半高葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)流動(dòng)性能影響的數(shù)值研究

張國路迢,王江峰,婁聚偉,郭雨旻,趙攀

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

離心壓縮機(jī)作為工業(yè)中常用的機(jī)械設(shè)備,其葉輪出口的高動(dòng)能需要被有效回收。擴(kuò)壓器作為小型離心式壓縮機(jī)級(jí)中最重要的部件之一,對(duì)壓縮機(jī)的工作范圍和葉輪出口動(dòng)能的回收起著重要的作用。由Yoshinaga等[1]提出的部分葉高葉片擴(kuò)壓器,又稱半高葉片擴(kuò)壓器,能夠有效拓寬離心壓縮機(jī)運(yùn)行范圍且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。葉頂間隙對(duì)葉柵通道流動(dòng)的影響在軸流式風(fēng)機(jī)中研究較為深入[2-5],而在離心壓縮機(jī)擴(kuò)壓器葉柵中的研究較少。對(duì)于半高葉片擴(kuò)壓器合適的葉片高度,Zhu等[6]在比較了不同的葉片高度后,認(rèn)為葉片的最佳高度約為擴(kuò)壓器總高度的40%～60%。而Sakaguchi等[7-8]采用了葉片高度為擴(kuò)壓器高度90%的半高葉片擴(kuò)壓器獲得了較好的結(jié)果。Ma等[9]在對(duì)擴(kuò)壓器葉片中部采用輪盤側(cè)開槽處理獲得了較好的結(jié)果。Ubben等[10-11]在楔形擴(kuò)壓器的輪蓋側(cè)設(shè)置葉尖間隙,以擴(kuò)大工作范圍。對(duì)于半高葉片擴(kuò)壓器的安裝位置,Sitaram等[12]研究發(fā)現(xiàn)葉片安裝在輪盤側(cè)時(shí)半高葉片擴(kuò)壓器可獲得較好的工作范圍。Liu等[13-14]則認(rèn)為葉片應(yīng)安裝在輪盤側(cè)。Anish等[15]發(fā)現(xiàn),輪盤輪蓋兩側(cè)交替安裝會(huì)影響葉輪與擴(kuò)壓器動(dòng)靜干涉并可獲得良好的性能效果。而Issac等[16]發(fā)現(xiàn),不同安裝位置沒有明顯的差異。此外,關(guān)于研究半高葉片擴(kuò)壓器在葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)性能的文獻(xiàn)較少。Ohta等[17]認(rèn)為半高葉片擴(kuò)壓器可以利用無葉部分的優(yōu)勢(shì),延緩旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生。Zou等[18]則發(fā)現(xiàn)葉片擴(kuò)壓器在防止擴(kuò)壓器旋轉(zhuǎn)失速方面性能更好。Gropow等[19]發(fā)現(xiàn),隨著流量的降低,無葉擴(kuò)壓器比有葉擴(kuò)壓器更容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速。

綜上所述,半高葉片擴(kuò)壓器的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理存在疑問,并且半高擴(kuò)壓器葉片葉頂間隙在發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)的研究較少,葉輪與擴(kuò)壓器動(dòng)靜相互作用對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性影響的研究仍然未知。本文在研究半高葉片擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,對(duì)半高葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種斜半高葉片擴(kuò)壓器,并在使用斜半高葉片擴(kuò)壓器的基礎(chǔ)上對(duì)壓縮機(jī)葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)的流動(dòng)特征進(jìn)行了分析。本文進(jìn)一步加深了對(duì)半高葉片擴(kuò)壓器的認(rèn)識(shí),完成了改進(jìn)工作,分析了對(duì)其在失速環(huán)境下的流動(dòng)特點(diǎn)。

1 離心壓縮機(jī)模型與數(shù)值模擬方法

1.1 離心壓縮機(jī)模型與網(wǎng)格

本文采用一款工質(zhì)為R134a小型制冷劑離心壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示,其幾何參數(shù)、熱力參數(shù)如表1、表2所示。本文采用商業(yè)軟件ANSYS CFX對(duì)整個(gè)壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)行模擬,三維RANS方程和k-ε湍流模型為控制方程,采用TurboGrid、ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分,全部計(jì)算域由葉輪、擴(kuò)壓器和噴嘴組成,如圖2所示。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中,級(jí)進(jìn)口總壓、總溫不變,改變出口靜壓,計(jì)算域邊界條件如表3所示。葉輪與擴(kuò)壓器的交界面在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中設(shè)置為混合平面,在瞬態(tài)計(jì)算中設(shè)置為瞬態(tài)轉(zhuǎn)子-靜子平面,進(jìn)口湍流強(qiáng)度為5%,設(shè)定所有壁面為光滑絕熱壁面。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中,當(dāng)全局平均殘差低于10-6,效率等監(jiān)測(cè)量保持不變時(shí)視為收斂。

