雷諾數(shù)對(duì)壓縮機(jī)模型級(jí)性能影響的氣動(dòng)特性分析

王 楊，王金生

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110141）

1 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，作為關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備的大型多級(jí)壓縮機(jī)組廣泛應(yīng)用于石化、冶金等行業(yè)。多級(jí)壓縮機(jī)末級(jí)一般進(jìn)口壓力較高，雷諾數(shù)較大［1，2］，研究表明雷諾數(shù)對(duì)壓縮機(jī)的性能和穩(wěn)定性影響較大，受其影響壓縮機(jī)各部件的流動(dòng)特性顯著改變，影響渦輪葉片邊界層的發(fā)展，同時(shí)對(duì)通道內(nèi)的二次流也有較大影響，進(jìn)而導(dǎo)致壓比、效率等性能參數(shù)的變化［3，4］。由于工程上多級(jí)壓縮機(jī)末級(jí)多為高壓段，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易布置測(cè)點(diǎn)，難以得到其內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)并進(jìn)行修正，多級(jí)聯(lián)合計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高，通?？蒲腥藛T只針對(duì)單級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，而忽略了雷諾數(shù)的影響，因此本文采用數(shù)值模擬來(lái)研究雷諾數(shù)的變化對(duì)離心壓縮機(jī)性能的影響，初步探究壓縮機(jī)各部件的損失及蝸殼內(nèi)的流動(dòng)變化規(guī)律，為設(shè)計(jì)不同雷諾數(shù)下高性能的離心壓氣機(jī)提供設(shè)計(jì)參考，對(duì)進(jìn)一步掌握蝸殼內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律有重要的意義。

2 計(jì)算模型及邊界條件

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

分別對(duì)流量系數(shù)為0.059（模型A）和0.065（模型B）的2組模型級(jí)進(jìn)行了數(shù)值模擬，圖1（a）計(jì)算模型為某多級(jí)壓縮機(jī)機(jī)組末級(jí)包括葉輪（17葉片），無(wú)葉擴(kuò)壓器及等截面排氣蝸殼（對(duì)稱結(jié)構(gòu)）。圖1（b）計(jì)算模型為某機(jī)組一級(jí)包括葉輪（19葉片）、無(wú)葉擴(kuò)壓器及變截面排氣蝸殼（非對(duì)稱結(jié)構(gòu)）。

圖1 網(wǎng)格模型及計(jì)算域

2.2 雷諾數(shù)及進(jìn)口邊界條件

在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，雷諾數(shù)是一個(gè)重要的無(wú)量綱設(shè)計(jì)參數(shù)，隨著雷諾數(shù)的改變，摩擦系數(shù)、阻力系數(shù)等會(huì)發(fā)生顯著的變化［5～9］。雷諾數(shù)在本文中定義為在流體運(yùn)動(dòng)中慣性力對(duì)黏滯力比值的無(wú)量綱數(shù)：

式中 U——速度特征尺度

L—— 長(zhǎng)度特征尺度，在葉輪中為葉輪的出口寬度b2

υ——運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)

ρ——密度

在不改變?nèi)~片和流道幾何結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證模型級(jí)機(jī)器馬赫數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變進(jìn)口總參數(shù)，使用CFD軟件NUMECA分別對(duì)兩組模型級(jí)進(jìn)行數(shù)值模擬，利用FINE/EURANUS求解器進(jìn)行求解，計(jì)算中給定了整級(jí)的進(jìn)出口條件，設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)（包括邊界條件、控制方程和定解條件等）后進(jìn)行計(jì)算。表1為模型級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)口邊界條件。

表1 模型級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)口邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)改變進(jìn)出口流量值，獲得高低雷諾數(shù)條件下壓氣機(jī)工作特性線，圖2，3為不同雷諾數(shù)下模型級(jí)性能曲線。從效率隨流量的變化情況可知，與高雷諾數(shù)（H）相比，低雷諾數(shù)（L）時(shí)模型級(jí)A和B壓氣機(jī)特性線上各工況點(diǎn)的效率均下降，整級(jí)及擴(kuò)壓器出口處特性曲線整體下移，但曲線的形狀沒(méi)有明顯的變化，因?yàn)榈屠字Z數(shù)時(shí)氣體的壓力和溫度較低，黏性力影響顯著，會(huì)使流道內(nèi)的流動(dòng)性能變差。圖2（a）和3（a）為相對(duì)多變效率隨流量系數(shù)的變化曲線，在高雷諾數(shù)（H）工況下（A2、B2），觀察小流量和大流量區(qū)域，分析擴(kuò)壓器出口和級(jí)出口的多變效率可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)入蝸殼整級(jí)計(jì)算時(shí)整級(jí)性能下降較快，在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，蝸殼內(nèi)的效率損失較大，影響了特性曲線的平陡變化程度，此時(shí)雷諾數(shù)對(duì)蝸殼的性能有明顯的影響，而相應(yīng)的低雷諾數(shù)（L）時(shí)變化不明顯；所以在進(jìn)行多級(jí)壓縮機(jī)末級(jí)的設(shè)計(jì)和研究時(shí)需計(jì)入雷諾數(shù)對(duì)壓縮機(jī)效率大小影響，在小流量和大流量區(qū)域更需要加以重視。

