擴(kuò)壓器出進(jìn)口寬度比對某離心壓氣機(jī)性能的影響

鄭夢子，劉所利，徐燕驥，李斌

（1.上海大學(xué)，機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 201210；2.中國科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；3.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

擴(kuò)壓器是離心壓氣機(jī)的核心部件，其性能和內(nèi)部流動對離心壓氣機(jī)級效率、壓比和運(yùn)行工況范圍等性能有著非常重要的作用。Eckardt和Krain采用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了Dean等提出的葉輪出口射流-尾跡模型。文獻(xiàn)指出漸縮型通道已被廣泛應(yīng)用于擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。殷明霞等對某離心壓氣機(jī)子午流道進(jìn)行改型，指出改型后的離心壓氣機(jī)流場較原型有一定程度的改善。海洋等研究表明擴(kuò)壓器子午流道采用漸縮型結(jié)構(gòu)可以減少離心壓氣機(jī)流場損失。本文在離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)工況下研究了擴(kuò)壓器子午流道不同出進(jìn)口寬度比對離心壓氣機(jī)性能的影響，這對進(jìn)一步優(yōu)化離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)有著重要意義。

1 計(jì)算模型和數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算模型

本文研究對象為課題組設(shè)計(jì)的高轉(zhuǎn)速、高壓比離心壓氣機(jī)，由帶大小葉片的離心葉輪和楔形擴(kuò)壓器構(gòu)成。在離心壓氣機(jī)其它幾何尺寸不變的情況下，保持?jǐn)U壓器進(jìn)口寬度不變，改變擴(kuò)壓器出口寬度，重新優(yōu)化了擴(kuò)壓器子午流道形狀，使其出進(jìn)口寬度比分別為1、0．9、0．7、0．6、0．5 和 0．4，其中寬度比 1 為原始模型。

1.2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬采用了NUMECA商用軟件，以雷諾時均的湍流Navier-Stokes方程作為運(yùn)動方程模型，在時間方向上運(yùn)用顯式Runge-Kutta方法推進(jìn)求解，采用中間節(jié)點(diǎn)的有限體積法對Navier-Stokes方程進(jìn)行空間離散，湍流模型選用Spalart-Allmaras一方程模型。

離心壓氣機(jī)的計(jì)算域由進(jìn)口延伸區(qū)、葉輪葉片區(qū)、擴(kuò)壓器葉片區(qū)及出口延伸區(qū)組成，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將進(jìn)口延伸區(qū)與葉輪葉片區(qū)看作動葉排，擴(kuò)壓器葉片區(qū)與出口延伸區(qū)看作靜葉排，然后將動、靜葉排聯(lián)合在一起生成計(jì)算域網(wǎng)格，利用動靜混合平面進(jìn)行葉排間數(shù)據(jù)傳遞，這樣就避免了葉輪與葉片擴(kuò)壓器分別計(jì)算時邊界條件無法準(zhǔn)確給定的缺陷。計(jì)算域網(wǎng)格分布如圖1所示，網(wǎng)格總數(shù)120萬。

圖1 離心壓氣機(jī)網(wǎng)格分布

數(shù)值模擬在額定工況下進(jìn)行，進(jìn)口給定總壓101325Pa，總溫288．15K，軸向進(jìn)氣；出口平均靜壓，通過調(diào)節(jié)出口靜壓與流量獲得特性曲線；固壁設(shè)置為絕熱、無滑移壁面。

2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

圖2給出了不同寬度比離心壓氣機(jī)特性曲線對比，表1為數(shù)值模擬結(jié)果?？梢钥闯?，隨著擴(kuò)壓器出進(jìn)口寬度比減小，壓氣機(jī)堵塞流量減小，這是由擴(kuò)壓器通流面積減小引起的；當(dāng)擴(kuò)壓器出口減小過多時，流道內(nèi)粘性作用所占比重加大，粘性損失增加，離心壓氣機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)出現(xiàn)先增后減的趨勢；當(dāng)寬度比在0．5附近時，等熵效率和總壓比都較為理想，與原始模型相比，等熵效率高出1．106個百分點(diǎn)，總壓比增加了0．075，擴(kuò)壓器總壓恢復(fù)系數(shù)增加了0．022。

圖2 不同寬度比特性曲線

表1 數(shù)值模擬結(jié)果

為詳細(xì)分析數(shù)值模擬結(jié)果，以下選擇寬度比為1、0．7和0．5這三種情況進(jìn)行流場對比分析。圖3為不同出進(jìn)口寬度比擴(kuò)壓器50%葉高截面靜壓分布，圖4給出了不同出進(jìn)口寬度比擴(kuò)壓器50%葉高截面馬赫數(shù)分布。可以看出，氣流在擴(kuò)壓器內(nèi)沿流道方向壓力逐漸增大，且壓力增大過程主要集中在擴(kuò)壓器葉片前半部分，擴(kuò)壓器葉片前緣壓力面附近均存在高壓區(qū)，吸力面附近形成低壓區(qū)，不同寬度比時擴(kuò)壓器內(nèi)靜壓分布無明顯差別。和馬赫數(shù)分布進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，氣流在擴(kuò)壓器葉片吸力面附近加速，形成局部超音區(qū)的同時靜壓減小導(dǎo)致低壓區(qū)形成，壓力面的靜壓分布并未受此影響。結(jié)合圖5可以看出，氣流在擴(kuò)壓器內(nèi)沿流道方向速度逐漸減小，寬度比為1時氣流在葉片尾緣附近分離現(xiàn)象較嚴(yán)重，形成大范圍的低速區(qū)，造成擴(kuò)壓器出口氣流流動性較差，隨著擴(kuò)壓器出口寬度縮小，低速區(qū)逐漸減小，寬度比為0．5時，擴(kuò)壓器出口流動性較好。

圖3 不同出進(jìn)口寬度比擴(kuò)壓器50%葉高截面靜壓分布云圖

圖4 不同出進(jìn)口寬度比擴(kuò)壓器50%葉高截面馬赫數(shù)分布云圖

圖5 不同出進(jìn)口寬度比擴(kuò)壓器50%葉高截面速度流線

3 結(jié)語

（1）適當(dāng)減小寬度比可提高離心壓氣機(jī)性能，但寬度比減小過多會導(dǎo)致粘性作用突出，使粘性損失增加，反而會降低性能。相較于原始模型，當(dāng)寬度比為0．5時，離心壓氣機(jī)等熵效率高出1．106個百分點(diǎn)，總壓比增加了0．075，擴(kuò)壓器總壓恢復(fù)系數(shù)提高了0．022。

（2）隨著寬度比減小，氣流在葉高方向受到擠壓，流動分離受到抑制，葉片尾緣附近回漩渦流逐漸減小，使得低速氣流減少，提高了擴(kuò)壓器出口流動性和離心壓氣機(jī)性能。

（3）對本文所研究的離心壓氣機(jī)而言，擴(kuò)壓器最佳出進(jìn)口寬度比在0．5附近，具體到實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮設(shè)備運(yùn)行工況和加工裝配工藝等多方面因素來選擇最合適的寬度比。

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