無(wú)葉擴(kuò)壓器半徑比對(duì)內(nèi)部流動(dòng)影響的研究

王松嶺， 孔 禹， 張 磊

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

無(wú)葉擴(kuò)壓器半徑比對(duì)內(nèi)部流動(dòng)影響的研究

王松嶺， 孔 禹， 張 磊

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

無(wú)葉擴(kuò)壓器是離心壓氣機(jī)的重要部件，研究其內(nèi)部流場(chǎng)掌握其流動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)于提升擴(kuò)壓器性能及了解失速誘發(fā)具有重要意義。采用三維數(shù)值模擬方法以更準(zhǔn)確真實(shí)地展示不同寬比的小型離心壓氣機(jī)無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)的演化規(guī)律。采用Ansys 15.0軟件對(duì)離心壓氣機(jī)進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)，網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：半徑比的改變對(duì)流場(chǎng)的流動(dòng)特性影響較小而對(duì)壓氣機(jī)的流動(dòng)穩(wěn)定性影響較大，半徑比越小穩(wěn)定性越高；失速發(fā)生的標(biāo)志是只有當(dāng)回流區(qū)延伸至擴(kuò)壓器出口處；靜壓升系數(shù)在失速先兆的發(fā)生時(shí)刻出現(xiàn)最大值。

離心壓氣機(jī)； 無(wú)葉擴(kuò)壓器； 數(shù)值模擬； 流場(chǎng)分析； 旋轉(zhuǎn)失速

0 引言

離心壓氣機(jī)作為提高氣體壓力的通用機(jī)械廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，主要由離心葉輪、擴(kuò)壓器、集氣管道組成。無(wú)葉擴(kuò)壓器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行范圍穩(wěn)定而使用廣泛。壓氣機(jī)系統(tǒng)在小流量工況下運(yùn)行容易出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象如失速、喘振等，而相較于葉輪失速擴(kuò)壓器失速引起的危害更大。文獻(xiàn)[1,2]對(duì)于離心壓氣機(jī)無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速演化；文獻(xiàn)[3-5]對(duì)于失速團(tuán)的數(shù)目和結(jié)構(gòu)以及抑制措施進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[6]假定擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)為二維不可壓縮，分析了擴(kuò)壓器進(jìn)口的射流-尾跡擾動(dòng)。結(jié)果顯示，徑向速度擾動(dòng)衰減較快且主要受入口流量的影響。文獻(xiàn)[7]研究了低速離心壓縮機(jī)無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流場(chǎng)和壁面壓力波動(dòng)，并通過(guò)頻譜分析確定了失速起始點(diǎn)和失速頻率。結(jié)果表明，隨著流量系數(shù)的減小，徑向速度和周向流動(dòng)角逐漸減小，但是流量的減小對(duì)失速頻率的影響卻很小。

在早期的研究中學(xué)者發(fā)現(xiàn)三維的邊界層不穩(wěn)定是導(dǎo)致失速產(chǎn)生原因，文獻(xiàn)[8，9]先后建立了無(wú)葉擴(kuò)壓器旋轉(zhuǎn)失速的三維不可壓縮和可壓縮模型，結(jié)果表明擴(kuò)壓器失速的臨界流動(dòng)角受擴(kuò)壓器半徑比和徑向速度沿?cái)U(kuò)壓器寬度方向的分布影響。文獻(xiàn)[10]對(duì)渦輪增壓器的無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，呈現(xiàn)了失速發(fā)展的過(guò)程，隨著流量的減小無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)回流不斷加強(qiáng)，并不斷向各個(gè)方向擴(kuò)展延伸，最終從近壁面處局部失速演變?yōu)槿苁?。本文利用三維數(shù)值模擬計(jì)算耦合離心葉輪的無(wú)葉擴(kuò)壓器模擬，探究大寬比擴(kuò)壓器的半徑比對(duì)流動(dòng)特性的影響，完善人們對(duì)無(wú)葉擴(kuò)壓器的認(rèn)識(shí)，這對(duì)于改善風(fēng)機(jī)性能具有重要的意義。

