葉片前緣載荷分布對大流量系數(shù)離心壓縮機葉輪性能的影響

王 楊/沈陽鼓風機集團股份有限公司

劉 艷/大連理工大學

葉片前緣載荷分布對大流量系數(shù)離心壓縮機葉輪性能的影響

王 楊/沈陽鼓風機集團股份有限公司

劉 艷/大連理工大學

0 引言

為了適應石化工業(yè)的需要，近幾年大流量系數(shù)（Φ1=0.14～0.18），高馬赫數(shù)（Mu2≥1）的離心壓縮機受業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，大流量系數(shù)高馬赫數(shù)壓縮機葉輪為跨音速葉輪，葉輪的進口葉片寬度相比較于傳統(tǒng)葉輪增大不少，葉片前緣葉尖處容易出現(xiàn)激波，葉輪損失較大[1]，目前國內(nèi)對大流量系數(shù)葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有成熟的經(jīng)驗，有許多問題尚待研究。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展促使離心壓縮機的設(shè)計水平快速提升，葉輪作為離心壓縮機的心臟，其設(shè)計的好壞直接關(guān)系著壓縮機性能的高低，葉輪內(nèi)部流動比較復雜，經(jīng)常伴隨著流動分離和二次流等復雜的流動現(xiàn)象，使得單從理論上分析葉輪的復雜內(nèi)部流場十分困難[2]。國內(nèi)外許多專家學者在葉輪的設(shè)計上做了大量工作使得葉輪的性能不斷提高，葉輪葉片設(shè)計過程中的重點就是葉輪的氣動設(shè)計，所以優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)、改善通道內(nèi)部流動情況、進而提高壓縮機機組穩(wěn)定性和運行效率具有重要意義，同時對我國工業(yè)的快速發(fā)展也有積極的推動作用[3]。

一些研究結(jié)果[4-6]表明，作為葉輪葉片的主要參數(shù)，葉片載荷分布決定著葉輪葉片形狀，對葉輪性能有著重大影響。葉片壓力面的壓力高于吸力面壓力，葉片載荷本文定義為葉片壓力面與吸力面的壓力差，由于葉片表面的壓力與相對速度密切相關(guān)，通過控制壓力面和吸力面的相對速度（相對馬赫數(shù)）分布即可視為對葉片表面載荷分布的調(diào)整[7]。在大流量系數(shù)離心壓縮機中，理想的葉輪葉片載荷分布形式目前還沒有統(tǒng)一的定論，葉片成型方法還在不斷地探索，所以研究載荷分布規(guī)律對葉輪設(shè)計結(jié)果影響是很有必要的。本文將圍繞大流量系數(shù)模型級（流量系數(shù)為0.172 5，Mu2=1）進行研究，通過對整級模型（葉輪，無葉擴壓器，回流器）進行數(shù)值模擬和對流場流動分析，研究葉片前緣載荷（葉片0～20%無量綱中弧線長）分布的不同型式對葉輪出口壓力，效率以及葉輪內(nèi)部流動狀況的影響規(guī)律。在設(shè)計葉輪過程中，通過數(shù)值計算結(jié)果來確定與性能匹配的離心壓縮機葉輪載荷分布形式，提供離心壓縮機葉片葉型的高效氣動性能設(shè)計方案，為今后壓縮機葉片載荷分布規(guī)律的研究提供參考。

2 葉輪設(shè)計

吳仲華先生提出兩類相對流面（S1和S2流面）理論用以簡單求解葉輪機械內(nèi)部定常的三元流動問題[8]，在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外許多專家和學者對葉輪機械三元流動理論和數(shù)值計算方法做了大量深入的研究工作，同時隨著計算機數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，這些為葉輪機械的工程設(shè)計提供了強有力的技術(shù)手段[9]。

本文使用沈鼓集團引進葉輪設(shè)計軟件對葉輪進行設(shè)計，具體設(shè)計時，給定相同設(shè)計參數(shù)（D2= 450mm,B2=40mm,Mu2=1，Φ1’=0.172 5）和初步設(shè)計得到的子午流道幾何形狀，葉片設(shè)計過程中改變?nèi)~片中弧線角度分布形式來設(shè)計不同形式的葉片，使用流函數(shù)法求解得到葉輪內(nèi)部的速度（相對馬赫數(shù)）及壓力等參數(shù)分布，主要控制葉片前緣載荷（葉片0～20%無量綱中弧線長）分布，設(shè)計了前緣載荷變化比較明顯的六組葉片：葉片前緣載荷依次從小至大為Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6如圖1所示。

