預(yù)旋整流柵對(duì)90°彎管流動(dòng)均勻性及離心壓縮機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

盧傅安 孫玉瑩 李 云 伊洪麗 周 慧 孫 博

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

預(yù)旋整流柵對(duì)90°彎管流動(dòng)均勻性及離心壓縮機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

盧傅安 孫玉瑩 李 云 伊洪麗 周 慧 孫 博

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

本文在離心壓縮機(jī)進(jìn)口前加旋繞式整流柵，通過PIV可視化試驗(yàn)，研究預(yù)旋整流柵對(duì)90°彎管出口流道及離心壓縮機(jī)性能影響。結(jié)果表明：在90°彎管前安裝旋繞式整流柵能有效改善彎管后流動(dòng)的均勻性。當(dāng)離心壓縮機(jī)運(yùn)行在較小馬赫數(shù)下，安裝整流柵時(shí)，離心壓縮機(jī)效率基本保持不變或者略有降低。當(dāng)離心壓縮機(jī)運(yùn)行在較大馬赫數(shù)下，安裝有右旋整流柵時(shí)，離心壓縮機(jī)的效率得到提高；安裝左旋整流柵時(shí)，離心壓縮機(jī)效率略有提高同時(shí)和壓比得到較大幅度的提高。

離心壓縮機(jī)；90°彎管；整流柵；性能；流動(dòng)均勻性

0 引言

90°彎管廣泛應(yīng)用于透平機(jī)械的各種機(jī)組中，90°彎管內(nèi)部的流動(dòng)和直管中的流動(dòng)現(xiàn)象大不相同，大量的學(xué)者對(duì)90°彎管內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行了研究。Humphrey[1]采用laser-Doppler熱線風(fēng)速儀對(duì)90°矩形截面彎管內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。尚虹等人[2]采用CTA熱線風(fēng)速儀和五孔探針對(duì)90°圓截面彎管內(nèi)三維紊流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)的能量損失主要發(fā)生在彎管內(nèi)側(cè)壁附近。謝龍等人[3]對(duì)90°圓形彎管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行PIV測(cè)量及POD分析發(fā)現(xiàn)，消除或減弱外側(cè)壁面附近的大尺度渦結(jié)構(gòu)將有利于流體輸運(yùn)平穩(wěn)性能在整體上的提高。江山等人[4]采用RNG k-ε湍流模型對(duì)90°彎管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明RNG k-ε湍流模型對(duì)具有二次流的湍流流動(dòng)具有較好的模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。樊洪明[5]等對(duì)方形截面彎管進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)考察二次流的變化，流體流經(jīng)彎道時(shí)，貼附壁面形成2個(gè)對(duì)稱的渦流區(qū)。丁玨等[6]同樣采用RNG k-ε湍流模型對(duì)90°彎管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并研究了來流方向?qū)?0°彎管內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性的影響。發(fā)現(xiàn)來流攻角逐漸增大時(shí)，90°彎管橫截面的二次流從兩個(gè)對(duì)稱主渦變成只有一個(gè)主渦。溫良英[7]等對(duì)彎管內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行了模擬計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)彎管截面內(nèi)壓力分布不均勻，壓力與離心力相互平衡，與速度相關(guān)聯(lián)。李杰等人[8]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試的方法研究了彎管內(nèi)部的流動(dòng)的非均勻性，發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)部的速度分布不均勻。他們采用了一種整流裝置改善了彎管后的流動(dòng)。

目前，離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)方法主要有效率法、流道法和?；ㄈN。世界上主流的壓縮機(jī)廠商均采用?；ㄟM(jìn)行設(shè)計(jì)。?；ǖ幕A(chǔ)是高效率的模型級(jí)。一般來說模型級(jí)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)均假設(shè)模型級(jí)進(jìn)氣流動(dòng)是均勻的。而許多的離心壓縮機(jī)組由于受安裝空間的限制，進(jìn)氣管道一般包含1個(gè)、2個(gè)甚至多個(gè)90°彎頭。氣體流過這些彎頭時(shí)容易產(chǎn)生流動(dòng)分離。而流動(dòng)的分離通常會(huì)引起管道的振動(dòng)，使得管路系統(tǒng)產(chǎn)生很大的噪聲。同時(shí)流動(dòng)的分離還引起彎頭下游及離心壓縮機(jī)葉輪進(jìn)口處氣體流動(dòng)的不均勻。進(jìn)而嚴(yán)重影響了離心壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及性能。

