不同葉型葉片擴壓器對離心壓縮機性能影響的數值模擬

賴晨光，曾宏強，莊 嚴，陳永燕，周毓婷

（重慶理工大學 a.車輛工程學院；b.化學化工學院，重慶400054）

不同葉型葉片擴壓器對離心壓縮機性能影響的數值模擬

賴晨光a，曾宏強a，莊 嚴a，陳永燕a，周毓婷b

（重慶理工大學 a.車輛工程學院；b.化學化工學院，重慶400054）

不同葉型葉片擴壓器對離心壓縮機的性能影響差別很大。首先，用數值模擬的方法研究了4種葉型葉片擴壓器的氣體流動，得到不同葉片擴壓器的流場和壓力分布規律，初步對比這4種葉片擴壓器的擴壓效果。然后，對包含4種葉型葉片擴壓器的離心壓縮機進行數值模擬計算，綜合分析了這4種不同擴壓器對離心壓縮機性能的影響。結果表明：采用翼型葉片擴壓器的離心壓縮機綜合性能最好。

葉片葉型；擴壓器；離心壓縮機；數值模擬

近年來，小型高轉速離心式壓縮機得到了廣泛應用。國內外很多學者都對小流量、高轉速的離心壓縮機進行過理論及實驗研究［1－3］。葉輪和擴壓器的結構形式是影響壓縮機工作性能和高效運行的重要因素。葉輪的高速旋轉使得葉輪出口氣流對擴壓器進口氣流產生很大影響，這也決定了壓縮機內的三維、非定常、復雜的氣流特性［4］。在離心風機中，葉輪出口處氣流的動能約占葉輪對氣體做功的20%～50%，為了將這部分動能高效地轉化為壓力能，并提高風機的整機效率，通常的辦法是在葉輪的下游安裝合適的擴壓器［5］。離心壓縮機的擴壓器一般分為葉片式和無葉式兩種。采用無葉擴壓器可使離心壓氣機具有較寬的工作流量范圍，但工作效率較低。采用葉片式擴壓器的工作流量范圍有所下降，但具有較高的工作效率。林彤等［6］對采用無葉擴壓器、葉片擴壓器以及串列葉片擴壓器的車用增壓器離心壓氣機內部流動進行了數值分析，提出采用串列式葉片擴壓器可以改善葉片擴壓器流量范圍減小的問題。王志恒等［7］采用實驗和數值方法研究了擴壓器葉片進口安裝角和葉片型線對其性能的影響。

本文主要對包含有4種不同葉型葉片擴壓器的離心壓縮機內部流場進行了數值模擬，然后對比分析了不同葉片擴壓器對離心壓縮機性能的影響。

1 幾何模型建立及網格劃分

本研究設計的葉片擴壓器的4種葉片型式分別是直板型、圓弧型、楔型、翼型。模型在CATIA軟件中建立。擴壓器入口直徑為82 mm，擴壓器出口直徑為104 mm。葉片數量為11，葉片高度為4.55 mm，葉片安裝角都為25°，并保證葉片的弦長相等。葉片擴壓器幾何模型示意圖如圖1所示。

圖1 4種葉片擴壓器幾何模型示意圖

4種不同擴壓器分別和相同的葉輪、蝸殼組合成4種離心壓縮機模型。其中，葉輪模型是在專業旋轉機械建模軟件Blade－Gen中建立的，蝸殼是在CATIA中建立的。葉輪進口輪轂直徑為16 mm，進口輪蓋直徑為42.8 mm，葉輪出口直徑為59.2 mm。葉輪葉片采用的是帶分流后彎葉片型式，葉片后彎角設計為45°［8］。離心壓縮機葉輪的設計轉速為12萬r／min，設計入口流量為0.115 kg／s。為了使進入葉輪的氣體更加平穩，在葉輪的前端增加了進口段。圖2是匹配平板型擴壓器離心壓縮機的網格示意圖。離心壓縮機劃分為3個計算域：進口段、葉輪段、擴壓器蝸殼段。其中，葉輪段為旋轉域，用多重旋轉坐標系方法進行模擬，進口段和擴壓器蝸殼段為靜止域。在ICEM CFD軟件中對4種離心壓縮機模型劃分非結構化三角形面網格和四面體體網格，網格數量均控制在300萬左右，網格質量都在0.2以上。

圖2 匹配平板型擴壓器的離心壓縮機的網格示意圖

2 4種葉片擴壓器流場數值模擬分析

由于葉輪做高速旋轉運動，葉輪出口處的氣流與擴壓器葉片相互作用，使得壓縮機內部的流動情況較為復雜。為了更清楚地描述氣體在擴壓器內的流動規律，并對比不同葉片擴壓器對流場的影響，首先在Fluent軟件中單獨對4種葉片擴壓器進行了數值模擬。

在Fluent中的邊界條件設置：入口設為壓力入口，入口總壓為153.6 kPa，氣流入口角與葉片安裝角相同為25°，入口總溫設為360 K；出口設為壓力出口，出口靜壓為145 kPa，回流總溫設為410 K。湍流模型選為Realizable k－ε模型，標準壁面函數，流場求解器基于couple算法。