圖1 離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of centrifugal compressor

表1 離心壓縮機(jī)級(jí)熱力參數(shù)

表2 離心壓縮機(jī)級(jí)的幾何參數(shù)

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證與物性表格精度驗(yàn)證

對(duì)本文所研究離心壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性和物性表格精度無關(guān)性驗(yàn)證。壓縮機(jī)的總靜壓比為

(1)

式中:Psta,out為壓縮機(jī)級(jí)擴(kuò)壓器出口的靜壓;Ptot,in為壓縮機(jī)級(jí)進(jìn)口的總壓。

圖3(a)展示了額定工況下使用葉片擴(kuò)壓器時(shí)的離心壓縮機(jī)級(jí)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果,經(jīng)過網(wǎng)格優(yōu)化,計(jì)算結(jié)果確認(rèn)與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)后,本文采用的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為700萬。本文使用NIST數(shù)據(jù)庫制作了R134a真實(shí)氣體物性表(RGP表)來模擬R134a工質(zhì),表格靜壓范圍為0.1～1 MPa,溫度范圍為200～400 K。對(duì)本文使用的離心壓縮機(jī)級(jí)在使用 RGP表分辨率無關(guān)性驗(yàn)證,對(duì)本文離心壓縮機(jī)使用葉片擴(kuò)壓器時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖3(b)所示,采用分辨率為300×300的物性表格。

(a)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

(b)物性表格精度驗(yàn)證

1.3 數(shù)值模擬有效性驗(yàn)證

目前已有較多研究通過數(shù)值模擬對(duì)制冷離心壓縮機(jī)進(jìn)行有效模擬[21-23],本文對(duì)文獻(xiàn) [24]中的一臺(tái)制冷離心壓縮機(jī)進(jìn)行模擬,對(duì)比CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證模擬有效性。計(jì)算所使用的離心壓縮機(jī)計(jì)算網(wǎng)格模型和計(jì)算結(jié)果如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示本文的CFD計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn) [24]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明本文對(duì)使用R134a工質(zhì)的制冷離心壓縮機(jī)的數(shù)值模擬有效。

(a)計(jì)算方法有效性驗(yàn)證

(b)網(wǎng)格模型

2 半高葉片擴(kuò)壓器的整體性能與內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理

不同類型的擴(kuò)壓器示意圖如圖5所示。使用不同安裝位置的半高葉片高度擴(kuò)壓器,無葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)級(jí)總靜壓比、總靜壓等熵效率如圖6、圖7所示。其中總靜態(tài)等熵效率為

(2)

圖5 不同擴(kuò)壓器類型的示意圖Fig.5 Schematics of different diffusers

(a)總靜壓比

(b)總靜等熵效率

(a)總靜壓比

(b)總靜等熵效率

式中:hsta,s,out為級(jí)出口的等熵靜比焓;htot,out、htot,in分別為級(jí)進(jìn)口、出口的總比焓。

由圖6、圖7可知,當(dāng)半高葉片擴(kuò)壓器安裝輪盤側(cè)時(shí),葉片高度hb的變化并未對(duì)離心壓縮機(jī)級(jí)的總靜壓比產(chǎn)生明顯影響,而當(dāng)安裝在輪蓋側(cè)時(shí),其產(chǎn)生的影響較為明顯。其中當(dāng)使用hb/b3=0.9的半高葉片擴(kuò)壓器時(shí),離心式壓縮機(jī)級(jí)全運(yùn)行范圍內(nèi)的總靜壓比均高于使用葉片擴(kuò)壓器時(shí)。對(duì)于安裝在輪盤側(cè)的半高葉片擴(kuò)壓器和安裝在輪蓋側(cè)的半高葉片擴(kuò)壓器,當(dāng)流量分別大于0.52、0.48 kg·s-1時(shí),其效率均高于葉片擴(kuò)壓器的效率。半高葉片擴(kuò)壓器葉片高度的變化會(huì)顯著影響離心壓縮機(jī)級(jí)的總靜等熵效率,尤其是在hb/b3為1.0～0.8時(shí)。而當(dāng)hb/b3<0.8時(shí),葉頂間隙對(duì)離心壓縮機(jī)性能的影響變得微小。隨著葉片高度的下降,半高葉片擴(kuò)壓器對(duì)運(yùn)行范圍的影響下降,且運(yùn)行范圍接近無葉擴(kuò)壓器,與文獻(xiàn) [6]實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

