徑向進(jìn)氣室對葉輪性能影響的數(shù)值研究

馮占宸 高陽 宋茜/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

徑向進(jìn)氣室對葉輪性能影響的數(shù)值研究

馮占宸 高陽 宋茜/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

離心壓縮機(jī)各元件之間的相互匹配關(guān)系，已經(jīng)成為近些年葉輪機(jī)械研究領(lǐng)域的熱點之一。在離心壓縮機(jī)中，管路來流經(jīng)過進(jìn)氣室進(jìn)入首級，因此進(jìn)氣室出口的流動情況會直接影響壓縮機(jī)首級的性能。對于一個典型的離心壓縮機(jī)級，進(jìn)氣室和蝸殼流動損失產(chǎn)生的效率降低約為4％～6％[1]。相比于其它進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)，徑向進(jìn)氣室因為具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用在多級壓縮機(jī)組中。然而與此同時，由于徑向進(jìn)氣室具有幾何結(jié)構(gòu)非軸對稱、收斂通道處氣流折轉(zhuǎn)等特性，因此其內(nèi)部流動復(fù)雜、出口氣流分布存在畸變，這些現(xiàn)象不僅使得進(jìn)氣室本身損失增加，還會導(dǎo)致葉輪偏離軸向進(jìn)氣假設(shè)下的預(yù)期性能。

近年來，隨著CFD技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者采用數(shù)值手段進(jìn)行了大量的徑向進(jìn)氣室相關(guān)研究。陳宗華等[2]采用基于CFD技術(shù)的數(shù)值優(yōu)化方法，通過改進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)，提升了壓縮機(jī)的首級性能。董帆等[3]對比了徑向進(jìn)氣室與軸向進(jìn)氣室對壓縮機(jī)外特性及內(nèi)部流動的影響，發(fā)現(xiàn)徑向進(jìn)氣室會影響葉輪進(jìn)口流動的均勻性，降低級效率和總壓比，同時，葉輪對進(jìn)氣室也有影響，使得其內(nèi)部流動不對稱。龍峰等[4]的研究顯示，與軸向進(jìn)氣室相比，徑向進(jìn)氣室會引起效率和壓比的下降，徑向進(jìn)氣室出口流動存在不均勻性，且該處流動受葉輪影響明顯。王銳等[5]通過采用分流葉片結(jié)構(gòu)，減少了徑向進(jìn)氣室出口氣流的畸變，改善了葉輪葉片受力和壓縮機(jī)性能。王銳等[6]詳細(xì)給出了進(jìn)氣室內(nèi)部的流動結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，流動損失和進(jìn)氣室出口的畸變主要是由于氣流在環(huán)形通道中產(chǎn)生的旋渦造成的。

本文采用數(shù)值模擬方法，對比兩個徑向進(jìn)氣室設(shè)計方案對壓縮機(jī)首級葉輪性能的影響，分析了其內(nèi)部流動情況，并且比較進(jìn)氣室單獨計算的結(jié)果與進(jìn)氣室-葉輪耦合的結(jié)果，以探究耦合作用對進(jìn)氣室流場產(chǎn)生的影響。

1 計算模型及計算方法

1.1 計算模型及網(wǎng)格

本文的研究對象由進(jìn)氣室、閉式葉輪和出口無葉段組成。為了減少計算耗時以及提高計算的魯棒性，本文的計算域并未包含葉片擴(kuò)壓器與回流器等下游原件。因此在不改變子午視圖布置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩個進(jìn)氣室方案，分別為算例G0與G1。離心壓縮機(jī)模型級在設(shè)計過程中，均按照軸向進(jìn)氣設(shè)計，即文中的0-2截面軸向進(jìn)氣算例。而在實際應(yīng)用中，需要加入徑向進(jìn)氣室。這就導(dǎo)致了首級性能與理想軸向進(jìn)氣時不同。本文研究進(jìn)氣室對首級性能的影響，比較軸向進(jìn)氣（0-2），與帶進(jìn)氣室徑向進(jìn)氣（in-2）的性能。此外，為了進(jìn)行比較，本文還包含了葉輪軸向進(jìn)氣的算例I。具體幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 計算模型幾何結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用NUMECA軟件的IGG和Aurogrid5模塊分別制作了結(jié)構(gòu)化的進(jìn)氣室與葉輪通流部分網(wǎng)格。當(dāng)葉輪進(jìn)口為軸向進(jìn)氣時，采用單通道網(wǎng)格進(jìn)行計算，計算域為0截面到2截面；當(dāng)葉輪與進(jìn)氣室網(wǎng)格進(jìn)行耦合計算時，葉輪采用全通道網(wǎng)格，葉輪與進(jìn)氣室之間采用轉(zhuǎn)靜子交接面完成數(shù)據(jù)傳遞，計算域為in截面到2截面。葉輪與進(jìn)氣室壁面網(wǎng)格寬度分別取0.005mm與0.01mm，保證壁面Y+≤10。計算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 進(jìn)氣室與葉輪拼接算例計算域網(wǎng)格圖