求解收斂后，將Fluent中的計算結果導入CFD－POST進行后處理。首先，在CFD-POST軟件中建立一個法向為Z軸的平面截面，位置處于50%葉高處。然后，依次查看對比該截面的壓力云圖、速度矢量圖，最后，計算擴壓器出口和進口的壓比。

圖3是4種葉片擴壓器的50%葉高截面的壓力云圖對比。

圖3 4種葉片擴壓器50%葉高截面壓力云圖對比

由以上4種不同葉型葉片擴壓器的靜壓云圖對比可以看出：4種不同葉片擴壓器的內部靜壓從擴壓器入口到出口都是不斷增大的，特別是從葉片擴壓器入口到喉口位置靜壓恢復較快，但是，在進入葉片擴壓器流道以后，其靜壓恢復比較緩慢。4種葉片擴壓器在入口和喉口處的靜壓以及靜壓恢復系數見表1。

表1 擴壓器的靜壓及靜壓恢復系數比較

從圖3以及表1分析得出，翼型葉片擴壓器從入口位置到喉口位置的靜壓恢復相對于其他3種葉片擴壓器更快，擴壓器性能相對較好。

圖4～7是4種葉片擴壓器的葉片50%葉高處平面截面的速度矢量圖。

圖4 直板型葉片擴壓器截面速度矢量圖

圖5 圓弧型葉片擴壓器截面速度矢量圖

圖6 楔型葉片擴壓器截面速度矢量圖

圖7 翼型葉片擴壓器截面速度矢量圖

由以上4幅不同葉型葉片擴壓器速度矢量分布圖對比分析得出：楔型葉片擴壓器在葉片尾緣出現較大的渦流區，導致尾跡損失和氣流分離損失，容易使擴壓器的性能下降；平板型葉片擴壓器在吸力面出現氣流低速區，導致氣體分離損失和附面層損失；圓弧型葉片擴壓器在葉片后半部分壓力面上出現了較明顯的氣流低速區，并且沿擴壓器流道方向低速區不斷擴大，容易導致氣流分離損失和附面層損失；翼型葉片擴壓器在葉片尾部幾乎不存在渦流區，氣流與葉片表面貼合良好，葉片吸力面和壓力面不存在氣體分離現象。對比發現：3種葉片擴壓器中翼型葉片擴壓器性能最好。4種擴壓器的壓比對比如表2。

表2 4種葉片擴壓器壓比

由表2可以看出，翼型葉片擴壓器的壓比最高，而圓弧型葉片擴壓器的壓比最小。

由以上分析可得：

1）對比發現翼型葉片擴壓器的通流面積最大，流場均勻性最好。

2）通過對比壓力云圖發現翼型葉片擴壓器壓力變化最均勻，從入口位置到喉口位置靜壓恢復相對于其他3種葉片擴壓器較快，擴壓器性能較好。

3）通過對比速度矢量圖發現翼型葉片擴壓器在尾部幾乎不存在渦流區，氣流在葉片表面附著良好，沒有氣流分離現象，而其他3種葉片擴壓器在尾部都存在不同程度的尾跡損失和氣體分離損失，能量損失較翼型葉片擴壓器大。

3 帶葉片擴壓器的離心壓縮機數值模擬分析

為了對比不同葉型葉片擴壓器對離心壓縮機性能的影響，分別將4種葉型葉片擴壓器和同一個葉輪和蝸殼組合進行數值模擬分析。平板型擴壓器、葉輪、蝸殼組合后的離心壓縮機如圖2所示。

在Fluent軟件中采用Realizable k－ε湍流模型，可以較好地模擬旋流和強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等［9］。入口設為流量入口，一共計算了5個工況點，從低于設計流量到高于設計流量變化依次為0.075，0.095，0.115，0.135，0.155 kg／s。其中設計流量為0.115 kg／s，設計葉輪轉速為12萬r／min。出口設為壓力出口，出口靜壓大小為1 820.385 kPa。本次模擬主要是對比匹配4種不同葉型葉片擴壓器的離心壓縮機在同一葉輪轉速下，不同入口流量所對應的壓比和效率。

壓比指的是離心壓縮機出口壓力與入口壓力之比。表3是4種不同離心壓縮機對應不同質量流量的壓比。為了方便，把匹配直板型葉片擴壓器的離心壓縮機簡稱1型；匹配圓弧型葉片擴壓器的離心壓縮機簡稱為2型；匹配楔型葉片擴壓器的離心壓縮機簡稱為3型；匹配翼型葉片擴壓器的離心壓縮機簡稱為4型。后面的表4標注和表3一樣。

