離心式空氣壓縮機全三元葉輪氣動優化

王娟麗，王鑫，王松，趙先波，唐軍，錢禹龍

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

1 前言

儲能作為新能源與電力系統的紐帶，是實現新能源大規模利用的重要手段，將助力雙碳戰略目標的實現。離心式壓縮機相對于軸流式壓縮機，應用于單級壓比較高，廣泛應用于壓縮氣體儲能系統。葉輪是離心壓縮機的唯一做功元件，葉輪的設計是離心式壓縮機研究的關鍵。西安交通大學研究了流量系數為0.2 的大流量系數的離心壓縮機[1]。葉輪載荷分布對葉輪的氣動性能影響很大，文獻[2]對比研究了前加載、中部加載、后加載3 種葉型，結果顯示前加載葉型出口速度分布更均勻，流動損失更小。文獻[3]顯示子午流道轉彎半徑越小，氣流在子午流道內所受的轉彎離心力越大，對葉輪氣動性能和葉輪出口氣流均勻程度的負面影響越明顯。

本文采用大型商業流體軟件——NUMECA，針對單級閉式葉輪，帶擴壓器進行優化。葉輪為全三元葉輪，不僅沿流向扭轉，而且切向存在彎曲。優化子午流道，葉片β分布，葉片彎曲規律，出口切向傾角，出口子午傾角變化對單級離心式空氣壓縮機氣動性能的影響。

2 邊界條件及計算公式

葉輪優化中，使用NUMECA 軟件，湍流模型使用S-A 加強壁面函數模型，由于影響葉輪氣動性能的因素較多，葉片只數、葉輪軸寬、分流葉片的位置、子午流道、葉片擴張角（β 角）分布、出口傾角、葉片彎曲規律等，本次逐一進行優化。

2.1 邊界條件

三維計算邊界條件見表1。

表1 計算邊界條件

2.2 計算公式

計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型示意圖

3 葉輪優化結果分析

3.1 子午流道調整

由于Compal 直接導出來的三維計算強度不符合要求，需要將葉輪入口流道縮高度縮小子午流道變化結果見表2 和圖2。由表2 可見，不管是縮shroud 面，還是縮hub 面，效率和壓比都要降低。這是因為縮小了前半段面積，前半段載荷降低，后半段載荷增加，流體在后半部分更容易脫流，損失增大。而前半段面積縮小后，導致喉部面積縮小，因此壓比降低。改變子午流道Shroud 線對氣動性能的影響比Hub 線敏感。最終結合強度，選擇方案2。

圖2 子午流道變化

表2 子午流道變化結果

3.2 葉輪β 角沿流線分布優化

針對3.1 節選擇的葉輪方案，優化β 角分布，計算模型為葉輪加擴壓器，葉片只數7 組，分流葉片位置為約30%，子午流道使用上述強度推薦。優化參數為β，優化目標等熵效率，優化約束條件壓比大于1.9。對比優化前后的三維結果見表3。

表3 β角優化結果

從表3 看出，優化β 角分布后，第1 級效率、壓比均有顯著提高，優化后葉輪效率提高，擴壓器中靜壓恢復系數提高，總壓損失系數降低。

圖3 為優化前后幾何對比。

圖3 優化前后β 對比（虛線原始，實線優化）

圖4 為子午面流線分布，可以看出優化前后子午面均沒有流動分離。圖5 為葉輪子午面壓力分布，優化后葉輪出口壓力明顯提高。圖6 為葉輪子午面相對馬赫數分布，優化后葉輪相對馬赫數降低，提高了葉輪效率。

圖4 子午流面流線分布

圖5 葉輪子午面壓力分布

圖6 葉輪子午面相對馬赫數分布

圖7 為葉輪及擴壓器根、中、頂截面流線分布圖，可以看出，中部截面原始葉輪出口有少量脫流，優化后脫流消失。頂部截面原始葉輪中后部有嚴重脫流，優化后脫流消失，該流動分離是引起葉輪效率降低的主要因素。圖8為葉片表面極限流線，可以看出原始葉輪吸力面、中后部的頂部有脫流，優化后幾乎沒有流動分離。

圖7 特征截面流線分布

圖8 葉片表面極限流線

圖9 為優化前后載荷分布，原始方案95%截面吸力面載荷分布不光滑，并且載荷靠后，而優化后載荷分布光滑，載荷分布向前偏。

圖9 葉片載荷分布

圖10 為葉輪出口流動參數沿葉高分布，優化后出口絕對氣流角分布，絕對馬赫數分布，出口子午速度分布更均勻，優化后葉輪出口絕對馬赫數小于原始葉輪，改善了擴壓器入口條件，降低了擴壓器總壓損失。

圖10 葉輪出口參數沿葉高分布

3.3 出口傾角優化

為了研究出口傾角變化對效率影響，本次將出口傾角轉10°、-10°進行驗證，發現出口傾角正時，效率略提高，而壓比略降低，出口傾角為負值時正好相反，見表4。這是因為出口傾角轉為正值時，流道通流面積略變小壓比變小，β 角變大，效率略提高，如圖11 所示。因此，若想提高效率可以略正向出口傾角增大，而在壓比略小的情況下，可適當將出口傾角負向增大。

圖11 出口傾角改變幾何對比（虛線0°、實線10°）

3.4 彎扭規律優化

針對3.2 節自動優化的葉輪，不改變β 角，統計計算結果列于表5，point2 負向彎曲，效率較低，引起壓比降低，當point2 正向彎曲，效率增加，如圖12 所示。從圖13、圖14 可以看到，負向彎曲后，吸力面尾部出現流動分離，因此效率降低。

表5 彎曲變化結果

圖12 彎曲規律改變幾何對比

圖13 吸力面表面尾部極限流線圖

圖14 中截面流線圖

3.5 出口子午傾角優化

對3.2 節自動優化的幾何，不改變β角，對葉輪出口子午面傾角進行優化。統計計算結果見表6。葉輪出口正向傾斜，效率、壓比均增加，負向傾斜則效率、壓比均降低，如圖15 所示。

表6 出口子午傾角變化結果

圖15 出口子午傾角對比

4 葉輪優化結果分析

本文以單級葉輪、擴壓器為研究對象，對葉輪進行詳細優化。得到如下結論：

（1）子午流道中間縮小，壓比降低。改變子午流道Shroud 線對氣動性能的影響比Hub 線敏感。

（2）β角分布對氣動性能影響顯著，本文β角優化后的三元葉輪級等熵效率提高約3%，總壓比提高約8%。

（3）三元直紋面葉片，負向出口切向傾角有助于壓比的提高，正向出口切向傾角有利于效率提高。但提高潛力有限。

（4）全三元葉片，葉片中部正向彎曲，可提高效率，壓比幾乎不變。負向彎曲效率和壓比顯著降低。

（5）出口正向子午傾角，效率、壓比均提高，而負向子午傾角相反。

綜上所述，在子午流道、β 角優化的基礎上，如果想進一步優化效率，可以考慮將直紋面的三元葉輪設計為全三元葉輪，葉片中部正向彎曲，設計出口正向切向傾角和正向子午傾角均有助于提高效率。