1 壓氣機(jī)計(jì)算模型

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

本文研究的離心壓氣機(jī)利用ansys15.0平臺(tái)中VistaCCD模塊設(shè)計(jì)離心葉輪，Gambit設(shè)計(jì)無(wú)葉擴(kuò)壓器并改變半徑比，選擇理想大氣作為流體介質(zhì)，圖1(a)為離心葉輪，(b)為1.5倍擴(kuò)壓器模型示意圖，表1為設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 1.5倍半徑比離心壓氣機(jī)模型

采用TurboGrid模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇拓?fù)浞至魅~片結(jié)構(gòu)，自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。單流道入口段網(wǎng)格為19 074，流道網(wǎng)格21 420。葉輪單流道網(wǎng)格模型及網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖2所示。

為了減小網(wǎng)格數(shù)量帶來(lái)的計(jì)算誤差，本文分別對(duì)1.5倍半徑比離心壓氣機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖3所示離心葉輪的網(wǎng)格分別為250萬(wàn)，280萬(wàn)，310萬(wàn)，350萬(wàn)，根據(jù)模擬結(jié)果以及計(jì)算時(shí)間考慮選擇310萬(wàn)網(wǎng)格。選擇收斂值為10-5，當(dāng)收斂曲線達(dá)到該值，或呈震蕩發(fā)展趨勢(shì)即為收斂。并對(duì)于1.2倍、1.5倍擴(kuò)壓器采用相同比例網(wǎng)格以減小網(wǎng)格對(duì)于計(jì)算的影響。

表1 離心壓縮機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 葉輪單流道網(wǎng)格

圖3 1.5倍半徑比離心葉輪網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2 結(jié)果分析

2.1無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)分析

對(duì)于擴(kuò)壓器失速的研究一直集中于邊界層穩(wěn)定性，以及二維核心流擾動(dòng)對(duì)其影響，為了更加清晰地研究邊界層對(duì)風(fēng)機(jī)失速的影響，故取近壁處10%葉高處流動(dòng)情況進(jìn)行分析。圖4為不同流量系數(shù)下1.5倍擴(kuò)壓器內(nèi)10%葉高徑向速度分布云圖，圖中葉輪為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由圖4(a)可知在流量系數(shù)為0.6時(shí),無(wú)葉擴(kuò)壓器盤(pán)側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)，并且回流區(qū)成環(huán)狀分布，其回流區(qū)的徑向范圍開(kāi)始于1.1倍的葉輪半徑結(jié)束于1.4倍的葉輪半徑，由于該回流區(qū)并沒(méi)有擴(kuò)展到擴(kuò)壓器出口，因此可以判斷該回流環(huán)的形成是由于壁面邊界層分離引起的。每個(gè)環(huán)狀回流區(qū)又包含低速區(qū)，其個(gè)數(shù)與離心壓氣機(jī)的流道數(shù)相等。當(dāng)流量系數(shù)降低時(shí)回流區(qū)暫時(shí)消失，流道內(nèi)出現(xiàn)明顯的射流尾流結(jié)構(gòu)，且速度梯度明顯，核心流與流道數(shù)量相同。當(dāng)流量減小為0.36時(shí)低速區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)在擴(kuò)壓器出口處。直到流量系數(shù)減小到0.3時(shí)，流動(dòng)發(fā)生畸變，回流環(huán)狀區(qū)又顯現(xiàn)出來(lái)并且擴(kuò)展到擴(kuò)壓器出口區(qū)域。

