某工業(yè)軸流壓縮機進氣蝸殼數(shù)值研究

2014-07-08 02:16:56秦華魂

機械工程師 2014年10期

秦華魂

（北重阿爾斯通電氣裝備有限公司，北京 100040）

0 引言

進氣蝸殼是工業(yè)用軸流壓縮機的重要組成結(jié)構(gòu)。正是由于徑向蝸殼的形式，使得工業(yè)壓縮機的占地空間更小，在廠房布置上，具有很大的優(yōu)勢。工業(yè)壓縮機的進氣蝸殼實現(xiàn)了壓縮機進氣的徑向至軸向的轉(zhuǎn)換，但同時也帶來一些不利影響，當進行進氣蝸殼設(shè)計時過多考慮部套布置及空間結(jié)構(gòu)時，會使蝸殼不在最佳的氣動性能下工作，徑向進氣會使壓縮機進口流場發(fā)生畸變，使進口的速度、壓力氣流角等在周向上有很大的不均勻度，從而影響壓縮機運行狀況及性能曲線［1］。

本文以某工業(yè)軸流壓縮機的進氣蝸殼為研究對象，通過改變其進口形狀和增加導流肋板以使進氣蝸殼內(nèi)流場變得均勻。為驗證所改型設(shè)計的實際影響，進行相應的數(shù)值計算，以分析其內(nèi)部流動特性，驗證改型后的壓縮機進氣蝸殼的氣動性能。

1 計算模型及數(shù)值方法

本文的數(shù)值研究對象為某工業(yè)軸流壓縮機的進氣蝸殼，圖1 所示為該進氣蝸殼結(jié)構(gòu)的二維回轉(zhuǎn)截面及三維實體造型。本文計算模型將進氣蝸殼原始的圓形進口段改為矩形進口段，并在進口位置增加導流肋板。

網(wǎng)格劃分采用ICEM 進行，由于進氣蝸殼結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，并在蝸殼壁面位置進行加密，網(wǎng)格具有很好的正交性。

數(shù)值計算采用CFX 軟件，其中湍流模型為標準的kε 模型，壁面為無滑移的絕熱固壁。監(jiān)測進出口位置的質(zhì)量流量，當進出口質(zhì)量流量相差小于0.1%時，確認計算收斂。

2 結(jié)果與分析

2.1 性能指標分析

進氣蝸殼的設(shè)計需盡可能滿足壓縮機進口的流場均勻性，并確保蝸殼壓力損失最小。因此，衡量進氣蝸殼氣動性能的主要指標包括蝸殼的總壓力損失和速度不均勻度，總壓力損失和速度不均勻度越小，進氣蝸殼的氣動性能越好［2-4］。

總壓力損失定義為

式中，Pin為蝸殼部分的進口總壓力；Pout為蝸殼部分的出口總壓力。

速度不均勻度定義為

圖1 進氣蝸殼的二維回轉(zhuǎn)截面及三維實體模型

式中，vi為截面上計算單元的軸向參數(shù)，為截面上的設(shè)計平均參數(shù)。

根據(jù)軸流壓縮機的實際運行狀態(tài)來給定數(shù)值模擬的邊界條件，經(jīng)數(shù)值計算，得到如表1 所示的性能指標計算結(jié)果。進氣蝸殼的總壓力損失為2.5%，壓縮機進口的速度不均勻度為6.93%。通過與工業(yè)用軸流壓縮機的使用標準對比，發(fā)現(xiàn)本文所進行的針對進氣蝸殼的改型設(shè)計所帶來的氣動性能影響更佳。這是因為進口位置所增加的導流肋板使得進口的氣流更加均勻。