1.2 計算方法及邊界條件

本文采用商業(yè)CFD軟件NUMECA作為求解工具，采用時間推進(jìn)法求解流動控制方程組，選取S-A湍流模型封閉N-S方程。數(shù)值方法上應(yīng)用二階中心差分格式，采用多節(jié)點并行計算、多重網(wǎng)格和隱式殘差光順等技術(shù)加速收斂。計算收斂標(biāo)準(zhǔn)為進(jìn)出口質(zhì)量相對誤差下降到0.5％以內(nèi)，總體殘差降到10-5，效率和壓比保持恒定。

邊界條件方面，將壓縮機(jī)組的實際進(jìn)氣條件，在保證首級葉輪馬赫數(shù)、流量系數(shù)相同的前提下，轉(zhuǎn)換為常溫常壓進(jìn)氣。介質(zhì)采用假定的理想氣體，其物性隨溫度壓力保持不變，物性參數(shù)由實際混合氣體在常溫常壓下計算獲得。進(jìn)口給定總壓、總溫，氣流無預(yù)旋，出口給定質(zhì)量流量，固體壁面給定無滑移和絕熱條件。當(dāng)葉輪與進(jìn)氣室耦合計算時，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法完成數(shù)據(jù)傳遞。注意，本文將進(jìn)氣室視作葉輪進(jìn)口結(jié)構(gòu)的一部分，因此軸向進(jìn)氣與徑向進(jìn)氣的進(jìn)口邊界條件相同。

2 計算結(jié)果

2.1 性能比較

選取軸向進(jìn)氣時的葉輪最高效率工況點進(jìn)行性能比較，該工況Mu=0.42，出口質(zhì)量流量為2.75kg/s。計算結(jié)果如表1所示。其中算例G0與G1的效率與壓比采用in-in截面、2-2截面的參數(shù)計算獲得，總壓損失系數(shù)采用in-in截面、0-0截面參數(shù)計算獲得。

相比于軸向均勻進(jìn)氣的算例I，G0與G1算例的多變效率分別降低了21.4％與2.8％，首級葉輪產(chǎn)生的總壓壓比分別降低了0.052與0.003。由此可以看出雖然使用了同樣的葉輪，但是采用不同的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)首級葉輪所表現(xiàn)出的性能差別極大，算例G1的進(jìn)氣室性能上明顯優(yōu)于G0。比較兩者的總壓損失系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，算例G0的進(jìn)氣室總壓損失較大，這也是造成G0算例性能低的原因之一。

表1 葉輪最高效率點性能比較表

2.2 內(nèi)部流場分析

2.2.1 葉輪進(jìn)口截面（0截面）

0截面的流動情況會直接影響葉輪內(nèi)部流動，因此該截面上流動的均勻性、偏離軸向流動的程度至關(guān)重要。圖3顯示了各算例的0截面靜壓、馬赫數(shù)以及切向氣流角分布云圖。

圖3 0截面靜壓、絕對馬赫數(shù)與切向氣流角分布云圖

從0截面靜壓云圖可以看出，G0算例的0截面靜壓分布最不均勻，存在局部高壓與低壓區(qū)，在同一半徑上沿周向壓力變化較大。G1算例盡管同樣存在著相對的高壓與低壓區(qū)，但變化范圍遠(yuǎn)小于G0算例，此外，從等值線上可以看出壓力沿圓周方向的均勻程度要優(yōu)于G0算例。G0與G1算例的馬赫數(shù)云圖顯示出位于底部的高速區(qū)，這主要是由于進(jìn)風(fēng)筒位于進(jìn)氣室的下方，下部氣流流經(jīng)線路短，流速高。與G1相比，G0算例的流速畸變現(xiàn)象要更加嚴(yán)重，高速區(qū)的數(shù)值更大。類似地，切向氣流角云圖也顯示出相似的趨勢，G1算例的切向氣流角分布更接近于算例I。