離心壓縮機(jī)使用葉片擴(kuò)壓器時(shí),分別在qm為0.366、0.421、0.486、0.531、0.564、0.577 kg·s-1工況下的葉片擴(kuò)壓器葉片前緣氣流角從輪盤側(cè)(相對(duì)高度為0)到輪蓋側(cè)(相對(duì)高度為1)的變化情況,如圖8所示。圖9展示了qm為0.366、0.564 kg·s-1工況下擴(kuò)壓器流道內(nèi)的速度分布,圖10展示了對(duì)應(yīng)的流動(dòng)情況。在輪蓋側(cè),擴(kuò)壓器葉片的氣流角隨流量減小而變化劇烈,并在接近輪蓋壁面時(shí),擴(kuò)壓器吸力面產(chǎn)生分離流動(dòng),但并未進(jìn)一步明顯擴(kuò)大。隨著離心壓縮機(jī)級(jí)流量的增大,擴(kuò)壓器葉片吸力面靠近輪蓋側(cè)分離情況逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿~片壓力面靠近輪盤側(cè)的分離氣流。葉片擴(kuò)壓器壓力面的分離情況隨著流量的增加不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致葉片擴(kuò)壓器失效。

圖8 葉片擴(kuò)壓器內(nèi)的氣流角沿?cái)U(kuò)壓器高度的變化Fig.8 Flow angle alongside the diffuser width

(a)qm=0.336 kg·s-1

(b)qm=0.564 kg·s-1

(a)qm=0.336 kg·s-1

(b)qm=0.564 kg·s-1

當(dāng)半高葉片擴(kuò)壓器安裝在輪盤側(cè)時(shí),兩種質(zhì)量流量為0.336、0.564 kg·s-1工況下的進(jìn)口處氣流角沿葉高分布如圖11所示,安裝在輪蓋側(cè)時(shí)如圖12所示。半高葉片擴(kuò)壓器無論是安裝在輪盤側(cè)還是輪蓋側(cè),進(jìn)口氣流角差異變化不大,與文獻(xiàn) [24]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

(a)qm=0.336 kg·s-1

(b)qm=0.564 kg·s-1

(a)qm=0.336 kg·s-1

(b)qm=0.564 kg·s-1

圖13展示了半高葉片擴(kuò)壓器安裝在輪盤側(cè)時(shí)、qm為0.366、0.564 kg·s-1工況下擴(kuò)壓器流道內(nèi)的速度分布,圖14展示了對(duì)應(yīng)的流動(dòng)情況。對(duì)于安裝在輪盤側(cè)的半高葉片擴(kuò)壓器,小流量工況時(shí),擴(kuò)壓器葉片吸力面的氣流穿過葉頂間隙與葉片壓力面的氣流混合,這種流動(dòng)行為抑制了擴(kuò)壓器葉片前緣得到分離流動(dòng),防止分離流動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)在大流量工況時(shí),半高葉片擴(kuò)壓器的葉片吸力面的氣流不受葉片的限制而穿過葉頂間隙,與主流摻混,在減速主流流速同時(shí)增加總壓損失。圖15展示了半高葉片擴(kuò)壓器安裝在輪蓋側(cè)時(shí),qm為0.366、0.564 kg·s-1工況下擴(kuò)壓器流道內(nèi)的速度分布,圖16展示了對(duì)應(yīng)的流動(dòng)情況。對(duì)于安裝在輪蓋側(cè)的半高葉片擴(kuò)壓器,當(dāng)在大流量工況下,擴(kuò)壓器葉片葉高的缺失消除了一部分葉片前緣產(chǎn)生的分離流動(dòng)。當(dāng)在小流量工況時(shí),其與安裝在輪盤側(cè)的半高葉片擴(kuò)壓器效果類似。