圖1是設(shè)計六組葉片靠近蓋盤側(cè)的相對馬赫數(shù)分布，在葉輪型線設(shè)計時，盡量使得載荷分布光滑以保證速度分布的光滑[3]，以減少邊界層分離使葉輪內(nèi)部流動順暢，由于無法通過理論研究確定何種載荷分布最為合理，需要對六種載荷分布形式進行進一步的數(shù)值模擬分析，并具體對其流場進行流動分析，下面數(shù)值模擬分析所提葉片Z1～Z6為圖1設(shè)計的六組葉片。

3 幾何模型、計算方法及網(wǎng)格

為了能更為直觀地看出葉片載荷分布對幾何模型的影響，葉片前緣載荷依次變大（Z1～Z6），則葉片流道也變長，截取了變化較為明顯的三組葉片進行比較，從圖2中可以看出，葉片前緣載荷較小的Z1葉片較長，前緣載荷較大的Z6葉片較短，Z3介于兩者之間，葉片較長則摩擦損失相對較大，對葉輪性能相應地也會有一定的影響。

為了保證計算的完整性，計算模型級見圖3，包括葉輪（17葉片），無葉擴壓器，回流器（20葉片），計算網(wǎng)格采用可視化網(wǎng)格生成軟件Numeca/ AutoGrid分別對各部分網(wǎng)格生成。葉輪、無葉擴壓器、回流器整級模型網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格連接面采用轉(zhuǎn)子凍結(jié)法進行轉(zhuǎn)靜子連接（Rotor/Stator），交界面位置為葉輪出口1.1D2處。為保證流場結(jié)果的準確性，在關(guān)鍵區(qū)域盡量滿足網(wǎng)格的高質(zhì)量性，在盤、蓋側(cè)及葉片表面進行網(wǎng)格加密，正交性，長寬比和延展比都滿足要求，同時以保證壁面y+值≤10滿足湍流模型的要求。

本文使用CFD計算軟件Numeca求解三維非定常N-S方程組，考慮到數(shù)值模擬的完整性和準確性及轉(zhuǎn)靜子交界面的影響，所以對整級模型進行了三維定常計算。計算中采用的湍流模型是一方程Spalart-Allmaras模型，采用殘差光順方法，多重網(wǎng)格層數(shù)等于3，該例中工作介質(zhì)為空氣（理想氣體），邊界條件給定軸向進氣，進口總溫293K；進口總壓98 000Pa，出口給質(zhì)量流量10.98kg/s和出口壓力。所有轉(zhuǎn)動壁面給定轉(zhuǎn)速14 600r/min，其它壁面轉(zhuǎn)速為0，壁面處滿足無滑移條件，在Numeca/Fine軟件中進行數(shù)值模擬，計算結(jié)束后殘差滿足收斂要求。

4 計算結(jié)果分析

數(shù)值模擬可以直接、經(jīng)濟、高效地研究葉輪內(nèi)部的流場分布情況，根據(jù)前文提到的幾何模型，網(wǎng)格和計算方法對設(shè)計的六組葉片（對應圖1中六組葉片）完成了數(shù)值模擬，分別采用相同的計算域和網(wǎng)格尺度，分別對流場的流動情況做了進一步的分析，計算結(jié)果顯示設(shè)計工況下六組葉輪葉片表面流線分布比較均勻，圖5為Mu2=1時設(shè)計工況下Z3葉輪的流線分布，圖6為子午流道流線分布，其它五組葉輪與此分布類似，從圖5中可以看出葉片表面流線比較平滑沒有明顯的二次流，葉片設(shè)計的比較合理。圖6為葉輪的子午流道平均速度流線分布，圖中顯示葉輪流道流線分布均勻，沒有回流現(xiàn)象。

