FAN Hongzhou1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Xi’an Shaangu Power Co., Ltd., Xi’an 710075, China)

A centrifugal compressor impeller with arbitrary curved surface is analyzed. The surface is transformed into ruled surface for the purpose of reducing manufacture costs, however the transformation leads to a worse aerodynamic performance. To improve the performance of impeller with ruled surface, 8+1 sets of schemes are designed by changing control points of shape lines of leading edge and/or trailing edge, and the internal flow field and performance curves are evaluated by commercial CFD software Numeca. The aerodynamic performance worsens when the inlet blade angle increases and vice versa. The pressure ratio rises more considerably as the outlet blade angle increases, while the efficiency is improved more obviously as the outlet blade angle decreases. The integrated method combines the results from the changing of both leading and trailing edges to effectively enhance the aerodynamic performance. This approach indicates that the impeller with ruled surface is very sensitive to the modification of shape lines, and the aerodynamic performance of the appropriately modified impeller with ruled surface can be comparable with that of impeller with arbitrary curved surface.

3-D blade; blade with arbitrary curved surface; blade with ruled surface

2015-01-06。

孫曄晨(1991-),男,碩士生;席光(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51236006)。

時(shí)間:2015-08-13

10.7652/xjtuxb201511022

O354.1

A

0253-987X(2015)11-0135-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150813.1015.008.html