(a)qm=0.336 kg·s-1

(b)qm=0.564 kg·s-1

(a)qm=0.336 kg·s-1

(b)qm=0.564 kg·s-1

(a)qm=0.336 kg·s-1

(b)qm=0.564 kg·s-1

此外,正是在半高葉片擴(kuò)壓器中由于葉頂間隙流動(dòng)與葉片前緣攻角引起的分離流動(dòng)存在不同形式的相互作用,因此擴(kuò)壓器葉片前緣幾何角與與氣流角并非簡(jiǎn)單的配合,而會(huì)受到葉頂間隙流動(dòng)的影響,其最佳幾何安裝角度由葉片前緣氣流角和葉頂間隙流動(dòng)共同決定[10-11]。

3 斜半高葉片擴(kuò)壓器

3.1 斜半高葉片擴(kuò)壓器的整體性能

斜半高葉片擴(kuò)壓器如圖17所示,斜半高葉片擴(kuò)壓器減小了葉片前緣葉片高度而增加了后緣葉片高度。在本文中斜半高葉片擴(kuò)壓器前緣葉片高度為擴(kuò)壓器寬度的80%,葉高沿流道逐漸增加,后緣葉片高度為擴(kuò)壓器寬度的95%,即hb/b3為0.80～0.95。

圖17 斜半高葉片擴(kuò)壓器示意圖Fig.17 Tilted half-vaned diffuser

斜半高葉片擴(kuò)壓器(hb/b3為0.80～0.95)與分別安裝在輪盤側(cè)和輪蓋側(cè)的半高葉片擴(kuò)壓器(hb/b3=0.90)的性能對(duì)比如圖18所示。在設(shè)計(jì)工況下,當(dāng)安裝在輪盤側(cè)時(shí),使用斜半高葉片擴(kuò)壓器相較于使用半高葉片擴(kuò)壓器,離心壓縮機(jī)級(jí)的總靜壓比、總靜等熵效率相比于分別提升了3.80%、2.74%。當(dāng)安裝在輪蓋側(cè)時(shí),使用斜半高葉片擴(kuò)壓器相較于使用半高葉片擴(kuò)壓器,離心壓縮機(jī)級(jí)的總靜壓比、總靜等熵效率最大提升分別為0.82%、2.11%。斜半高葉片擴(kuò)壓器(hb/b3為0.80～0.95)與葉片擴(kuò)壓器、無葉擴(kuò)壓器的性能進(jìn)行對(duì)比,如圖19所示。相比于使用葉片擴(kuò)壓器,使用斜半高葉片擴(kuò)壓器在輪盤側(cè)和輪蓋側(cè)時(shí),離心壓縮機(jī)級(jí)的工作范圍分別擴(kuò)大了3.10%、4.55%。而在小流量條件下,離心壓縮機(jī)級(jí)中使用斜半葉擴(kuò)壓器的效率略低于使用葉片擴(kuò)壓器,而總靜壓比略高于使用葉片擴(kuò)壓器。

(a)總靜壓比

(b)總靜等熵效率

(a)總靜壓比

3.2 斜半高葉片擴(kuò)壓器內(nèi)部的瞬態(tài)流動(dòng)特征

為了計(jì)算收斂,在擴(kuò)壓器流道后設(shè)置的噴嘴流道控制壓縮機(jī)質(zhì)量流量的減小,并以此來模擬由小流量工況下由葉輪葉片前緣氣流攻角增大引起的葉輪旋轉(zhuǎn)失速。計(jì)算域的邊界條件與穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)保持一致,通過減小噴嘴出口面積使質(zhì)量流量下降至穩(wěn)態(tài)計(jì)算中的最小計(jì)算收斂質(zhì)量流量之下(即小于約0.3 kg·s-1),計(jì)算以最后一個(gè)計(jì)算收斂的流場(chǎng)結(jié)果為初值。此外在離心壓縮機(jī)級(jí)流道內(nèi)設(shè)置靜壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,1～P1,13(沿周向位置分布)、P2,1、P3,1、P4,1、P5,1～P5,14(沿周向位置分布)、P6,1,如圖20所示。在瞬態(tài)計(jì)算過程中,當(dāng)離心壓縮機(jī)級(jí)內(nèi)所有靜壓檢測(cè)點(diǎn)呈明顯的周期性波動(dòng)時(shí)視為計(jì)算收斂,并再此時(shí)繼續(xù)計(jì)算一定時(shí)間,取葉輪旋轉(zhuǎn)最后的12周作為結(jié)果進(jìn)行分析。