為了改善氣體經(jīng)過彎頭后的不均勻流動(dòng)，避免流體在彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)流動(dòng)分離等非定常流動(dòng)現(xiàn)象，通常需要一定的整流裝置對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行梳理。相對(duì)于安裝于彎道內(nèi)的導(dǎo)葉葉柵，安裝在彎道前的整流柵，其加工和安裝更為容易，因此其也是離心壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品進(jìn)口前常用的整流裝置[9]。

本文在離心壓縮機(jī)進(jìn)口前加旋繞式整流柵，通過可視化試驗(yàn)研究旋繞式整流柵對(duì)90°彎頭出口流道及離心壓縮機(jī)性能的影響。

1 彎頭整流柵的試驗(yàn)研究

本文選取內(nèi)徑為316mm的90°彎頭作為研究對(duì)象。整流柵的主要幾何尺寸及安裝參數(shù)如表1所示。

表1 彎頭整流柵的主要幾何尺寸及安裝參數(shù)表Table 1 Main geometric and mounting parameters of elbow fence

為了考慮整流柵的預(yù)旋方向?qū)﹄x心壓縮機(jī)性能的影響，設(shè)計(jì)了左、右兩種旋向的整流柵。其中左旋整流柵為葉片沿著進(jìn)氣方向向左邊扭曲，右旋則是整流柵葉片沿著進(jìn)氣方向向右側(cè)扭曲。加工后的整流柵如圖1和圖2所示。

圖1 左旋整流柵圖Fig.1 Left preswirl fence

圖2 右旋整流柵圖Fig.2 Right preswirl fence

1.1 整流柵對(duì)彎頭后管道對(duì)稱截面流動(dòng)均勻性的影響

為了研究整流柵對(duì)管道內(nèi)部流動(dòng)均勻性的影響，對(duì)在有彎頭整流柵和無彎頭整流柵兩種情況下，流體經(jīng)過彎頭后的管道對(duì)稱面的流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。本次流動(dòng)測(cè)量采用粒子成像測(cè)速儀(PIV)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3～5所示。PIV試驗(yàn)選用的示蹤粒子為霧化油滴顆粒(硅樹脂油)，該粒子質(zhì)量輕，具有較佳的流場(chǎng)跟隨性，是常規(guī)空氣流場(chǎng)速度測(cè)量中推薦使用的示蹤粒子之一[10],因此本PIV試驗(yàn)測(cè)試精度較高。

圖3 集流器進(jìn)口噴油圖Fig.3 Oil jetting into the inlet of collecting facility

圖4 有機(jī)玻璃管安裝位置圖Fig.4 The location of PMMA tube

圖5 粒子成像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.5 Site layout of PIV

由于本試驗(yàn)采用PIV的最大測(cè)量范圍約為10mm× 10mm。試驗(yàn)的流場(chǎng)具有較強(qiáng)的非定常特性，因而不能通過不同部位測(cè)量結(jié)果的直接疊加來獲得彎頭后整片區(qū)域的流動(dòng)分布。本試驗(yàn)管道的內(nèi)徑為316mm，為了使得測(cè)量區(qū)域超過半個(gè)管道內(nèi)徑，本試驗(yàn)測(cè)試了兩個(gè)截面的速度分布。本試驗(yàn)測(cè)量的兩個(gè)截面位置及大小如圖6和圖7所示。截面1的坐標(biāo)系定義如圖7左邊坐標(biāo)系所示。截面2的坐標(biāo)系定義如圖7右邊坐標(biāo)系所示。

