離心壓縮機三元葉輪的數值分析

2012-06-07 01:30:26羅桂山史學增

船舶 2012年3期

關鍵詞：效率

羅桂山周翔史學增

（1.海軍駐上海704所軍事代表室上海200031；

2.中船重工集團第704研究所上海 200031）

0 引言

在船用領域，制冷機組可能長期運行在低負荷工況。因此，在制冷壓縮機的設計中必須考慮全工況（尤其是小流量）下的運行特性。離心壓縮機比螺桿及活塞壓縮機有著更加寬廣的調節范圍，離心壓縮機需要重點研究的核心部件是葉輪。離心三元葉輪的內部流動是復雜的三維粘性流動，憑借現有的試驗手段要很難測量其中流場的細微結構。

計算流體力學（CFD）是基于計算機技術的一種數值計算工具，用于求解流體的流動和傳熱問題。CFD計算相對于實驗研究具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優點。

本文運用Numeca公司研發的CFD軟件，對一臺自研制冷離心壓縮機的三元葉輪進行內部三維粘性流場的數值模擬，并預測其性能，為壓縮機低負荷工況降轉速運行提供理論依據。通過變頻調節降低轉速能改善壓縮機低負荷工況下的性能。

1 研究對象

本文研究的葉輪為帶分流葉片的全三元閉式葉輪，如圖1所示。

圖1 葉輪外形圖

該葉輪相關幾何參數如表1所示。

表1 葉輪幾何參數表

2 數值分析

2.1 網格生成

葉片的計算網格采用Numeca軟件的Autoblade模塊生成，計算網格如圖2所示。

圖2 計算網格

整個流場網格數量為610 736個，劃分為12個區域。其中包括4塊主流區域，2塊長葉片近壁面區域，2塊短葉片近壁面區域，長葉片進出口區域和短葉片進出口區域。相鄰兩個區域在邊界處網都是匹配的。為加速收斂，采用隱式殘差平均法和三層完全多重網格技術，先在最粗的一層網格上開始迭代計算，然后延拓到較密的一層網格上，把上一級計算得到的結果作為下一級計算的初場，節省了計算時間與迭代次數。

2.2 邊界條件

假定氣體進口總壓349 600 Pa，進口總溫278.15 K，進口湍流粘性0.000 01 m2/s，出口給定質量流量，固壁面給定無滑移、絕熱邊界條件，進出口延伸段壁面給定滑移、絕熱邊界條件。

2.3 數值計算方法

本文采用Fine計算程序對不同流量工況進行計算。Fine采用多重網格的計算技術，并有多種對流項差分格式和湍流模型，可對流體機械內部定常、非定常，可壓縮、不可壓縮湍流流動進行精確計算。本文選擇三維Turbulent Navier-Stokes方程組及Sparlart-Allmaras湍流模型，時間項采用4階Runge-Kutta法迭代求解，定常流動。工質選擇可壓縮R134a，CFL數值取3，迭代步數為5 000步，收斂殘差取10-6。全局殘差收斂史如圖3所示。

圖3 全局殘差收斂史

2.4 數值模擬結果及分析

模擬結果運用CFView后處理模塊分析。

2.4.1 葉輪固定轉速7 950 r/min，軸向進氣入口無預旋

葉輪的總－總等熵效率和總壓比的預測結果如圖4、圖5所示。

圖4 葉輪總壓比圖

圖5 葉輪等熵效率圖

當流量減少，葉輪壓比增加。開始增加很快，當流量減少到3.5 kg/s時，壓比增加的速度放緩。葉輪的等熵效率隨流量增加而增大，當流量增加到4 kg/s時，等熵效率達到最大值；當流量增大到6 kg/s時，總壓比和等熵效率急速下降。

當流量為1.5 kg/s時，葉輪中間葉高截面相對速度流線和熵分布如圖6所示。

圖6 1.5 kg/s流量下中間葉高截面流動和熵分布

從圖中可以看出，在長葉片的吸力面前部和短葉片的壓力面后部存在明顯分離區。當流量增加到4 kg/s時，葉輪中間葉高截面相對速度流線和熵分布如圖7所示。此時流線光順，主流場無分離區。

圖7 4 kg/s流量下中間葉高截面流動和熵分布

如圖8所示，4 kg/s流量下吸力面的靜壓高于壓力面，吸力面的靜壓在短葉片前緣處稍微有所下降。此處葉片數由9片變成18片，葉輪阻塞系數增大，流動損失較大，壓力面和吸力面的靜壓總體趨勢仍然是沿著流道逐漸增加的。當流量繼續增大，葉輪的流動損失加速增大，等熵效率逐漸下降。當流量增大到6 kg/s時，總壓比和等熵效率急速下降，此時葉輪對氣體做功全部克服流動損失，出現“阻塞現象”。