圖7是Mu2=1葉片Z1（葉片前緣載荷較?。┖蚙6（葉片前緣載荷較大）靠近葉片蓋盤側(cè)（0.9葉高）與軸盤側(cè)（0.1葉高處）無粘設(shè)計與有粘數(shù)值模擬（CFD）的對比，從四組圖可以看出靜壓曲線變化均勻無明顯波動，CFD模擬結(jié)果與無粘設(shè)計曲線整體趨勢是相符的，可以較好的反應出無粘設(shè)計的葉片載荷分布形式，數(shù)值模擬結(jié)果所顯示的葉片載荷分布形式與無粘設(shè)計得出的載荷分布形式能夠較好的吻合，可以通過CFD結(jié)果來調(diào)整葉片載荷分布來對葉輪進行優(yōu)化設(shè)計。

完成不同馬赫數(shù)下性能曲線，對六組葉片（對應圖1中六組葉片）計算后的流場進行對比分析，圖8和圖9是Mu2=1和Mu2=1.1時的性能曲線，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計工況時，不同葉型性能相差不大，Mu2=1時，效率最高值與最低值的葉輪相差1.3%；Mu2= 1.1效率相差了1.7%。從圖中我們可以看出葉片前緣不同的載荷分布使得壓縮機的性能曲線也有不同程度的左右偏移，Mu2=1.1時偏移的更為明顯。葉輪前緣載荷較大的葉片Z5和Z6在Mu2=1和Mu2=1.1時性能曲線右移，Mu2=1時工況范圍Φ1在（0.155，0.2）左右，同時效率和壓比會稍好于前緣較小加載葉片Z1和Z2，葉輪前緣載荷較大的葉輪（Z5，Z6）在大流量區(qū)域會獲得較好的性能，在小流量區(qū)域效率對載荷的變化非常敏感,效率下降較快，此時很容易使得葉輪工作在不穩(wěn)定工況區(qū)，引起機組性能的惡化。前緣載荷較小的葉輪Z1和Z2的整個性能曲線左移，Mu2=1時工況范圍Φ1在（0.15，0.19）左右，如圖8和9所示在較小流量下,葉片前緣采用較小的載荷,則使得葉輪的性能得到改善，可以得到較高的壓比和效率，在大流量區(qū)域葉輪很快進入阻塞區(qū)域，所以前緣載荷太大的葉輪在小流量區(qū)域或者在大流量區(qū)域前緣載荷太小的葉輪性能都比較差。相比較前緣載荷居中的Z3和Z4，從性能曲線中可以看出在設(shè)計工況點其效率不是最高的，但其工況范圍比較寬，Φ1在（0.155，0.195）內(nèi)效率都比較高，整體曲線變化比較平緩。在具體設(shè)計時要考慮綜合性能根據(jù)實際設(shè)計需要（高效率或者寬工況范圍）來確定葉片前緣的載荷分布型式。

為了清晰的區(qū)別葉輪內(nèi)部的流場分布，下面選擇載荷變化比較明顯的葉輪Z1（葉片前緣載荷較?。?、Z3（葉片前緣載荷居中）、Z6（葉片前緣載荷較大）的流場做了對比分析，圖10是Mu2=1時，Z1，Z3，Z6葉片靠近軸盤側(cè)（0.1葉高處）和蓋盤側(cè)（0.9葉高處）在設(shè)計工況下相對馬赫數(shù)曲線分布，CFD計算結(jié)果與前面圖1所示的無粘設(shè)計結(jié)果能夠吻合，Z1，Z3，Z6葉片的前緣載荷也是逐漸增大的，曲線整體變化趨勢比較平緩。觀察三組葉片0.1葉高處相對馬赫數(shù)分布，曲線沿流動方向分布是比較均勻的，觀察曲線在葉片出口處接近葉片尾端處相對馬赫數(shù)線有小范圍的交叉，說明此處有小范圍的流動分離，因為比較靠后損失比較小，沿流線方向壓力面吸力面相對馬赫數(shù)差整體上變化比較小，流場質(zhì)量略好。分析圖10b中靠近葉片蓋盤側(cè)（0.9葉高處）的相對馬赫數(shù)分布曲線圖，Z1葉片在60%葉片弦長處，壓力面和吸力面相對馬赫數(shù)差較大，葉片表面附近的相對馬赫數(shù)差發(fā)生了劇烈變化，相對馬赫數(shù)線出現(xiàn)了交叉，說明此處有流動分離，對整級流場的流動是很不利的，而Z3和Z6葉片表面附近的相對馬赫數(shù)曲線變化依然很均勻，沒有出現(xiàn)類似的劇烈波動，此時葉片Z3和Z6的效率高于葉片Z1。

