離心壓縮機(jī)進(jìn)氣室的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王 宇，馬健峰，王 麗，趙 博

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

0 引言

徑向進(jìn)氣室是離心壓縮機(jī)中的重要元件之一，其作用是將氣體從進(jìn)氣管或者中間冷卻器引到工作葉輪中去。因氣流從徑向流動轉(zhuǎn)為軸向流動時(shí)，易引起葉輪進(jìn)口流場分布不均勻，從而導(dǎo)致葉輪效率下降。嚴(yán)重時(shí)這種不均勻流動傳輸?shù)较乱患墸苯佑绊憠嚎s機(jī)整機(jī)的性能[1]。因此，進(jìn)氣室的優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。

近幾年來，隨著壓縮機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，廣大學(xué)者對離心壓縮機(jī)的研究重點(diǎn)也逐漸由轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)移到靜止部件上來，對諸如進(jìn)氣室等關(guān)鍵部件進(jìn)行了廣泛而深入的研究。王銳、祁大同等對離心壓縮機(jī)徑向吸氣室的內(nèi)部流動情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了吸氣室內(nèi)部的流動規(guī)律，并通過增加分流葉片的方法改善了吸氣室內(nèi)部的氣流畸變，提高了壓縮機(jī)的效率[2]。本文以沈鼓集團(tuán)所研制的某大型空分裝置壓縮機(jī)為研究對象，采用數(shù)值計(jì)算方法對有、無導(dǎo)葉兩種方案進(jìn)行了對比分析，詳細(xì)分析了其內(nèi)部流動中存在的問題，并提出了改進(jìn)措施。

1 進(jìn)氣室不帶導(dǎo)葉模型數(shù)值計(jì)算和分析

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

無導(dǎo)葉計(jì)算模型由進(jìn)氣室和一級葉輪兩部分組成，如圖1所示。進(jìn)氣室的計(jì)算網(wǎng)格在NUMECA 軟件的通用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成模塊IGG 中完成，葉輪及無葉擴(kuò)壓器部分的計(jì)算網(wǎng)格在Autogrid5 中自動生成。在近壁面等流動復(fù)雜區(qū)域，對網(wǎng)格進(jìn)行了加密以提高這些區(qū)域內(nèi)解的分辨率。計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)404萬，如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖Fig.1 The computational model

1.2 計(jì)算方法

圖2 無導(dǎo)葉模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational grid of the model without guide vane

流場采用流體力學(xué)計(jì)算軟件Fine/Turbo 計(jì)算得到。采用有限體積中心格式，時(shí)間推進(jìn)解法，其中包括二階和四階人工粘性項(xiàng)，四階 Runge-Kutta（1/4、1/3、1/2、1），顯式時(shí)間推進(jìn)。湍流模型選用“一方程”Spalart-Allmaras 模型[3]。 采用殘差光順方法，多重網(wǎng)格層數(shù)為3，選擇CFL 數(shù)為3。在最細(xì)網(wǎng)格上計(jì)算迭代4000 步或殘差等于10-6時(shí)，計(jì)算結(jié)束。

1.3 邊界條件

工作介質(zhì)為空氣。邊界條件進(jìn)口給定總溫、總壓以及來流方向，出口給定質(zhì)量流量。壁面給定無滑移邊界條件，所有轉(zhuǎn)動壁面給定轉(zhuǎn)速，其余壁面轉(zhuǎn)速為零。

1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算得出設(shè)計(jì)工況的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不帶導(dǎo)葉模型計(jì)算結(jié)果Tab.1The results of the model without guide vane

圖3 進(jìn)氣室內(nèi)相對速度分布圖Fig.3 Velocity distribution in the inlet volute

圖4 進(jìn)氣室內(nèi)總壓分布圖Fig.4 Total pressure distribution in the inlet volute

由相對速度分布圖可以看出，氣流由進(jìn)風(fēng)筒流入環(huán)形通道時(shí)，在兩側(cè)環(huán)形通道內(nèi)形成兩個(gè)對稱的漩渦。由總壓分布圖可以看出，兩側(cè)漩渦區(qū)域和頂部總壓分布不均勻，造成一定的性能損失。