圖6 試驗(yàn)裝置及測(cè)量位置示意圖Fig.6 Sketch of test facility and measuring location

圖7 測(cè)試位置及坐標(biāo)系位置圖Fig.7 Location of measurement and coordinate system

1.2 整流柵對(duì)彎頭后管道對(duì)稱截面流動(dòng)均勻性的影響的結(jié)果及分析

圖8～11是離心壓縮機(jī)進(jìn)口接左旋整流柵時(shí)，進(jìn)口管道流速為15m/s時(shí)某時(shí)刻的流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。圖8和圖10可以看出各管道流速為15m/s下，無整流柵時(shí)，截面1和截面2處的流動(dòng)具有較強(qiáng)的非定常性。而加左旋整流柵后，截面1和截面2處的流動(dòng)不管是大小還是方向均變得較為均勻。由于離心壓縮機(jī)進(jìn)口接右旋整流柵時(shí)，結(jié)論一致，這里不一一列出。

由于有無整流柵時(shí)，截面1和截面2具有類似的結(jié)論。為了簡化篇幅，圖12～17只列出其它進(jìn)口管道流速下有無整流柵時(shí)截面1上某一時(shí)刻的速度分布。從圖12～17可以看出，在其它流速下，整流柵同樣可以使得彎頭后面的流動(dòng)更加均勻。

圖8 無整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.8 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖9 有整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.9 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖10 無整流柵時(shí)，截面2上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.10 Velocity distributions at section 2 without fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖11 有整流柵時(shí)，截面2上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.11 Velocity distributions at section 2 with fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖12 無整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為20m/s）Fig.12 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 20 m/s）

圖13 有整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為20m/s）Fig.13 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 20m/s)

圖14 無整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為25m/s）Fig.14 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 25 m/s)

圖15 有整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為25m/s）Fig.15 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 25 m/s）

圖16 無整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為30m/s）Fig.16 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 30 m/s）

圖17 有整流柵時(shí)，截面1上某時(shí)刻的速度分布圖（管道流速為30m/s）Fig.17 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 30 m/s）

1.3 整流柵對(duì)離心壓縮機(jī)級(jí)性能的影響

為了評(píng)價(jià)整流柵對(duì)離心壓縮機(jī)級(jí)性能的影響，對(duì)加整流柵前后的離心壓縮機(jī)性能也進(jìn)行了測(cè)試，彎頭出口距離葉輪進(jìn)口距離為389mm，約為1.1倍管道外徑。試驗(yàn)結(jié)果如圖18～20所示。本文的效率均除以對(duì)應(yīng)馬赫數(shù)下的最高效率。

圖18 效率隨流量變化曲線圖Fig.18 Efficiency versus flow coefficient

圖19 能頭隨流量變化曲線圖Fig.19 Head as a function of flow coefficient

圖20 壓比隨流量變化曲線圖Fig.20 Pressure ratio as a function of flow coefficient

從圖18～圖20可以看出，當(dāng)機(jī)器馬赫數(shù)為0.65時(shí)，安裝左旋整流柵時(shí)，壓縮機(jī)效率基本保持不變，而安裝有右旋整流柵時(shí)，壓縮機(jī)效率略有小幅下降，而其能頭和壓比卻比無整流柵時(shí)有所提高。當(dāng)機(jī)器馬赫數(shù)為0.85時(shí)，當(dāng)流量系數(shù)小于0.06，即對(duì)應(yīng)的管道流速小于35m/s時(shí)，安裝有左旋整流柵比沒有安裝整流柵的效率略有提高，高效點(diǎn)大約提高6‰，小流量時(shí)效率提高超過1%。當(dāng)管道流速大于35m/s時(shí)，安裝有右旋整流柵比沒有安裝整流柵的效率略有提高。與沒有安裝整流柵時(shí)相比，離心壓縮機(jī)整機(jī)的能頭提高1%～4%，壓比約提高1%。