表3 4種離心壓縮機對應不同流量的壓比

圖8可以更直觀地表達離心壓縮機壓比與流量的關系。

圖8 離心壓縮機壓比與流量關系曲線

由表3及圖8可以看出：4種葉型葉片擴壓器的離心壓縮機的壓比隨流量變化的趨勢基本是一致的，除了匹配楔型擴壓器的離心壓縮機在流量為0.155 kg／s下有個突然的升高，其他都是在設計流量為0.115 kg／s時壓比達到最大。這是由于在設計工況下，沖角大都在0°附近，氣流的情況與葉柵的幾何形狀最協調，流動損失最小。尤其是翼型葉片擴壓器的離心壓縮機，在設計工況下相對其他離心壓縮機的壓比都要高，這說明翼形葉片有較好的導流作用。至于楔型葉片擴壓器的離心壓縮機在流量為0.155 kg／s時壓比相對升高，可能是由于較小流量時楔型葉片擴壓器的尾跡損失較嚴重，而增加流量大大減少了楔型葉片擴壓器的尾跡損失。

離心壓縮機全壓是指靜壓和動壓的代數和。對于離心壓縮機的全壓效率采用公式η＝其中：Q是進入離心壓縮機的質量流量［10］；M是葉輪所受扭矩；ω是葉輪角速度。表4是計算的幾種離心壓縮機在不同質量流量下對應的全壓效率。

圖9是4種葉型葉片擴壓器離心壓縮機的效率與流量關系曲線。

4種葉型葉片擴壓器的離心壓縮機效率隨著質量流量的增大都呈現先增大后減小的趨勢，在設計流量時效率達到最大。當流量較小時，氣流的分離沖擊損失增加很快，因此效率不高。當質量流量大于設計流量后，隨著流量的增大，氣流與離心壓縮機相作用的摩擦損失和沖擊損失都會增大，因此效率將下降較快。從效率與流量的關系曲線也可以看出：翼型葉片擴壓器的離心壓縮機在設計流量及大于設計流量的工況中，效率相對于其他3種類型要明顯更高，這也同樣說明了翼型葉片較好的導流作用。

表4 4種離心壓縮機對應不同流量的壓比

圖9 離心壓縮機效率與流量關系曲線

圖10 是在設計轉速12萬r／min和設計流量0.115 kg／s工況下的4種離心壓縮機的靜壓云圖對比。從圖10可以看出：氣體從葉輪進入擴壓器、蝸殼，靜壓整體趨勢是逐漸增加的；在蝸殼喉口處均存在一個明顯的高壓區，這可能是由于該處較小的空間內積累了較多的高壓氣體所導致的；葉片擴壓器內的周向靜壓分布并不對稱，由于進口氣流的不均勻性，氣流邊界層的分離總是在一個或幾個葉片上首先發生；發生氣流分離現象的葉道有效通流面積減小，這使得相鄰葉道的氣流量增加，改變了原來的氣流方向。氣流分離區以和葉輪旋轉方向相反的方向旋轉移動，這種現象稱為旋轉脫離［11］。對比可發現：翼型葉片擴壓器處的靜壓分布相對其他幾種葉型葉片擴壓器處的靜壓分布更均勻，這說明翼型葉片擴壓器發生的旋轉脫離的程度較小。

圖10 4種離心壓縮機的靜壓云圖對比

4 結論

1）不同葉型的葉片擴壓器對離心壓縮機的性能有很大影響。

2）翼型葉片擴壓器相對其他葉型擴壓器可以獲得較好的增壓效果。

3）采用翼型葉片擴壓器的離心壓縮機流動損失小，在設計流量下可以保證更高的效率。

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（責任編輯劉 舸）

Numerical Investigation on the Influence of Different Vane Type Diffusers on the Perform ance of Centrifugal Compressor

LAIChen-guanga，ZENG Hong-qianga，ZHUANG Yana，CHEN Yong-yana，ZHOU Yu-tingb

（a.College of Vehicle Engineering；b.College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

Diffusers with different types of blades impose very different influences on a centrifugal compressor.Four different vane diffusers are simulated at first，and their flow fields including flow velocities，pressure distributions as well as the comparison of their diffusion effects are investigated.Then the numerical simulations are conducted on centrifugal compressors consisting of these four different vane diffusers，and the overall influence of these four different vane diffusers imposed on theperformance of the centrifugal compressor are analyzed comprehensively，drawing to a conclusion that the centrifugal compressor composed of aerofoil blade embodies best performance.

vane type；diffuser；centrifugal compressor；numerical simulation

TH452

A

1674－8425（2016）12－0042－06

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.007

2016－08－18

國家自然科學基金資助項目（51305477）；Part of the work was carried out under the Collaborative Research Project of the Institute of Fluid Science，Tohoku University，Japan

賴晨光（1978—），男，博士，教授，主要從事汽車與高速列車空氣動力學以及車身結構優化設計等方面研究，E-mail：chenguanglai＠cqut.edu.cn；通訊作者曾宏強，碩士研究生，主要從事渦輪壓縮機流場分析及汽車內外流場耦合優化研究，E-mail：1109529458＠qq.com。

賴晨光，曾宏強，莊嚴，等.不同葉型葉片擴壓器對離心壓縮機性能影響的數值模擬［J］.重慶理工大學學報（自然科學），2016（12）：42－47.

format：LAIChen-guang，ZENG Hong-qiang，ZHUANG Yan，et al.Numerical Investigation on the Influence of Different Vane Type Diffusers on the Performance of Centrifugal Compressor［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：42－47.