瞬態(tài)模擬時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 ms,每步內(nèi)部迭代20次,即將葉輪旋轉(zhuǎn)一周分為120步進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)檢測(cè)靜壓值呈現(xiàn)穩(wěn)定周期性變化時(shí)視為計(jì)算收斂,并取收斂后的共計(jì)1 440步(旋轉(zhuǎn)12周)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖20 離心壓縮機(jī)內(nèi)部靜壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.20 Positions of all pressure monitors in centrifugal compressor stage

對(duì)于安裝在輪盤側(cè)的斜半高葉片擴(kuò)壓器,圖21中展示了擴(kuò)壓器流道入口的P5,1～P5,14監(jiān)測(cè)點(diǎn)均監(jiān)測(cè)到周向分布的1 734.3 Hz靜壓信號(hào)未得出相鄰靜壓信號(hào)間規(guī)律的相位差,表明擴(kuò)壓器葉片前端并未形成沿周向遷移的失速團(tuán)。葉輪出口氣流影響了擴(kuò)壓器葉片葉頂間隙的流動(dòng),在擴(kuò)壓器流道中部沿周向出現(xiàn)了一些周期性低速區(qū)而非在擴(kuò)壓器流道前部,如圖22所示。

圖21 斜半高葉片擴(kuò)壓器在輪盤側(cè)時(shí)的擴(kuò)壓器流道入口靜壓信號(hào) Fig.21 Pressure signals at inlet of tilted half-vaned diffuser at hub side

圖22 斜半高葉片擴(kuò)壓器相對(duì)高度為0.7的速度云圖(輪盤側(cè))Fig.22 Velocity contour at relative height 0.7 in tilted half-vaned diffuser at hub side

對(duì)于安裝在輪蓋側(cè)的斜半高葉片擴(kuò)壓器,擴(kuò)壓器流道前的壓力信號(hào)如圖23所示,且P5,1～P5,14靜壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間相鄰的靜壓信號(hào)存在規(guī)律的相位差,如圖24所示。這表明在擴(kuò)壓器葉片前存在典型旋轉(zhuǎn)團(tuán)的周向移動(dòng)現(xiàn)象,且失速團(tuán)數(shù)為8。這種相位差表示失速團(tuán)移動(dòng)的方法在文獻(xiàn) [25]中以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中斜虛線代表當(dāng)失速團(tuán)發(fā)生勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的理想路徑,斜率的正、負(fù)表示失速團(tuán)逆葉輪旋轉(zhuǎn)或隨葉輪旋轉(zhuǎn)。

圖23 斜半高葉片擴(kuò)壓器在輪蓋側(cè)時(shí)的擴(kuò)壓器流道入口靜壓信號(hào) Fig.23 Pressure signals at inlet of tilted half-vaned diffuser at shroud side

圖24 斜半高葉片擴(kuò)壓器在輪蓋側(cè)時(shí)擴(kuò)壓器流道入口靜壓信號(hào)相位差Fig.24 Phase transfer between monitors at inlet of tilted half-vaned diffuser at shroud side

圖25展示了斜半高葉片擴(kuò)壓器相對(duì)高度0.3處的速度云圖。葉輪出口的高速氣流團(tuán)被擴(kuò)壓器葉片葉頂間隙處的氣流阻擋而形成高速和低速交替的速度分布現(xiàn)象。在離心式壓縮機(jī)中,葉輪出口靠近輪盤側(cè)的主流速度一般大于靠近輪蓋側(cè)的流速,因此當(dāng)斜半高葉片擴(kuò)壓器安裝在輪盤側(cè)時(shí),其葉頂間隙流出的氣流注入到主流的低速部分,并不能對(duì)主流產(chǎn)生明顯的阻礙效果,而當(dāng)斜半高葉片擴(kuò)壓器安裝在輪蓋側(cè)時(shí),情況則相反。這解釋了為何在小流量條件下,安裝在離心壓縮機(jī)級(jí)內(nèi)輪盤側(cè)的斜半高葉片擴(kuò)壓器具有更強(qiáng)的靜壓恢復(fù)能力,卻有更大的總壓損失。

