某軸流壓縮機排氣蝸殼數值分析

陳洪港

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

對工業用軸流壓縮機來說，壓縮機進氣和排氣分別由徑向進入和徑向排出，在工廠空間布置上，具有很大優勢。工業用壓縮機進排氣結構一般都做成蝸殼形式，以實現氣流的徑向和軸向的轉向。蝸殼的結構形式決定了蝸殼內流場有很大的旋流或者漩渦，這些旋流或者漩渦是造成氣動損失的主要部分，排氣段過大的損失會消耗壓氣機的輸入功率。本文針對某工業軸流壓縮機的排氣蝸殼進行了改型設計，增加了整流肋板以使排氣蝸殼內的流場變得均勻。為驗證改型設計后的實際效果，進行了相應的數值計算，以分析其內部流動特性，驗證改型后的壓縮機排氣蝸殼的氣動性能。

1 計算模型及數值方法

本文的數值研究對象為某工業軸流壓縮機的排氣蝸殼，圖1 所示為該排氣蝸殼結構的二維回轉截面及三維實體造型。

圖1 排氣蝸殼的二維回轉截面及三維實體模型

計算網格采用ICEM 商業軟件進行劃分，根據排氣蝸殼的結構特點，本算例的網格均為結構化網格，對其壁面區域進行加密處理，網格的正交角均大于55°，具有很好的正交性。采用CFX 商用軟件數值求解RANS 方程，湍流模型采用標準的k-ε 二方程模型，近壁面區域采用壁面函數法求解，離散格式選擇二階高精度格式，壁面采用無滑移絕熱固壁，針對動量方程和質量方程的殘差均設為10-6數量級，進出口質量流量相差小于0.1%時，確認計算收斂。

2 結果與分析

2.1 性能指標分析

排氣蝸殼的設計需盡可能滿足出口截面流場的均勻性以及蝸殼壓力損失最小。因此，本文主要通過考察蝸殼出口截面的速度場平均不均勻度和蝸殼的總壓損失來衡量排氣蝸殼的性能，平均不均勻度及壓力損失越小，蝸殼性能越好［1-3］。

總壓損失定義為ω＝（P1－P2）/P1×100%。

式中：P1為蝸殼部分的進口總壓；P2為蝸殼部分的出口總壓。

根據實際的工作狀態確定本文計算模型的邊界條件，經數值計算后，得到如表1 所示的性能指標計算結果。排氣蝸殼的總壓損失為3.1%，出口截面的速度平均不均勻度為0.95，而行業中相應的判定標準為總壓損失5%，平均不均勻度為2.0，本文所構建的排氣蝸殼性能達到了工業用軸流壓縮機的使用標準，性能更佳。這是由于在靠近出口和遠離出口的位置都裝有整流肋板，配合其自身原有的擴壓葉片，使得氣流能夠均勻地流入蝸殼內，蝸殼內的流場更加均勻。

表1 排氣蝸殼性能指標評價

2.2 內部流場分析

圖2 所示為排氣蝸殼的總體流線和出口截面流線分布情況。從圖2 中可以看出，因為增加了整流肋板，出口管道內及出口截面上的旋流較弱，整個排氣蝸殼的流場比較平穩。

圖2 排氣蝸殼整體流線及出口截面流線

3 結論

本文針對某工業軸流壓縮機的排氣蝸殼進行了改型設計，增加了出口段的整流肋板，并進行了數值試驗分析，驗證了所進行的改型設計能夠改善排氣蝸殼內的流場分布情況，其總壓損失和速度不均勻度均較低，滿足工業生產需求。

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