圖4 半徑比為1.5擴(kuò)壓器10%葉高處徑向速度圖

圖5為不同流量系數(shù)下1.8倍擴(kuò)壓器內(nèi)10%葉高徑向速度分布云圖，葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，由圖5(a) 可知在流量系數(shù)為0.6時(shí),無(wú)葉擴(kuò)壓器盤(pán)側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)，并且回流區(qū)成環(huán)狀分布，其回流區(qū)的徑向范圍開(kāi)始于1.1倍的葉輪半徑結(jié)束于1.6倍的葉輪半徑，對(duì)比于1.5倍半徑的擴(kuò)壓器，回流區(qū)的形狀和數(shù)量保持一致，影響范圍有所擴(kuò)大。同時(shí)由于回流區(qū)在擴(kuò)壓器中心處，可判斷回流同樣由于邊界層分離引起。當(dāng)流量系數(shù)降低為0.48時(shí)回流區(qū)暫時(shí)消失，擴(kuò)壓器中心流動(dòng)現(xiàn)象和原始擴(kuò)壓器相似，但由于擴(kuò)壓器半徑較大，流體在擴(kuò)壓器出口出現(xiàn)環(huán)狀低速區(qū)。當(dāng)流量減小為0.42時(shí)，回流區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)在擴(kuò)壓器出口處，核心流的流動(dòng)規(guī)律保持一致。直到流量系數(shù)減小到0.36時(shí)，流動(dòng)發(fā)生畸變，回流環(huán)狀區(qū)又顯現(xiàn)出來(lái)并且呈現(xiàn)不規(guī)則性。對(duì)比于圖4可發(fā)現(xiàn)1.8倍半徑比的擴(kuò)壓器流動(dòng)發(fā)生畸變的臨界流量有所增大，因此可認(rèn)為半徑比增大擴(kuò)壓器流動(dòng)的穩(wěn)定性有所減小，這與實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論相一致。

圖5 半徑比為1.8擴(kuò)壓器10%葉高處徑向速度圖

圖6為不同流量系數(shù)下1.2倍擴(kuò)壓器內(nèi)10%葉高徑向速度分布云圖，葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，由圖6(a) 可知在流量系數(shù)為0.6時(shí),無(wú)葉擴(kuò)壓器盤(pán)側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)，并且回流區(qū)成環(huán)狀分布，其回流區(qū)的徑向范圍開(kāi)始于1.1倍的葉輪半徑結(jié)束于1.2倍的葉輪半徑，對(duì)比于1.5,1.8倍半徑比的擴(kuò)壓器，回流區(qū)的形狀保持一致，但數(shù)量增加為2倍的流道個(gè)數(shù)，同時(shí)回流區(qū)靠近擴(kuò)壓器出口，但并未發(fā)生完全合并且全部覆蓋出口，故失速并未發(fā)生。當(dāng)流量系數(shù)降低為0.48時(shí)，葉輪流道出口處出現(xiàn)二倍流道數(shù)量的高速核心區(qū)，并形成完整的射流尾流結(jié)構(gòu)。當(dāng)流量減小為0.3時(shí)，回流區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)在擴(kuò)壓器出口處，核心流的流動(dòng)規(guī)律與原始擴(kuò)壓器保持一致。直到流量系數(shù)減小到0.24時(shí)，流動(dòng)發(fā)生畸變，回流環(huán)狀區(qū)完全合并并出現(xiàn)在擴(kuò)壓器出口處。對(duì)比于圖4，5可發(fā)現(xiàn)1.2倍半徑比的擴(kuò)壓器流動(dòng)發(fā)生畸變的臨界流量有所減小，因此可認(rèn)為半徑比減小擴(kuò)壓器流動(dòng)的穩(wěn)定性有所增加。

圖6 半徑比為1.2擴(kuò)壓器10%葉高處徑向速度圖

2.2擴(kuò)壓器內(nèi)靜壓分析

定義靜壓升系數(shù)Cp其定義式如下：

(1)

式中：ρ為理想氣體密度；u2為葉輪出口圓周速度；Δp為各段靜壓升，規(guī)定分別以下標(biāo)1、2、3、4表示葉輪進(jìn)口、葉輪出口、擴(kuò)壓器進(jìn)口、擴(kuò)壓器出口。其中葉輪出口和擴(kuò)壓器進(jìn)口半徑相等，本文用下標(biāo)12、34和14分別表示葉輪段、擴(kuò)壓器段和整級(jí)的參數(shù)值。

