擴壓器出進口寬度比對某離心壓氣機性能的影響

鄭夢子，劉所利，徐燕驥，李斌

（1.上海大學，機電工程與自動化學院，上海 201210；2.中國科學院上海高等研究院，上海 201210；3.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190）

擴壓器是離心壓氣機的核心部件，其性能和內部流動對離心壓氣機級效率、壓比和運行工況范圍等性能有著非常重要的作用。Eckardt和Krain采用實驗方法驗證了Dean等提出的葉輪出口射流-尾跡模型。文獻指出漸縮型通道已被廣泛應用于擴壓器的結構設計中。殷明霞等對某離心壓氣機子午流道進行改型，指出改型后的離心壓氣機流場較原型有一定程度的改善。海洋等研究表明擴壓器子午流道采用漸縮型結構可以減少離心壓氣機流場損失。本文在離心壓氣機設計工況下研究了擴壓器子午流道不同出進口寬度比對離心壓氣機性能的影響，這對進一步優化離心壓氣機設計有著重要意義。

1 計算模型和數值模擬方法

1.1 計算模型

本文研究對象為課題組設計的高轉速、高壓比離心壓氣機，由帶大小葉片的離心葉輪和楔形擴壓器構成。在離心壓氣機其它幾何尺寸不變的情況下，保持擴壓器進口寬度不變，改變擴壓器出口寬度，重新優化了擴壓器子午流道形狀，使其出進口寬度比分別為1、0．9、0．7、0．6、0．5 和 0．4，其中寬度比 1 為原始模型。

1.2 數值模擬方法

數值模擬采用了NUMECA商用軟件，以雷諾時均的湍流Navier-Stokes方程作為運動方程模型，在時間方向上運用顯式Runge-Kutta方法推進求解，采用中間節點的有限體積法對Navier-Stokes方程進行空間離散，湍流模型選用Spalart-Allmaras一方程模型。

離心壓氣機的計算域由進口延伸區、葉輪葉片區、擴壓器葉片區及出口延伸區組成，采用結構化網格。將進口延伸區與葉輪葉片區看作動葉排，擴壓器葉片區與出口延伸區看作靜葉排，然后將動、靜葉排聯合在一起生成計算域網格，利用動靜混合平面進行葉排間數據傳遞，這樣就避免了葉輪與葉片擴壓器分別計算時邊界條件無法準確給定的缺陷。計算域網格分布如圖1所示，網格總數120萬。

圖1 離心壓氣機網格分布

數值模擬在額定工況下進行，進口給定總壓101325Pa，總溫288．15K，軸向進氣；出口平均靜壓，通過調節出口靜壓與流量獲得特性曲線；固壁設置為絕熱、無滑移壁面。

2 數值模擬結果和分析

圖2給出了不同寬度比離心壓氣機特性曲線對比，表1為數值模擬結果。可以看出，隨著擴壓器出進口寬度比減小，壓氣機堵塞流量減小，這是由擴壓器通流面積減小引起的；當擴壓器出口減小過多時，流道內粘性作用所占比重加大，粘性損失增加，離心壓氣機各項性能參數出現先增后減的趨勢；當寬度比在0．5附近時，等熵效率和總壓比都較為理想，與原始模型相比，等熵效率高出1．106個百分點，總壓比增加了0．075，擴壓器總壓恢復系數增加了0．022。

圖2 不同寬度比特性曲線

表1 數值模擬結果

為詳細分析數值模擬結果，以下選擇寬度比為1、0．7和0．5這三種情況進行流場對比分析。圖3為不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面靜壓分布，圖4給出了不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面馬赫數分布。可以看出，氣流在擴壓器內沿流道方向壓力逐漸增大，且壓力增大過程主要集中在擴壓器葉片前半部分，擴壓器葉片前緣壓力面附近均存在高壓區，吸力面附近形成低壓區，不同寬度比時擴壓器內靜壓分布無明顯差別。和馬赫數分布進行對比分析可以發現，氣流在擴壓器葉片吸力面附近加速，形成局部超音區的同時靜壓減小導致低壓區形成，壓力面的靜壓分布并未受此影響。結合圖5可以看出，氣流在擴壓器內沿流道方向速度逐漸減小，寬度比為1時氣流在葉片尾緣附近分離現象較嚴重，形成大范圍的低速區，造成擴壓器出口氣流流動性較差，隨著擴壓器出口寬度縮小，低速區逐漸減小，寬度比為0．5時，擴壓器出口流動性較好。

圖3 不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面靜壓分布云圖

圖4 不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面馬赫數分布云圖

圖5 不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面速度流線

3 結語

（1）適當減小寬度比可提高離心壓氣機性能，但寬度比減小過多會導致粘性作用突出，使粘性損失增加，反而會降低性能。相較于原始模型，當寬度比為0．5時，離心壓氣機等熵效率高出1．106個百分點，總壓比增加了0．075，擴壓器總壓恢復系數提高了0．022。

（2）隨著寬度比減小，氣流在葉高方向受到擠壓，流動分離受到抑制，葉片尾緣附近回漩渦流逐漸減小，使得低速氣流減少，提高了擴壓器出口流動性和離心壓氣機性能。

（3）對本文所研究的離心壓氣機而言，擴壓器最佳出進口寬度比在0．5附近，具體到實際應用中應綜合考慮設備運行工況和加工裝配工藝等多方面因素來選擇最合適的寬度比。

參考文獻：

[1]ECKARDT D． Detailed Flow Investigations Within a High-Speed Centrifugal Compressor Impeller[J]．ASME Journal of Fluids Engineering,1976,98(3):390-402．

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[3]DEAN R C,SENOO Y． Rotating wakes in vaneless diffusers[J]．ASME Journal of Basic Engineering, 1960, 82(3):563-574．

[4]黃鐘岳,王曉放．透平壓縮機原理[M]．2004．

[5]殷明霞,桂幸民．高速微型離心壓氣機的改型設計．燃氣渦輪試驗與研究,2007,20(3)．

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