用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响

1、 用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响 张元兴 楚武利/西北工业大学能源动力学院 摘要： 采用商用软件NUMECAL中FINE/TURBO模块对低速大尺度离心压缩机(LSCC)在不同间隙条件下的内部流场进行了数值模拟。给出了压缩机叶轮出口处的通流速度分布以及不同截面二次流矢量、二次流流线等计算结果。结果表明：叶顶间隙的大小与泄漏流动的强度和通道内的尾迹区位置分布密切相关，泄漏流动与通道涡的相互作用严重影响了通道内的流场分布。关键词：离心式压缩机 泄漏流动 叶顶间隙中图分类号：TH452 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2007）02-0009-04Application

2、of CFD Researching on the Influence of Top Blade Clearance on Inner Flow Field of Centrifugal Compressor Abstract: The Fine/Turbo module in NUMECAL commercial software is applicated to numerical simulate the inner flow field of Low-Speed Large-Scale centrifugal compressor with different clearance. T

3、he speed distribution of passage flow on the exit of compressor impeller and calculate results of quadric flow vector and quadric flow streamline with different sections are given. the results shows: The scale of top blade clearance is closely relative to the strength of leakage flow and distributio

4、n of tail trace position in passage, the leakage flow and passage vortex interaction has seriously affected the flow field distribution of inner passage.Key word: Centrifugal Compressor Leakage flow Top blade clearance0 引言 在离心压缩机叶轮中，因为叶顶间隙的存在，叶顶间隙泄漏就不可避免。但叶顶间隙泄漏流动的复杂性和试验手段的限制以及现代计算机和计算技术的发展，已经使数值模拟成

5、为研究叶轮内部复杂流动的重要且有效的工具。近年来，各国的学者对叶顶间隙泄漏流动的机理和模型进行了大量的理论分析，但大部分研究对象都是轴流压缩机内部的间隙泄漏流动，而对离心压缩机内部的间隙泄漏流动的研究工作报道则相对少一些。因为离心压缩机内部流动的几何边界和动力学条件更为复杂，使得压缩机叶顶间隙泄漏流动比较复杂1-3。这种泄漏流动和叶片通道里面的二次流动的相互作用极大地影响了离心压缩机的性能和内部流场。因此，对叶顶间隙对压缩机内部流场的影响进行深入的分析研究显得十分必要。本文就对同一叶轮在 3种不同间隙时所产生的泄漏流动与这些通道涡的相互作用对流场的影响进行了数值计算，对叶顶间隙泄漏进行了较为详

6、细地比较分析。1 研究对象和数值方法_收稿日期：2006-06-23 西安市 710072 研究的对象为低速大尺寸离心压缩机(Low-Speed Large-Scale Centrifugal Compressor)，它是美国航空航天局研究中心在1983年为进行叶轮机械的基础研究专门建立的试验装置8。试验叶轮为半开式后向叶轮，共有20个长叶片，出口角是55°。进口直径为870mm,进口叶片高度为218mm,出口直径为1524mm,出口宽度为141mm。叶轮进口到出口的叶顶间隙为2.54mm。为研究不同叶顶间隙对压缩机流场的影响，对3种不同的叶顶间隙进行了计算，这3种间隙分别为0% 、

7、50% 、100%倍的设计间隙,该叶轮的设计间隙为2.54mm 。 采用NUMECA中Augogrid生成结构化网格，其中叶片尾缘为钝头结构，尾缘部分采用单独的网格块，叶顶间隙采用蝶形网格。主通道在流向、径向、周向的网格数分别为129×73×61，尾缘网格块周向网格数分别为33×73×13，设计顶部间隙布置13个网格点，50%顶部间隙布置7个网格点。在壁面及前后缘加密，整个计算区域网格约为65万左右。图1为计算网格示意图：（a）为子午面网格；（b）为三维网格示意图。为表示清楚，网格点显示采用隔点显示，且在三维网格示意图中没有显示机壳面网格。 使用Blad

8、win-Lomax 代数模型，使用中心差分格式对空间进行离散，时间推进选用四阶显式Runge-Kutta方法。 计算时使用三重“V型”网格循环，CFL数取3。在计算过程中给定压缩机进口和出口边界条件，进口给定总温、总压和绝对气流角，出口给定压缩机的质量流量和背压。对固体壁面取用不渗透、无滑移和绝热的边界条件。 （a） 子午面网格示意图 （b) 三维网格示意图 图1 网格拓扑结构2 计算结果及分析 2.1 出口通流速度 图3给出了设计流量下叶轮出口附近J=167测量面上（图2为各个测量截面位置示意图），3种不同大小的间隙条件下计算得到的通流速度Cm/U2分布,Cm为流体的子午速度,U2为出口叶顶