通過(guò)不斷減小擴(kuò)壓器出口的質(zhì)量流量，獲得3種半徑比下各段靜壓升系數(shù)分別如圖7所示。由圖可知隨著流量系數(shù)的減小，擴(kuò)壓器段的靜壓升系數(shù)先增大而后減小，葉輪段靜壓升系數(shù)隨流量減小也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并在失速先兆出現(xiàn)時(shí)達(dá)到最大值，同時(shí)隨著擴(kuò)壓器半徑減小臨界失速流量向小流量遷移。以擴(kuò)壓器靜壓系數(shù)下降的第一個(gè)點(diǎn)作為其發(fā)生失速的臨界流量，當(dāng)流量進(jìn)一步減小時(shí)，葉輪靜壓系數(shù)也發(fā)生降低表明葉輪也進(jìn)入失速的臨界流量。

圖7 靜壓升系數(shù)隨流量變化示意圖

定義出口的絕對(duì)速度為v，出口圓周速度為um，則流動(dòng)角:

(2)

圖8為不同半徑比下流動(dòng)角變化示意圖，由圖可知3種擴(kuò)壓器形勢(shì)下流動(dòng)角變化趨勢(shì)一致，在大流量階段流動(dòng)角發(fā)生重合，這表明擴(kuò)壓器的半徑比對(duì)流動(dòng)特性影響不大。隨著流量的減小流動(dòng)角逐漸減小，并通過(guò)失速先兆發(fā)生時(shí)刻的流量得出臨界流動(dòng)角，半徑比越小的擴(kuò)壓器臨界流動(dòng)角越小，其穩(wěn)定性相對(duì)也越高。

圖8 流動(dòng)角隨流量變化示意圖

3 結(jié)論

(1)無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)出現(xiàn)回流區(qū)并不能誘發(fā)失速，只有當(dāng)回流區(qū)擴(kuò)展到擴(kuò)壓器出口區(qū)域時(shí)才能誘發(fā)失速。

(2)擴(kuò)壓器半徑比的改變不影響失速誘發(fā)機(jī)理，只影響失速發(fā)生的臨界流量和臨界流動(dòng)角，相比之下半徑比越小的擴(kuò)壓器流動(dòng)穩(wěn)定性越好。

(3)定義靜壓升系數(shù)可發(fā)現(xiàn)在失速先兆發(fā)生的時(shí)刻靜壓升系數(shù)達(dá)到最大值，靜壓升系數(shù)第一個(gè)下降點(diǎn)即為臨界失速流量。

(4)通過(guò)對(duì)流動(dòng)角的研究發(fā)現(xiàn)，半徑比為1.8,1.5,1.2的擴(kuò)壓器流動(dòng)角變化發(fā)生了重合，這表明半徑比的改變對(duì)其流動(dòng)特性影響不大。本文模擬結(jié)果于文獻(xiàn)中結(jié)論相一致，且采用三維方法更真實(shí)地展示了近壁處流體徑向速度云圖。

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Influence of Radius Ratio of Vaneless Diffuser on Internal Flow

WANG Songling， KONG Yu, ZHANG Lei

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China ElectricPower University, Baoding 071003, China)

The vaneless diffuser is an important part of the centrifugal compressor. Studying its internal flow field to get its flow characteristics is of great significance to enhance the performance of diffuser and understand the mechanism of the induced stall. The three-dimensional numerical simulation method is used to show the evolution of the internal flow field of the vaneless diffuser in a small centrifugal compressor with different width ratio. Software Ansys 15.0 is applied to model the centrifugal compressor, partition mesh, implement numerical simulation and analyze simulation results. The results show that the change in radius ratio has little effect on the flow characteristics of the flow field while it shows a greater effect on the flow stability of the compressor: the smaller the radius ratio, the higher the stability. The indication of occurrence of stall is that only when the return zone extends to the diffuser exit, and the static pressure rise coefficient appears at the time of occurrence of stall precursor.

centrifugal compressor; vaneless diffuser; numerical simulation; flow analysis; rotating stall

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.008

TH452

A

1672-0792(2017)10-0045-05

2017-06-30。

王松嶺(1954-),男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備及大型回轉(zhuǎn)機(jī)械安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，流體動(dòng)力學(xué)理論及應(yīng)用。