徑向相對間距對離心壓縮機(jī)性能影響的數(shù)值模擬研究①

饒 杰 于躍平 胡四兵 黃文俊 常 超 王 梟

(合肥通用機(jī)械研究院 合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司 壓縮機(jī)技術(shù)國家重點實驗室)

離心壓縮機(jī)壓比高、結(jié)構(gòu)緊湊，由于葉輪與擴(kuò)壓器之間的徑向間距較小，其變化對壓縮機(jī)氣動性能具有非常大的影響，因此受到了越來越多的關(guān)注，國內(nèi)外一些學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，包括對最佳徑向間距的探索和對內(nèi)部流動機(jī)理的研究。

文獻(xiàn)[1～3]研究了葉輪與擴(kuò)壓器間距對離心壓縮機(jī)性能的影響，認(rèn)為間距變化導(dǎo)致的擴(kuò)壓器進(jìn)口攻角變化是影響壓縮機(jī)性能的主要因素。文獻(xiàn)[4]研究了葉輪與擴(kuò)壓器之間的非定常氣動干涉，研究結(jié)果表明，當(dāng)葉輪與擴(kuò)壓器間距較小時，擴(kuò)壓器的勢干擾能減小葉輪的落后角和堵塞，但葉輪內(nèi)的損失卻有所增大。有研究表明當(dāng)間距減小時，離心壓縮機(jī)性能將降低，這一結(jié)論與軸流壓縮機(jī)中葉排間距變化的影響恰好相反。文獻(xiàn)[5]針對葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角進(jìn)行了研究，認(rèn)為它對離心壓縮機(jī)的性能有較大的影響。從上面的分析可以看出，間距變化對離心壓縮機(jī)性能的影響較大。

如何選取葉輪與擴(kuò)壓器之間的間距，使離心壓縮機(jī)達(dá)到最佳的匹配，是離心壓縮機(jī)設(shè)計中需要解決的一個重要問題。而準(zhǔn)確地反映間距變化的影響，并揭示其中的機(jī)理，需要考慮葉輪與擴(kuò)壓器之間的氣動干涉，進(jìn)行全三維非定常研究，其工作量非常大。文獻(xiàn)[1～3]的研究均表明，葉輪出口流動不均勻?qū)е碌姆嵌ǔＡ鲃訉﹄x心壓縮機(jī)性能的影響較小，而影響最為顯著的是間距變化導(dǎo)致的葉輪出口平均氣流角的變化。因此，作為一種工程上的簡化方法，筆者忽略了葉輪與擴(kuò)壓器之間非定常干涉的影響，而在定常研究的基礎(chǔ)上研究了一離心壓縮機(jī)間距對性能的影響，以嘗試提出一種選取離心壓縮機(jī)最佳徑向相對間距的方法。

1 方案及建模

該壓縮機(jī)為單級離心式壓縮機(jī)(圖1)，由3部分組成：旋轉(zhuǎn)件工作葉輪、徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器。其中，工作葉輪采用主葉片+分流葉片的形式，葉片數(shù)為13片；徑向擴(kuò)壓器葉片有17片，軸向擴(kuò)壓器為55片葉片。圖2為壓縮機(jī)流道示意圖。

圖1 壓縮機(jī)模型示意圖

圖2 壓縮機(jī)流道示意圖

為減小間距變化導(dǎo)致的擴(kuò)壓器進(jìn)口攻角變化的影響，徑向相對間距在調(diào)整的同時，徑向擴(kuò)壓器的進(jìn)口安裝角也隨之調(diào)整，以保持徑向擴(kuò)壓器的進(jìn)口氣流角不變(圖3)。每次修改間距值后都重新建模、劃分網(wǎng)格并計算。

圖3 徑向擴(kuò)壓器型線位置變化示意圖

采用CFD軟件的網(wǎng)格劃分模塊對壓縮機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格建模(圖4)，工作葉輪、徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器模型均采用H-I-H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉頂間隙采用蝶形網(wǎng)格，工作葉輪網(wǎng)格數(shù)為317 544，徑向擴(kuò)壓器132 430，軸向擴(kuò)壓器174 537，總節(jié)點數(shù)624 511。

數(shù)值模擬采用CFD軟件包的求解器進(jìn)行三維定常流場計算。流動方程為Navier-Stocks方程，空間差分采用中心差分格式，湍流模型采用Spalart-Allmaras一方程模型。計算采用全多重網(wǎng)格方法，結(jié)合殘差光順方法，以獲得較快的收斂速度。

圖4 壓縮機(jī)網(wǎng)格模型

邊界條件設(shè)定中，進(jìn)口采用壓力遠(yuǎn)場邊界條件，壓力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325kPa)，氣流溫度為288K；氣流沿軸向進(jìn)氣，工作葉輪取設(shè)計轉(zhuǎn)速nd= 48750r/min；出口給定靜葉葉根處的靜壓值，以徑向平衡方程確定展向靜壓分布，通過改變出口靜壓來調(diào)整壓縮機(jī)的工作狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

考慮到工作葉輪后的實際空間大小，并且出口也需要有一段摻混段，選取徑向相對間距δ/R取值分別為3%、4%、5%、6%(δ為工作葉輪與徑向擴(kuò)壓器之間的間距，R為工作葉輪的半徑)進(jìn)行模擬，圖5為不同δ/R下壓縮機(jī)特性線對比圖。對比δ/R分別為3%、4%、5%時的3條曲線，可以看出隨著δ/R逐漸增大，效率和壓比特性線均逐漸向右偏移；而當(dāng)δ/R=6%時，與δ/R=5%時比較，效率和壓比特性線均向左偏移。相同流量條件下，當(dāng)徑向相對間距δ/R=5%時，效率和壓力均明顯高于其他所計算的相對間距，由此可以得出，對于本臺壓縮機(jī)，間距變化對離心壓縮機(jī)性能有較大的影響；應(yīng)存在一個最佳δ/R，該條件下的壓縮機(jī)特性線相對于其他δ/R值最靠右，壓縮機(jī)性能最優(yōu)。