9、速度153m/s。图片中各截面左边为压力面PS，右边为吸力面SS。图3a为试验测量的通流速度分布图，其余均为计算所得通流速度分布图；图3b为100%间隙；图3c为50%间隙；图3d为0%间隙。对照图3a和图3b，看出计算与试验数据吻合较好，能真实地反映实际流动。在这一截面上，间隙的大小对尾迹的发展影响非常明显：当叶顶间隙为零时，尾迹区位于吸力面和轮盖的角区，占据区域很小，等值线速度分布比较均匀。随着间隙的增大，尾迹区沿着轮盖向压力面扩大，特别是100%间隙条件下，尾迹区占据通道顶部20%叶高的区域，而且在轮盖处形成密集的等值线分布，这些等值线在轮盖中间段有明显的突起。从计算结果看出，在叶片的压

10、力面和吸力面也形成密集的边界层，这种密集的边界层对通流速度等值线在流道中心区域的曲率变化有很大的影响7。 图2 试验测量截面位置示意图 图 3 J=167截面通流速度分布图 2.2 二次流动分析 二次流动不同的定义方法得到的结果也会略有不同。本方法是参照文献4 的定义方式，即主流方向定义为机壳面的几何中心平均方向，二次流的矢量定义在与主流方向垂直的平面内。图4是3个不同截面在3种不同间隙条件下的二次流的速度矢量和流线。从图4a中看出，随着间隙的增大，吸力面的通道涡BVS在向压力面挤压，100%间隙时吸力面的通道涡BVS面积明显比0%间隙的大，但和50%间隙条件下差别不明显。由图4 b看出，在该

11、截面压力面通道涡BVP已经形成，但是随着间隙的增大，泄漏流动的增强，在一定程度上抑制了通道涡BVP在通道顶部向吸力面的发展。这种现象解释为在机壳附近，由于壁面附面层的粘性和叶顶间隙的泄漏流动，使得流体在通道顶部向压力面流动。而在通道下半部分，通道涡BVP在压力梯度作用下向吸力面移动。这个现象在100间隙条件下非常明显。在截面(c)中看出,在没有间隙时，通道涡呈现出一强一弱，通道内的流动有所改善。而在50设计间隙条件下，通道涡BVP继续向右移动，将通道涡BVS挤压到通道右侧很小的范围内。同时在压力面与机壳角区有一个角涡开始形成。在100间隙条件下，同50间隙一样，通道涡BVS被挤压到吸力面一侧，

12、因为泄漏流动的增强，在通道的顶部形成泄漏涡。对比3组截面看出，前两组的流线在50%和100%间隙条件下区别并不明显，而在截面170处3种间隙对二次流动的影响则非常大。这说明在流道前端叶顶间隙的大小对通道涡的影响不是很明显，而在流道的后部，叶顶间隙的大小对通道涡的影响很大，使流道内的流场变得非常复杂，对整个叶轮的性能有很大的影响。 (a) 无叶顶间隙 ( b) 叶顶间隙为设计间隙的1/2倍 (c) 叶顶间隙为设计间隙 （2.54mm） 图4 不同间隙条件下不同截面二次流矢量及二次流流线3 结论 (1) 从通流速度的分布看出，通道内尾迹区域的位置及尾迹区域面积的大小与叶顶间隙的大小密切相关。因为有

13、叶顶间隙的泄漏流动，在轮盖表面形成通流速度线密集的附面层。 （2）通道涡的产生和发展受叶顶间隙大小的影响很大。叶顶间隙对通道涡的影响在前半段较小而在后半段较大。 （3）计算模拟了间隙泄漏流动随主流的运输和发展过程，看出叶顶间隙的泄漏严重影响了叶轮内部流场的结构，使得内部流动恶化，所以间隙的大小对级的性能影响很大。参 考 文 献1. 2 S.Kang,C Hirch.Numerical simulation of three-dimensional viscous flow in a li.3 Carstenwei, Daniel R. Grates, NUMERICAL INVESTIGATI

14、ON OF THE INFLUENCE OF THE TIP CLEARANCE ON WAKE FORMATION INSIDE A RADIAL IMPELLER ;ASME Turbo Expo 2003.5 彭森，扬策，马朝臣.离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究D.中国工程热物理学会2004年学术会议论文集.6 贾希诚，王正明，蔡睿贤. 叶轮机械中叶顶间隙形态对气动性能影响的数值研究J .工程热物理学报， 2001,(4):431-434.7 G Limin XI Guang W Shangjing . Inf luence of Tip Clearance on the Flow Field and Aerodynamic 。Performance of the Cen trifugal Impeller. CHINESE JOURNAL OF ERONAUTICS AUGUST