總的來說，在較小馬赫數(shù)，整流柵使得離心壓縮機(jī)性能基本保持不變或者說略有降低。出現(xiàn)這種情況主要有兩個(gè)原因：一方面，機(jī)器馬赫數(shù)較小時(shí)，葉輪的總壓升較小，此時(shí)，整流柵增加的總壓損失對(duì)離心壓縮機(jī)整機(jī)效率影響較大。另一方面，機(jī)器馬赫數(shù)較小時(shí)，整流柵產(chǎn)生的預(yù)旋對(duì)葉輪進(jìn)口氣流角的影響較大，導(dǎo)致葉輪進(jìn)口存在較大的正沖角或負(fù)沖角，這將較大程度的降低離心壓縮機(jī)的效率。而當(dāng)機(jī)器馬赫數(shù)較大時(shí)，這兩方面的負(fù)面影響將減小。因而在較高馬赫數(shù)下，右旋整流柵能提高壓縮機(jī)的性能，而左旋整流柵能在壓縮機(jī)性能略有提高的前提下，較大幅度的提高離心壓縮機(jī)的能頭和壓比。

2 結(jié)論

本文研究旋繞式整流柵對(duì)90°彎管流動(dòng)均勻性及離心壓縮機(jī)性能的影響。結(jié)論如下：

1）90°彎管前安裝旋繞式整流柵能有效改善彎管后流動(dòng)的均勻性。

2）在較小機(jī)器馬赫數(shù)時(shí)，整流柵使得該離心壓縮機(jī)性能基本保持不變或者說略有降低。

3）在較高機(jī)器馬赫數(shù)下，右旋整流柵能提高該壓縮機(jī)的性能，而左旋整流柵能在該壓縮機(jī)性能略有提高的前提下，較大幅度的提高該離心壓縮機(jī)的能頭和壓比。

[1]Humphrey J A C.Turbulent flow in a square duct with st rongcurvature[J].Fluid Mechanics,1981,103:443-463.

[2]尚虹，王尚錦，席光，等.90°圓截面彎管內(nèi)三維紊流場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1994，9(3)：263-266.

[3]謝龍，靳思宇，王玉璋，等.閥體后90°圓形彎管內(nèi)部流場(chǎng)PIV測(cè)量及POD分析[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2012,26（3）：21-25.

[4]江山，張京偉，吳崇健，等.基于FLUENT的90°圓形彎管內(nèi)部流場(chǎng)分析[J].中國艦船研究，2008，3(1)：37-41.

[5]樊洪明，李先庭，何鐘怡，等.方形截面彎管二次流數(shù)值模擬[J].熱能動(dòng)力工程，2002，17(5)：510-513.

[6]丁玨，翁培奮.90°彎管內(nèi)流動(dòng)的理論模型及流動(dòng)特性的數(shù)值研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21(3)：314-321.

[7]溫良英，張正榮.彎管內(nèi)流體流動(dòng)的模擬計(jì)算與試驗(yàn)研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2005，26(1)：53-56.

[8]李杰，郝鵬飛，張錫文，等.彎管流動(dòng)的非均勻性及其整流[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(12)：146-148.

[9]梁高林，劉振全，杜彥蓉，等.入口管段增設(shè)整流柵對(duì)高爐鼓風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)化[J].流體機(jī)械，2013，41(12)：57-59,9.

[10]萬立國，任慶凱，田曦，等.PIV技術(shù)及其在兩相流測(cè)量中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33(12F):463-467.

Experimental Study of the Influence of a Preswirl Fence on the 90°Elbow Flow Uniformity and the Centrifugal Compressor Performance

Fu-an Lu Yu-ying Sun Yun LiHong-li YiHui Zhou Bo Sun
（Shenyang Blower Works Group Corporation）

In this paper,PIV visualization experiments are performed in which a preswirl fence is mounted upstream of the inlet of a compressor to determine the influence of the preswirl fence on the 90°elbow flow uniformity and the centrifugal compressor performance.The results show that if the preswirl fence is installed in front of the 90°elbow it can effectively improve the uniformity of the flow downstream of the elbow.When the centrifugal compressor is operated at low Mach number based on the rotor tip speed,its efficiency remains unchanged or decreases slightly when either a left or right preswirl fence is installed.When the centrifugal compressor runs at high Mach number,its efficiency increases when the right preswirl fence is installed,and its efficiency slightly increases with a substantial increase in head and pressure ratio when a left preswirl fence is installed.

centrifugal compressor;90°elbow;fence;performance;flow uniformity

TH452；TK05

：1006-8155-(2017)01-0065-07

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0008

2016-06-25 遼寧 沈陽 110869