為了便于對比不同間距的流動，取設(shè)計點附近相同反壓時的計算工況進(jìn)行分析。圖6為不同間距下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)、靜子葉中截面靜壓分布對比，其中，橫坐標(biāo)為子午流線距離比值，葉片進(jìn)口為0，葉片出口為1。

圖5 壓縮機(jī)特性線對比

圖6 葉中截面靜壓分布對比

圖6中顯示，靜壓升主要集中在工作葉輪和徑向擴(kuò)壓器兩個部件內(nèi)完成。工作葉輪進(jìn)口段主要起導(dǎo)流作用，同時也具有一定的增壓能力；后半段是分流葉片區(qū)域，屬于擴(kuò)壓段，主要作用就是擴(kuò)壓，靜壓在這一區(qū)間迅速上升，形成較大的逆壓梯度。通過靜壓分布對比，明顯可以發(fā)現(xiàn)δ/R的變化對靜壓升的變化影響很小，只有在工作葉輪內(nèi)，隨著δ/R的減小，靜壓升有所增加，而且δ/R越小，增加的幅度越顯著。

圖7顯示的是不同徑向相對間距下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)、靜子進(jìn)、出口截面總壓變化，其中，橫坐標(biāo)代表壓縮機(jī)轉(zhuǎn)、靜子進(jìn)出口截面：1為工作葉輪出口截面，2為徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口截面，3為徑向擴(kuò)壓器出口截面，4為軸向擴(kuò)壓器進(jìn)口截面，5為軸向擴(kuò)壓器出口截面?？v坐標(biāo)pi*/p1*為總壓比，其中pi*為i截面的總壓，i=1，2，3，4，5。

圖7 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)、靜子進(jìn)、出口截面總壓變化

總體上，當(dāng)δ/R較小時，總壓分布對δ/R的變化較為敏感，增加至一定值時，總壓分布的變化就越來越不明顯，δ/R=5%和δ/R=6%兩者的總壓變化曲線幾乎重合。這說明，徑向相對間距越小，間距變化對壓縮機(jī)的影響就越顯著；徑向相對間距越大，則影響就越弱。

從截面1至截面2，由于尾跡摻混損失小，δ/R=3%的總壓損失最小，隨著徑向相對間距的增加，總壓損失也隨之增加。截面2～3之間，徑向相對間距越小，總壓損失則越大；截面3～4和截面4～5，總壓變化較小。由此可以得出，不同間距下，總壓損失的變化集中在工作葉輪出口到徑向擴(kuò)壓器出口之間。其中，徑向擴(kuò)壓器對間距的變化尤為敏感。

截面1到截面2之間，徑向相對間距小，距離短，摻混損失也較小，因此δ/R=3%時的總壓損失最?。坏溅?R=5%時，截面摻混基本均勻，徑向相對間距再增大，摻混損失也只是略微有增加，對下游流場的影響十分有限，因此δ/R≥5%以后，徑向相對間距變化帶來的影響是越來越小。截面2到截面3之間，δ/R=3%時，由于徑向相對間距較小，氣流到達(dá)徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口時摻混不夠，使得徑向擴(kuò)壓器進(jìn)口的速度分布相對不夠均勻，氣流在徑向擴(kuò)壓器內(nèi)的分離損失相比較就更大一些，因此總壓損失也最大。

圖8中更加清楚地顯示了氣流在通過徑向擴(kuò)壓器和軸向擴(kuò)壓器后的總壓損失情況。顯然δ/R=3%時的損失系數(shù)最大，而δ/R=5%和δ/R=6%時壓縮機(jī)各截面的損失系數(shù)基本相同。

圖8 損失系數(shù)變化

綜上所述，間距增大時，葉輪和擴(kuò)壓器間距內(nèi)的損失增加，但同時葉輪出口氣流與擴(kuò)壓器之間向最佳匹配點靠近，導(dǎo)致擴(kuò)壓器內(nèi)損失減小，因此，存在一個最佳相對間距，使得壓縮機(jī)的性能最優(yōu)。對于筆者研究的壓縮機(jī)，徑向相對間距δ/R=5%時性能為最優(yōu)，總壓損失也最小，相對而言是較為合理的取值。

3 結(jié)論

3.1徑向相對間距對離心壓縮機(jī)性能有較大的影響，且徑向相對間距越小，間距變化對壓縮機(jī)性能的影響就越顯著。

3.2當(dāng)徑向相對間距增大時，間距內(nèi)的損失增加，但由于葉輪與擴(kuò)壓器的間距向最佳匹配點靠近，導(dǎo)致擴(kuò)壓器內(nèi)的損失減小，因此，存在一個最佳間距。

3.3通過定常的分析，也能初步確定離心壓縮機(jī)的最佳徑向相對間距，對于筆者所分析的壓縮機(jī)，其最佳徑向相對間距為5%。

3.4文中的工作是在定常條件下進(jìn)行的，更為準(zhǔn)確地選取最佳的徑向相對間距，需要進(jìn)一步考慮葉輪與擴(kuò)壓器之間的非定常干涉。

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