下圖11和圖12是Mu2=1和Mu2=1.1時設(shè)計工況下葉片內(nèi)部靠近蓋盤側(cè)0.9葉高處相對馬赫數(shù)分布，從圖中可以看出Z1葉片流道內(nèi)沿流動方向出口靠近吸力面?zhèn)榷即嬖诘退賲^(qū)，在葉片的中后段有明顯的分離，分離區(qū)域也比較大，幾乎占到了該截面單個葉片流道面積的三分之一，這種分離對整個流場的流動是極其不利的；而葉輪Z3和Z6流場分布比較均勻，靠近葉片出口段有小范圍的低速區(qū)，流線比較光滑沒有在葉片流道內(nèi)部形成大面積旋渦流動區(qū)域，流場質(zhì)量略好，所以在設(shè)計工況下Z1葉輪的性能比較差一些。同時我們發(fā)現(xiàn)對于高馬赫數(shù)大流量系數(shù)下的葉輪進口前緣是有小范圍激波存在的，葉片前緣載荷較小的葉片Z1流場不是很好，但是這樣的加載方式有助于消除葉片進口前緣的激波，從圖中可以看出在Mu2=1時，Z6葉片前緣有很小一部分激波存在，葉片Z1和Z3幾乎沒有，而在Mu2=1.1時，Z6葉片進口處有明顯的激波存在，所以在具體設(shè)計葉輪時，尤其在大流量系數(shù)高馬赫數(shù)時，雖然此時Z6（前緣載荷較大）葉片的效率和壓比較高，但并不是前緣載荷越大越好，葉片的幾何參數(shù)對葉輪性能也有很大的影響[10]，要考慮激波等的影響來選擇葉片前緣載荷的分布形式。

葉輪出口流場的好壞不僅決定著葉輪自身性能的高低，對葉輪下游部件（擴壓器，回流器等）的氣動性能也有極大的影響。分析葉片出口230mm處流動情況，圖13為Mu2=1不同流量系數(shù)下，葉片Z1，Z3，Z6子午速度分布，圖13a為設(shè)計工況下流量系數(shù)Φ1=0.172 5子午速度分布，從左至右為軸盤至蓋盤分布，圖中Z3,Z6的分布趨勢變化不是很明顯，靠近葉片蓋盤出口處，速度有小范圍下降，Z1子午速度大于Z3和Z6，但子午速度差△Vm變化不明顯。在小流量系數(shù)工況點Φ1=0.155（圖13b），Z1和Z3分布比較好，而Z6速度變化比較劇烈，出口流場分布不均勻，子午速度差較大，△Vm在75m/s左右，進一步說明了在小流量區(qū)域葉片前緣選擇較大的載荷形式不能得到性能較好的葉輪，對流動產(chǎn)生了不利的影響。而在大流量Φ1=0.19如圖13c所示，Z1（前緣載荷較?。┤~輪出口的流場較差，損失也比較大，子午速度差△Vm在90m/s左右，性能曲線顯示此時的葉輪性能較差，壓比和效率都比較低。

5 結(jié)論

本文針對高馬赫數(shù)大流量系數(shù)壓縮機葉輪，葉片前緣載荷（葉片0～20%無量綱中弧線長）依次從小至大Z1～Z6，設(shè)計了六個不同形式的葉片，數(shù)值模擬結(jié)果可以很好地反應設(shè)計葉片的載荷分布形式和其流場特征，可以通過數(shù)值結(jié)果適當?shù)卣{(diào)節(jié)葉片前緣的載荷分布形式以獲得高效葉輪。

1）在葉輪無粘設(shè)計時，除了保證氣動參數(shù)的合理性，還應盡量使載荷分布曲線（相對馬赫數(shù)分布曲線）光滑平緩，減少流動損失以設(shè)計得到高效葉輪。