圖2 A模型級(jí)性能曲線

圖3 B模型級(jí)性能曲線

2組模型各截面位置如圖4所示。表2為模型級(jí)各部件效率損失受雷諾數(shù)的影響，效率損失△η為葉輪出口，擴(kuò)壓器出口和蝸殼出口各截面多變效率差，在設(shè)計(jì)工況下，高雷諾數(shù)（A2和B2）模型級(jí)各部件的損失低于低雷諾數(shù)（A1和B1）的損失；葉輪和擴(kuò)壓器的效率損失變化得比較明顯，其中葉輪內(nèi)的效率損失低雷諾數(shù)A1與高雷諾數(shù)A2相差2.9%，B1與B2相差1.7%，對(duì)應(yīng)蝸殼內(nèi)的效率損失差為0.5%和0.58%，這是因?yàn)槲仛?nèi)速度較低，流動(dòng)比較緩慢，性能變化不是很明顯，所以在設(shè)計(jì)工況下改變雷諾數(shù)的大小對(duì)轉(zhuǎn)子部件葉輪的影響更明顯。

圖4 模型截面位置示意圖

表2 模型級(jí)各部件效率損失 %

針對(duì)蝸殼內(nèi)部的流場(chǎng)參數(shù)和各截面的性能參數(shù)來(lái)研究蝸殼內(nèi)部的流動(dòng)情況和性能，主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)有總壓損失系數(shù)和靜壓恢復(fù)系數(shù)，本文主要研究各截面總壓損失系數(shù)的變化。

總壓損失系數(shù)定義：

式中 Pin——計(jì)算域進(jìn)口處總壓，Pa

PL——流場(chǎng)內(nèi)某截面處的總壓，Pa

P0——計(jì)算域進(jìn)口處?kù)o壓，Pa

分析蝸殼內(nèi)的流動(dòng)情況，從表3的2種模型級(jí)下總壓損失系數(shù)對(duì)比中可以看出，蝸殼內(nèi)的損失主要集中在擴(kuò)壓器出口到蝸殼出口0°～360°螺旋截面，而出風(fēng)筒部分（到法蘭出口）損失相對(duì)較小，同時(shí)此區(qū)域受雷諾數(shù)的影響也較小，進(jìn)一步說(shuō)明了高雷諾數(shù)下蝸殼的性能優(yōu)于低雷諾數(shù)下的蝸殼性能。

表3 蝸殼各截面總壓損失系數(shù)

圖5 A，B模型級(jí)蝸殼0°～360°截面總壓損失系數(shù)

從圖5可以看出隨著雷諾數(shù)的改變，0°～360°截面的壓力分布有不同程度的改變，整個(gè)趨勢(shì)基本保持一致。低雷諾數(shù)A1的Kp變化得更為劇烈，蝸殼內(nèi)的損失更大。觀察圖5（a），0°～360°截面成震蕩分布，由于設(shè)計(jì)需要，A模型級(jí)排氣蝸殼螺旋截面為等截面對(duì)稱蝸殼，即使在出口處加了隔板，阻止了部分回流的產(chǎn)生，但蝸殼內(nèi)流動(dòng)也比較差；因此一般情況下采用變截面蝸殼可以得到更加合理的氣流分布。圖5（b）顯示，小截面（0°～90°）Kp存在較大的波動(dòng)，這是由于受到蝸舌的影響，蝸舌區(qū)域周圍流動(dòng)受進(jìn)口相對(duì)較低速度和出風(fēng)筒較高速度混合的影響，蝸舌區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致小截面速度較高，損失增大，所以變截面蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)蝸舌部分需要重點(diǎn)考慮。

4 結(jié)論

（1）本文分別對(duì)2組結(jié)構(gòu)模型級(jí)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，性能曲線的變化趨勢(shì)基本一致，特性線顯示隨雷諾數(shù)的降低，壓氣機(jī)特性線上各工況點(diǎn)的效率均下降。

（2）研究表明，隨著雷諾數(shù)的變化，蝸殼在非設(shè)計(jì)工況下，性能變化比較明顯，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需予以足夠的重視。

（3）隨著雷諾數(shù)的改變，兩組模型級(jí)各截面損失規(guī)律是一致的，同時(shí)雷諾數(shù)的改變對(duì)靜子部件蝸殼性能的影響要小于轉(zhuǎn)子部件葉輪的影響。

（4）針對(duì)雷諾數(shù)的改變，本文采用數(shù)值模擬的方法重點(diǎn)對(duì)壓縮機(jī)靜子部件蝸殼進(jìn)行了研究，但數(shù)值模擬存在一定的局限性，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，深化研究成果。

［1］ 鄒正平，寧方飛，劉火星.雷諾數(shù)對(duì)渦輪葉柵流動(dòng)的影響［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（2）：216-219.

［2］ 徐忠.離心壓縮機(jī)原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：40-42.

［3］ 張克松，王貴華，李國(guó)祥，等.蝸殼截面變化規(guī)律對(duì)蝸殼內(nèi)流動(dòng)及出口參數(shù)的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2009（4）：20-24.

［4］ 杜禮明，李文嬌，李季.自循環(huán)機(jī)匣處理對(duì)離心壓氣機(jī)氣動(dòng)性能影響分析［J］.流體機(jī)械，2015，43（4）：33-37.

［5］ 李友淮.低雷諾數(shù)條件下風(fēng)扇流場(chǎng)流動(dòng)的數(shù)值研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［6］ 孫文策.工程流體力學(xué)［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2007：135-153.

［7］ 陳浮，王云飛，陳煥龍，等.雷諾數(shù)對(duì)帶蝸殼的離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)影響研究［J］.推進(jìn)技術(shù)，2013，34（7）：911-904.

［8］ 祝華云，徐志明，胡國(guó)軍，等.尾緣厚度對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的影響研究［J］.機(jī)電工程，2016，33（2）：187-190.

［9］ 顧明皓，桂幸民.低雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)某型風(fēng)扇的性能影響及改進(jìn)方案研究［J］.航空動(dòng)力學(xué)，2014（4）：438-443.