2 進(jìn)氣室?guī)?dǎo)葉模型數(shù)值計(jì)算和分析

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

由于進(jìn)氣室內(nèi)氣流分布不均勻，局部有較大的漩渦存在，為了解決這一問題，在進(jìn)氣室喉部增加導(dǎo)葉，導(dǎo)葉位置和葉型如圖5 和圖6所示。

圖5 導(dǎo)葉子午方向位置Fig.5 The meridional positon of the guide vane

計(jì)算模型由進(jìn)氣室、全通道導(dǎo)葉和單通道葉輪三部分組成，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)838萬，如圖7所示。計(jì)算方法及邊界條件設(shè)置與無導(dǎo)葉模型相同。

圖7 帶導(dǎo)葉模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.7 Computational grid of the model with guide vane

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算得出設(shè)計(jì)工況的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果可見，加導(dǎo)葉后多變效率較原來提高了約0.5%。由流場分布情況可以看出，進(jìn)氣室內(nèi)原來的漩渦區(qū)域減小，總壓分布也較原來均勻。導(dǎo)葉內(nèi)流動情況良好，由進(jìn)氣室流出的氣體，經(jīng)過導(dǎo)葉的分流作用，周向分布均勻。可見，在進(jìn)氣室喉部增加導(dǎo)葉后效果顯著。

表2 帶導(dǎo)葉模型計(jì)算結(jié)果Tab.2 The results of the model with guide vane

圖8 進(jìn)氣室內(nèi)相對速度分布圖Fig.8 Velocity distribution in the inlet volute

圖9 進(jìn)氣室內(nèi)總壓分布圖Fig.9 Total pressure distribution in the inlet volute

3 進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 改進(jìn)方法

由于帶導(dǎo)葉原模型導(dǎo)葉位置寬度較小，導(dǎo)致導(dǎo)葉出口彎道呈漸擴(kuò)狀，為避免對下游流動造成不利影響，在此，改變導(dǎo)葉寬度b，由原來的170mm 增加到215mm，如圖10所示。

圖10 改進(jìn)前后進(jìn)氣室子午型線比較Fig.10 The meridional shape of the original and modified mode

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

將以上有、無導(dǎo)葉原方案及改進(jìn)后方案計(jì)算結(jié)果列于表3。

對比計(jì)算結(jié)果可見，改進(jìn)后方案較原模型多變效率提高了1%，較不帶導(dǎo)葉時(shí)多變效率提高約1.5%，效果顯著。由流場分布情況可以看出，進(jìn)氣室及導(dǎo)葉內(nèi)流動均勻，漩渦完全消除，總壓分布也很均勻，可見，改進(jìn)方案的進(jìn)氣室及導(dǎo)葉設(shè)計(jì)合理。

表3 各方案計(jì)算結(jié)果對比Tab.3 Results comparisons of the different models

圖11 進(jìn)氣室內(nèi)相對速度分布圖Fig.11 Velocity distribution in the inlet volute

圖12 進(jìn)氣室內(nèi)總壓分布圖Fig.12 Total pressure distribution in the inlet volute

圖6 導(dǎo)葉葉型圖Fig.6 The guide vane shape

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法對離心壓縮機(jī)進(jìn)氣室內(nèi)流動進(jìn)行了分析，由計(jì)算結(jié)果可以看出，進(jìn)氣室內(nèi)流動十分復(fù)雜，周向和徑向速度分布都不均勻。采用在進(jìn)氣室喉部增加導(dǎo)向葉片以及對導(dǎo)葉出口彎道型線進(jìn)行改進(jìn)等方法，可以顯著的改善進(jìn)氣室出口的流動狀況，使級效率有明顯的提高。

[1]徐忠.離心壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[2]王銳，祁大同，等.離心壓縮機(jī)徑向吸氣室的流動損失分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，3.

[3]FINETMusermanual.FINETMversion7.1[M].Numecainternational,2005.