圖25 斜半高葉片擴(kuò)壓器相對(duì)高度為0.7的速度云圖(輪蓋側(cè))Fig.25 Velocity contour at relative height 0.7 in tilted half-vaned diffuser at shroud side

圖26展示了使用葉片擴(kuò)壓器時(shí)的離心壓縮機(jī)級(jí)旋轉(zhuǎn)失速時(shí)的靜壓檢測(cè)信號(hào),對(duì)比文獻(xiàn) [18]中實(shí)驗(yàn)獲得的壓力信號(hào),兩者十分相似,說明本文離心壓縮機(jī)級(jí)小流量工況下發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。此外,當(dāng)使用葉片擴(kuò)壓器時(shí),擴(kuò)壓器流道內(nèi)每個(gè)通道保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)失速團(tuán)周向移動(dòng),如圖27所示,與文獻(xiàn) [18]中的結(jié)論相同。然而葉片擴(kuò)壓器流道內(nèi)持續(xù)擴(kuò)大的靜壓波動(dòng)仍將為離心壓縮機(jī)級(jí)運(yùn)行帶來極大的不穩(wěn)定性,斜半高葉片擴(kuò)壓器能夠通過葉頂間隙流動(dòng)與主流的相互作用,通過該部分靜壓波動(dòng)能力分散到其他頻率,極大地緩解了靜壓波動(dòng)的幅值。在本文中靜壓波動(dòng)的能量從346.9 Hz分散到了其他多個(gè)頻率上,靜壓波動(dòng)的最大范圍從約50 kPa降低至約10 kPa。

圖26 葉片擴(kuò)壓器時(shí)壓縮機(jī)流道靜壓信號(hào)Fig.26 Pressure signals of centrifugal compressor using vaned diffuser

4 結(jié) 論

本文采用CFD方法對(duì)使用不同擴(kuò)壓器類型的一款小型制冷離心壓縮機(jī)進(jìn)行了研究。分析了半高葉片擴(kuò)壓器的流動(dòng)機(jī)理,提出了一種斜半高葉片擴(kuò)壓器,研究了斜半高葉片擴(kuò)壓器在離心壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的瞬態(tài)流動(dòng)機(jī)理?？傻萌缦轮饕Y(jié)論。

(1)半高葉片擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)機(jī)理表明半高葉片擴(kuò)壓器中前緣攻角和葉頂間隙引起的流動(dòng),會(huì)在半高葉片擴(kuò)壓器流道內(nèi)與主流混合,產(chǎn)生復(fù)雜的混合流動(dòng)。在大流量工況時(shí)該混合流動(dòng)能夠穩(wěn)定擴(kuò)壓器工作性能,在小流量工況時(shí)增加靜壓恢復(fù)能力而增加總壓損失。半高葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)的影響在使用制冷劑或空氣為工質(zhì)時(shí)的情況類似,均能擴(kuò)大離心壓縮機(jī)運(yùn)行范圍。

(2)斜半高葉片擴(kuò)壓器的葉片前緣可以有效避免由氣流攻角產(chǎn)生的流動(dòng)分離,葉片尾緣則可以抑制葉頂間隙流動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)大,從而利用其葉頂間隙的流動(dòng)來提高靜壓恢復(fù)能力并維持效率。在設(shè)計(jì)工況下,對(duì)于安裝在輪盤側(cè)的斜半高葉片擴(kuò)壓器,離心壓縮機(jī)級(jí)的總靜壓比、總靜等熵效率最大提升分別為3.80%、2.74%,對(duì)于當(dāng)安裝在輪蓋側(cè)時(shí)分別為0.82%、2.11%。

(3)當(dāng)使用斜半高葉片擴(kuò)壓器時(shí),來自葉輪出口的周向不穩(wěn)定氣流會(huì)在擴(kuò)壓器流道內(nèi)與擴(kuò)壓器葉頂間隙流相互作用,產(chǎn)生更為復(fù)雜的流動(dòng),同時(shí),氣流的流動(dòng)速度和靜壓波動(dòng)強(qiáng)度會(huì)大幅度下降。葉頂間隙流動(dòng)與主流的相互作用將葉輪發(fā)生失速時(shí)引起的靜壓波動(dòng)能量從單一頻率(364.9 Hz)分散到多個(gè)頻率上,靜壓波動(dòng)的最大幅度也從50 kPa降低至約10 kPa。