多级离心式压缩机级的优化设计

多级离心式压缩机级的优化设计

1静子元件的数值模拟离心式压缩机的静子件通常包括吸入室、扩压器、曲线、回流器和壳（或排气室）。其作用主要是把气体从前一元件引到后一元件中去,并使之具有一定的速度和方向。静子元件对整个压缩机的工作效率有相当大的影响,随着人们对叶轮研究的不断深入,叶轮的效率已经达到了很高的水平。相对而言,人们对静子元件的研究还很不深入,因此近年来人们对静子元件的研究越来越重视。本文主要涉及的是扩压器、弯道和回流器这3个静子元件。一般情况下,离开离心式压缩机级叶轮的气流动能为总输入功的30%～40%。这些动能需要在扩压器中进行回收。在扩压器中气流流道面积增大使平均速度减小,并因此使动能减小,静压增大,同时伴随着能量损失,气流分离和失速。在弯道和回流器中亦同样会有能量损失和气流分离。无叶扩压器具有结构简单,性能曲线平坦,稳定工况范围宽等特点。因此,在多级离心式压缩机中得到广泛应用。本文就两个带有无叶扩压器(其中一个为末级,另一个为中间级带有弯道和回流器)的不同流量系数的离心式压缩机级进行数值模拟。分析了两个级无叶扩压器中的流场及一个级弯道和回流器中的流场。以其对离心式压缩机级提供改进信息,从而提高级的设计水平。2流项的离散格式采用NUMECA软件的FINE/TURBO模块进行数值模拟。该软件采用时间相关法求解雷诺平均NS方程,中心节点的有限体积离散,显式龙格-库塔时间积分,全多重网格初场处理,以及多重网格迭代加速。计算中采用Spalart-Allmaras一方程湍流模型,对流项离散格式采用中心差分并结合四阶耗散项,时间推进选用四阶显示Runge-Kutta方法,CFL数取值2。分析了流量系数为Φ1=0.8和0.16的两个离心式压缩机无叶扩压器级:(1)Φ1=0.08级(以下称为级A),D2=450mm,β2A=45°,D4=720mm,回流器叶片进口角-61°,由叶轮、扩压器、弯道和回流器组成,计算的进口位置在叶轮的进口处,出口位于回流器的出口;(2)Φ1=0.16的级(以下称为级B),D2=240mm,β2A=65°,长短叶片,D4=384mm,为两块(网格数均为17×49×33),总共约59万个网格。图1和图2分别为两个级的网格图。边界条件:进口给定总温、总压和气流角(轴向进气),出口给定质量流量,叶片及内外环壁为无滑移、绝热壁面。收敛准则:进出口流量误差小于0.5%,残差水平下降到10-4以下。3结果分析3.1适用范围及范围图3给出了级A特性参数曲线,从图中看出,该级的工况范围为92.5%～125%;图4给出了级B特性参数曲线,从图中看出,该级的工况范围为80%～130%。级B有比较理想的工况范围,而级A的设计点偏向小流量区。3.2释压器的分布图5和图6给出了两个级的子午平均速度分布,从图中看出级A无明显低速区,而级B在扩压器内靠近盖侧发生分离并产生倒流,形成较大的漩涡,气流大部分被压缩到盘侧,使盘侧气流形成较大的速度。图7～图12给出了两个级的横向平面速度分布,从图中看出,级A在回流器叶片吸力面有一个分离区,该区域在轴盘侧较小,位于叶片的出口,向盖盘侧逐渐增大,在叶高约50%的位置可以明显看到较大的分离,该分离区在近盖侧已从叶片出口处向进口延伸了约2/3的叶片长度;级B在扩压器盖侧有一个低速区。图13和图14给出了两个级的子午平均静压分布,图中显示出静压梯度在两个级的扩压器中分布都比较均匀,级A在弯道和回流器中压力变化较小。从图15和图16的子午平均绝对总压分布图中看出级A扩压器出口处的轴盘侧绝对总压较低,级B在扩压器进口处的盖盘侧绝对总压较低。从图17和图18熵的子午平均分布图中可以看出相应绝对总压较低的位置熵值较大,表明该处损失较大。图19和图20给出了两个级在50%叶高处的静压分布。两个级在叶轮部分压力梯度分布比较均匀。级A在无叶扩压器里的压力梯度仍较均匀,在弯道、回流器中压力变化较小;而级B扩压器中的静压在前半部分梯度较小,这是由于此处存在较大的分离区而使通道有效面积减小、扩压效果减弱的缘故,后半部分压力梯度较大且比较均匀。图21和图22给出了两个级的扩压器子午平均绝对气流角分布,从图中可以明显看出两个扩压器中气流角分布有明显的差别。级A扩压器盖侧气流角在进口处沿扩压器宽度的分布比较平缓,轴盘侧的气流角略大于盖盘侧,流道中部气流角随直径的增大而逐渐增大;级B的气流角沿流道宽度变化较大。扩压器气流角在靠近盖盘侧20%宽度附近气流角最小,向轴盘方向气流角逐渐增大,流道中部气流角变化不大。4扩大扩压器盖盘侧气流分离本文对两个流量系数的离心式压缩机级进行了数值模拟,从中看出,两个级都有较高的效率,内部流场总体上都比较好,但仍存在以下问题需要加以改进。(1)级A叶轮气流转弯较均匀,且b2/D2较小,因而扩压器中流场的分布较好;而级B由于叶轮盖侧气流转弯较快,同时由于b2/D2较大,因而在扩压器盖盘侧产生分离引起较大的损失。可考虑改进扩压器设计,使b3<b2,加速此处的气流速度,同时将叶轮出口到无叶扩压器进口之间做成圆滑过渡的收缩型,以使气流转弯均匀减少扩压器盖盘侧的分离。(2)在扩压器中,级A的气流角沿扩压器宽度较为平缓,而级B的气流角在盖盘侧和轴盘侧差别很大;在扩压器盖侧级A的气流角较大,而级B的气流角较小,这与级B在此处有大的分离有关;叶道中部