2）前緣載荷較大的葉片在設(shè)計點效率較高，整個性能曲線右移，在大流量區(qū)域具有較高的壓比和效率，而在小流量工況區(qū)域效率下降較快；葉片前緣采用較小的載荷,整個性能曲線左移，在小流量區(qū)域,葉輪性能得到改善。葉片前緣載荷居中時，葉輪工況范圍較大，與前兩者相比較在大流量和小流量工況點都有較好的葉輪性能，因此在進行葉輪的氣動設(shè)計時，需要關(guān)注的不僅是某一方面（效率或?qū)捁r范圍）的優(yōu)劣，需要合理取舍來選擇較優(yōu)的載荷分布形式。

3）通過對Z1，Z3，Z6三組葉片具體的流場的分析，無論是何種載荷分布形式的葉片，三組葉片在靠近輪蓋的吸力面?zhèn)瘸隹谖恢酶浇橇鲃淤|(zhì)量最差的區(qū)域，對于Z1（葉片前緣載荷較?。┤~片，在葉片通道內(nèi)形成了一個強度較大的通道旋渦，并由此引起流動分離，影響了葉輪的性能。

[1]許敏，孫洋，趙強.離心壓縮機大流量系數(shù)模型級輪外徑切削的試驗研究[J].風機技術(shù),2008（5）：20-22，29.

[2]徐忠.離心壓縮機原理[M].機械工業(yè)出版社,1990.

[3]吳達人，陳勝利.離心泵葉輪的載荷分布和性能關(guān)系的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，1988（6）：58-65.

[4]張維寧.可調(diào)進口導葉離心壓縮機葉輪載荷的數(shù)值分析[D].華北電力大學，2012.

[5]岳國強,黃洪雁，韓萬金，等.載荷分布對葉柵損失影響的試驗研究[J].航空發(fā)動機，2005，30（4）：28-31.

[6]章成力.對離心式葉輪內(nèi)的相對速度分布的探討[J].杭氧科技, 2000（2）：10-13.

[7]馬廣建.基于控制載荷法的離心風機單板葉片設(shè)計與內(nèi)部流場分析[D].上海交通大學，2011.

[8]曹志鵬.離心壓氣機氣動設(shè)計和分析方法的研究[D].西北工業(yè)大學，2003.

[9]楊策,馬朝臣，王航，等.離心壓氣機葉輪設(shè)計方法研究進展[J].內(nèi)燃機工程,2002（2）54-59.

[10]朱營康，曹琦，姚承范.離心壓縮機葉片載荷分析[J].航空學報，1989（5）：297-299.

：本文主要針對大流量系數(shù)模型級的葉輪葉片載荷分布進行研究，通過改變?nèi)~片前緣載荷（葉片0～20%無量綱中弧線長）分布來設(shè)計不同形式葉輪，并進行了數(shù)值模擬分析，通過對流場的分析和性能曲線的對比，研究葉片前緣載荷對葉輪性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)不同的載荷分布形式使得壓縮機的性能曲線也有不同程度的左右偏移，葉輪內(nèi)部流場也有較大差別，分析結(jié)果可為大流量系數(shù)模型級葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與性能提高提供理論依據(jù),同時為大流量系數(shù)壓縮機的開發(fā)提供參考。

葉片載荷分布；大流量系數(shù)葉輪；數(shù)值模擬

Effects of Leading Edge Blade Loading Distribution on the Performance of Large Flow Coefficient Centrifuga l Comp ressor Impellers

Wang Yang/Shenyang Blower Works Group Corporation
Liu Yan/Dalian University of Technology

blade load distribution;large flow coefficientimpeller;numericalsimulation

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）06-0027-07

10.16492/j.fjjs.2016.06.0083

2016-04-20遼寧大連116041

Abstract:This paper mainly focuses on the studies of leading edge impeller blade loading distribution in large flow coefficient compressor.Different types of impellers were designed by changing leading edge blade load distribution.Numerical simulations were performed to compare and analyze the flow fields and the compressor performance curve. The study finds that different leading edge blade load distributions lead to different degreesof deviation in the performance curve, i.e.,abigdifference in impeller flow fields.The analysis providesa theory basis for the impeller optimization design and the performance improvement;it also offers a reference to the development of the large flow coefficient centrifugalcompressor.