綜上，可以看出徑向進(jìn)氣室對葉輪進(jìn)口流場的影響明顯，與軸向進(jìn)氣算例I相比，G0與G1均存在不同程度的畸變。葉輪在進(jìn)行氣動設(shè)計時，通?；谳S向無預(yù)旋假設(shè)，因此葉輪進(jìn)口流動的畸變，必定改變局部的葉片前緣氣流沖角，造成效率降低。相比較而言，G1的均勻程度要好于G0，流動也更接近軸向進(jìn)氣，這也是G1的外特性優(yōu)于G0的原因之一。

2.2.2 進(jìn)氣室內(nèi)流動

0截面的流動受上游環(huán)形通道、進(jìn)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)影響，因此進(jìn)氣室內(nèi)部的流動也是壓縮機(jī)設(shè)計者關(guān)注的重點。G0與G1的進(jìn)氣室主要存在兩點結(jié)構(gòu)區(qū)別：G1進(jìn)風(fēng)筒出口面積大于G0；G1進(jìn)氣室頂部增加了“眉毛”結(jié)構(gòu)，取消分流筋。圖4展示了G0與G1算例在A-A截面的絕對馬赫數(shù)云圖、流線圖。

對比馬赫數(shù)云圖可以看出，G0算例因為進(jìn)風(fēng)筒進(jìn)口面積過小，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)筒下游流速高于周向其他部位，局部最高絕對馬赫數(shù)達(dá)到了0.316。觀察G0的流線可以明顯看到在低馬赫數(shù)區(qū)存在著大量旋渦，其位置分別位于進(jìn)風(fēng)筒出口兩側(cè)與分流筋板兩側(cè)，并與總壓數(shù)值較低的區(qū)域相重合。大量旋渦的存在不僅影響了進(jìn)氣室出口流動的均勻性，也造成進(jìn)氣室本身總壓損失系數(shù)較高。

觀察G1的馬赫數(shù)云圖可以發(fā)現(xiàn)其最高馬赫數(shù)只有0.113左右，與周向其他部位流速相差不大。在“眉毛”部位也存在一定的低速區(qū)，但是通過觀察流線圖可以看到流動在該部位并未形成旋渦，流線平順的進(jìn)入下游區(qū)域，該區(qū)域產(chǎn)生的總壓損失也要小于G0算例。從本文的規(guī)律可以看出增大進(jìn)風(fēng)筒的出口面積，有利于降低總壓損失、產(chǎn)生均勻的出口流動，但進(jìn)風(fēng)筒出口面積過大會引起機(jī)殼等零件的強(qiáng)度問題，因此應(yīng)當(dāng)綜合考慮。

圖4 馬赫數(shù)云圖與流線圖（總壓云圖）

2.2.3 單獨進(jìn)氣室內(nèi)部流動

進(jìn)氣室與葉輪之間的相互耦合作用，不僅表現(xiàn)在進(jìn)氣室對葉輪內(nèi)流場產(chǎn)生影響，而且葉輪的存在也會影響進(jìn)氣室內(nèi)的流動。為了探究葉輪對進(jìn)氣室的影響，本文對G0與G1兩個算例的進(jìn)氣室部分進(jìn)行了單獨的數(shù)值計算。為了保證內(nèi)部流動穩(wěn)定、充分發(fā)展，計算域在進(jìn)口與出口方向進(jìn)行了一定的延長，邊界條件與耦合算例相同。單獨計算結(jié)果的0截面切向氣流角分布云圖與A-A截面流線圖如圖5所示。

圖5 切向氣流角云圖（0截面）與流線-總壓云圖（A-A截面）

將圖5中的切向氣流角分布云圖與圖3比較，發(fā)現(xiàn)耦合計算與單獨計算的區(qū)別較大，單獨計算進(jìn)氣室獲得的0截面切向氣流角最大值要小于耦合計算的結(jié)果，而且切向氣流角的分布也更加均勻。造成這一差異的原因，是葉輪旋轉(zhuǎn)帶動0截面附近流場隨之轉(zhuǎn)動，增加了0截面流動的不均勻性。比較G0與G1的進(jìn)氣室單獨計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)G1切向氣流角分布的均勻性仍遠(yuǎn)好于G0。

