離心壓縮機(jī)小流量級擴(kuò)壓器的分析與優(yōu)化

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1、離心壓縮機(jī)小流量級擴(kuò)壓器的分析與優(yōu)化AnalysisandOptimizationofCentrifugalCompressorDiffuserwithSmallFlowStage冀春俊肖蕾/大連理工大學(xué)動(dòng)力系摘要:對一離心壓縮機(jī)小流量級的擴(kuò)壓器內(nèi)部的三維粘性流場進(jìn)行了數(shù)值研究。在對整級流場模擬的基礎(chǔ)上，對其無葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流場進(jìn)行分析探討，提出加入葉片擴(kuò)壓器的改造方案，并對擴(kuò)壓器葉片型線進(jìn)行了分析討論，使其級多變效率提高近5個(gè)百分點(diǎn)。關(guān)鍵詞：離心壓縮機(jī)小流量流動(dòng)模擬中圖分類號：TH452文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1006-8155（2005）02-0015-03Abstract:Num

2、ericalresearchofthethreedimensionalviscosityflowinacentrifugalcompressorwithlowmassflowcoefficientispresentedinthispaper.Basedonthenumericalanalysisoftheflowinsidethewholestage,especiallytheflowinthevanelessdiffuser,vaneddiffuserisproposedforthemodificationofthecompressor.Bladeprofileisnumerica

3、llyanalyzedandan5%increaseofthepolytropicefficiencyofthestageisachieved.Keywords:CentrifugalcompressorSmallflowratestageDiffuser1引言在離心式壓縮機(jī)中，擴(kuò)壓器的功用主要是使從葉輪出來的具有較大動(dòng)能的氣流減速，以使動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為壓力能。無論徑向直葉片還是后彎或強(qiáng)后彎葉輪，這部分動(dòng)能都要占葉輪總耗功的很大比例。擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)得理想與否對級效率和壓比有很大影響，它在離心壓縮機(jī)中是與葉輪同樣重要的元件，因此，對擴(kuò)壓器的研究是一項(xiàng)十分有價(jià)值的工作。本文研究的多級離心式壓

4、縮機(jī)小流量模型級的流量系數(shù)φ=0.01028，在設(shè)計(jì)工況下多變效率僅為68%，與現(xiàn)今國際同類水平壓縮機(jī)的多變效率相比要低10個(gè)百分點(diǎn)。通過對此小流量模型級內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，對模擬后的原結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)各元件中擴(kuò)壓器內(nèi)部流場的流動(dòng)損失過大是造成其多變效率低的重要因素之一。據(jù)此，對原結(jié)構(gòu)采用的無葉擴(kuò)壓器進(jìn)行分析，針對其流動(dòng)特點(diǎn)在其后端加一段葉片擴(kuò)壓器，并對擴(kuò)壓器葉片型線進(jìn)行一系列的分析討論，使改進(jìn)后的擴(kuò)壓器性能有所提高，進(jìn)而增加整級的多變效率。2原無葉擴(kuò)壓器幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖1和圖2為此小流量模型級整級的三維造型。從圖中可以看到，原結(jié)構(gòu)采用的是等寬無葉擴(kuò)壓器（b3=b

5、4=const）；擴(kuò)壓器前面連接強(qiáng)后彎閉式葉輪，等厚度葉片，葉片尾緣為鈍頭，且b2＞b3；后面連接的彎道前后寬度不等，略有擴(kuò)張。44圖1圖23計(jì)算方法與邊界條件雖然研究的對象是離心式壓縮機(jī)小流量模型級的擴(kuò)壓器，但為真實(shí)地反映擴(kuò)壓器內(nèi)部流場的流動(dòng)情況，采用了計(jì)算流體力學(xué)的手段對整級內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。整級結(jié)構(gòu)幾何形狀非常復(fù)雜，內(nèi)部流動(dòng)具有明顯的三元流動(dòng)和粘性流動(dòng)、非定常流動(dòng)特征，流動(dòng)分析問題異常復(fù)雜。本計(jì)算分析的出發(fā)點(diǎn)為氣流流動(dòng)的控制方程，包括三維可壓縮雷諾平均N-S方程、能量方程、連續(xù)方程、理想氣體狀態(tài)方程、以及Baldwing-Lomax代數(shù)湍流模型方程；采用有限體積法對控

6、制方程進(jìn)行空間離散，采用顯式時(shí)間推進(jìn)法求解，并使用有效的多塊/多重網(wǎng)格技術(shù)提高整個(gè)求解的收斂速度。計(jì)算域包括進(jìn)氣道、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器，并在回流器出口段進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难由?。網(wǎng)格采用多塊六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。計(jì)算時(shí)流體工質(zhì)選擇為空氣，進(jìn)口邊界給定速度方向、靜溫（Tin=293K）、質(zhì)量流量（G=0.5378kg/s），出口邊界給定靜壓（pout=137293.1Pa）。4計(jì)算結(jié)果分析4.1原無葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流動(dòng)分析利用上述計(jì)算平臺進(jìn)行離心壓縮機(jī)小流量模型級的數(shù)值分析計(jì)算，得到了各元件（包括葉輪、擴(kuò)壓器、彎道及回流器）內(nèi)部三維流場的完全信息。原結(jié)構(gòu)采用的是等寬無葉擴(kuò)壓器，無葉擴(kuò)壓器有結(jié)構(gòu)簡

7、單，造價(jià)低，性能曲線平穩(wěn)，穩(wěn)定工況范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)在于，由于流體在無葉擴(kuò)壓器中α角基本不變，流動(dòng)路程較長，摩擦損失較大，在設(shè)計(jì)工況下效率比葉片擴(kuò)壓器要低，當(dāng)α角很小時(shí)這種不足更加明顯。通過對葉輪流道內(nèi)部流場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)葉輪出口的α2比較?。s8.5°），擴(kuò)壓器中的流線偏長（見圖3），流動(dòng)損失比較大，這可能就是擴(kuò)壓器性能不高的重要原因之一。據(jù)此，嘗試在無葉擴(kuò)壓器后端加一段葉片擴(kuò)壓器，使方向角α增大，流道長度縮短，以達(dá)到減少流動(dòng)損失的目的。4.2葉片擴(kuò)