比較圖5與圖4的流線圖可以發(fā)現(xiàn)，耦合作用對流線、總壓分布的影響并不大，流線形狀基本相同。值得注意的是，G1算例在單獨計算時“眉毛”處出現(xiàn)了回流區(qū)，這在耦合計算中并未出現(xiàn)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是葉輪進(jìn)口的“吸氣”效果，有助于進(jìn)氣室內(nèi)的氣流穩(wěn)定流入收斂通道。

綜上比較發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣室單獨進(jìn)行數(shù)值計算，可以在一定程度上反應(yīng)進(jìn)氣室的優(yōu)劣，但是進(jìn)氣室內(nèi)部流場受葉輪耦合作用的影響顯著。

3 結(jié)論

本文采用NUMECA軟件對具有不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)首級葉輪進(jìn)行了數(shù)值研究，得到以下結(jié)論：

1）徑向進(jìn)氣室的存在會在葉輪進(jìn)口造成流動的畸變，使得進(jìn)入葉輪的流動不均勻。此外，徑向進(jìn)氣室本身會產(chǎn)生一定的壓力損失。這些效應(yīng)綜合在一起，會導(dǎo)致首級葉輪效率、壓比的下降。

2）徑向進(jìn)氣室的幾何結(jié)構(gòu)會影響進(jìn)氣室內(nèi)的流動以致影響首級葉輪的性能。增加進(jìn)風(fēng)筒出口面積，有助于改善進(jìn)氣室內(nèi)流動，獲得均勻葉輪進(jìn)口流場；“眉毛”結(jié)構(gòu)有助于消除進(jìn)氣室上部的回流區(qū)域。

3）下游葉輪對徑向進(jìn)氣室內(nèi)的流動同樣會產(chǎn)生影響，造成進(jìn)氣室內(nèi)部流動、進(jìn)氣室出口氣流分布發(fā)生變化。

4）單獨分析進(jìn)氣室內(nèi)部的流動情況，能夠在一定程度上反應(yīng)進(jìn)氣室設(shè)計的優(yōu)劣。

[1]Engeda A,Kim Y,Aungier R,et al.The inlet flow structure of a centrifugal compressor stage and its influence on the compressor performance[J].ASME Journal of Fluids Engineering,2003,125 (3)：779-785.

[2]陳宗華，谷傳綱，舒信偉.基于CFD技術(shù)的離心壓縮機(jī)徑向進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械工程學(xué)報,2010,46(14): 124-129.

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[5]王銳，祁大同，王學(xué)軍，等.離心壓縮機(jī)徑向吸氣室的流動損失分析和改進(jìn)設(shè)計[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2009，26(3):437-443.

[6]王銳，祁大同，王學(xué)軍，等.離心壓縮機(jī)徑向吸氣室內(nèi)部流動的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械，2008，36(6):19-24.

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在保證子午面結(jié)構(gòu)不變的前提下，設(shè)計了兩個徑向進(jìn)氣室方案。采用CFD對徑向進(jìn)氣室與首級葉輪進(jìn)行了流場分析，并且與軸向進(jìn)氣方案進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，徑向進(jìn)氣室會造成葉輪進(jìn)口流動的畸變，導(dǎo)致首級葉輪的效率和壓比下降；同時，徑向進(jìn)氣室的性能與幾何形狀關(guān)系密切。

徑向進(jìn)氣室；離心壓縮機(jī)；幾何結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

Numerical Simulation Research of the Im pactofRadial InletChambers on the Performance of Impellers

Feng Zhan-chen，Gao Yang，Song Qian/ Shenyang BlowerWorksGroup Co.,Ltd.

Abstract：Two radial inlet chamber are designed to ensure the meridian plane structure is unchangeable.The flow field of the radial inlet volute and first stage impeller was analyzed with CFD，and was then compared to the case of axial air inflow design.The results indicated that radial inlet chambers can cause flow distortions in the impeller's inlet，that will decrease efficiency and first stage impeller pressure ratio.Meanwhile,it proved that the performance of radial chambers have close relations togeometry shape.

radial inlet volute;centrifugal compressor;geometrical structure;numericalsimulation

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）03-0037-05

10.16492/j.fjjs.2016.03.0018

2015-09-18遼寧沈陽110869