三元葉片型面造型對離心壓縮機葉輪氣動性能影響的數值研究

孫曄晨,田玉寶,2,席光,王志恒,趙會晶,樊宏周

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.西安陜鼓動力股份有限公司,710075,西安)

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三元葉片型面造型對離心壓縮機葉輪氣動性能影響的數值研究

孫曄晨1,田玉寶1,2,席光1,王志恒1,趙會晶1,樊宏周1

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.西安陜鼓動力股份有限公司,710075,西安)

以某一離心壓縮機中的任意曲面葉輪為研究對象,將其“直紋面化”以降低制造成本,同時研究發現,直紋面化處理后任意空間曲面三元葉輪的氣動性能下降。為了提升直紋面葉輪的氣動性能,通過設計8+1套改型設計方案、調整葉片型線控制點、改變葉片前緣及尾緣坐標,并借助流體計算軟件Numeca進行了數值模擬,由此求得了性能曲線及內部流場。結果顯示:當直紋面葉輪葉片進口安裝角擴大時,氣動性能明顯下降,反之亦然;當直紋面葉輪葉片出口安裝角擴大時,壓比的提升較為明顯,葉片出口安裝角縮小時,效率的改善更為顯著;綜合改進葉片前緣與尾緣的型線,可使直紋面葉輪的氣動性能顯著提高。研究表明,直紋面葉輪氣動性能對葉片型線變化非常敏感,通過適當地改進型線可以有效提升直紋面葉輪的氣動性能,使之不低于原任意曲面葉輪的氣動性能。

三元葉片;任意曲面葉片;直紋面葉片

離心壓縮機是空分系統中的核心設備,而葉輪是離心壓縮機中功能轉化的核心部件,葉輪葉片型面的構型對整個機組的氣動性能及制造成本將產生至關重要的影響。20世紀50年代吳仲華提出了三元流動的普遍理論,之后運用該理論設計的三元離心葉輪以其優越的氣動性能逐漸成為設計主流。在透平壓縮機設計中采用“三元葉片”的先進技術可以使壓縮機效率顯著提升。在葉輪的整體銑削加工技術中,對于采用任意空間曲面造型的葉輪,需要采用點銑加工技術,然而點銑加工時間較長,制造成本高,由此限制了任意曲面葉片葉輪的工程應用[1-3]。側銑技術可以改善點銑技術的諸多不足,但是目前的CAM商用軟件僅能針對直紋面進行側銑,而針對任意曲面葉輪仍然采用點銑技術[3-5]。因而,任意曲面葉片與直紋面葉片之間的轉化問題逐步成為近年來工程界的熱點問題,文獻[3-7]均對這一類型面轉化方法進行過研究。直紋面葉片葉輪的結構簡單,數據量小,數控加工制造成本低,但是把任意曲面葉片改造成直紋面葉片之后,氣動性能將如何改變,對于這一問題,目前公開發表的文獻中尚未見研究報道。

本文以某一任意曲面三元離心葉輪為對象,研究了采用任意曲面及直紋面造型葉片的氣動性能,并通過對直紋面葉輪的葉片型線進行改進,使采用直紋面葉片型面造型的葉輪的氣動性能不下降,從而獲得兼顧氣動性能及加工成本兩種需求的高性能三元葉輪。

1 某三元離心葉輪的數值計算

本文的研究對象為某一帶分流葉片的三元離心葉輪,葉片總數為24,其中主葉片數為12,分流葉片數為12,葉輪直徑為1.652 m。計算區域包括進口延伸段、葉輪葉片及無葉擴壓器。主葉片與分流葉片沿展向均有9條型線,用于葉片的幾何描述。無葉擴壓器為收斂型,這類無葉擴壓器相比直壁型和擴張型有更高的效率,不易發生流動分離,可最大程度地減小無葉擴壓器引起的離心葉輪流場的計算誤差[8]。

離心壓縮機設計工況流量為226.81 kg/s,進口總壓為325 300 Pa,進口總溫為313.15 K,轉速為3 969 r/min,工質為空氣。

對任意曲面葉片的離心葉輪,可進行“直紋面化”改造,具體方法為:沿葉高方向刪去除葉根型線與葉頂型線以外的其他數據點,直接連接葉根與葉頂型線上對應的各點,生成直紋面。改造后的葉輪葉片與原任意曲面葉輪葉片對照圖如圖1所示。

(a)任意曲面葉片 (b)直紋面葉片圖1 任意曲面葉輪與直紋面葉輪對比

幾何構型與網格劃分采用Numeca/AutoGrid 5進行,模擬計算采用Numeca/Fine Turbo,空間離散采用中心差分格式,數學模型為湍流N-S方程,湍流模型選取Spalart-Allmaras模型,該模型具有求解量小、收斂速度快、計算準確度高[9]等諸多優點,在工程實踐中基本可以滿足計算需求。

計算網格均為結構化網格,壁面附近邊界層網格進行加密處理,以確保y+不大于10.0。根據單流道網格數量,本文設計了4套方案,網格數分別為128 450、240 992、369 400、487 608,經過網格無關性驗證,選擇網格數為369 400進行后續計算。

進口邊界條件為給定總溫、總壓、流動方向;出口邊界條件為給定質量流量,在近阻塞工況下給定出口靜壓;壁面邊界條件為絕熱、無滑移。經過計算流體動力學(CFD)計算繪制的性能曲線如圖2所示。為便于比較,采用無因次流量系數表示流量變化,該參數定義為某一工況下質量流量與設計工況下質量流量之比。文中壓比均為總壓比,效率為等熵效率。

(a)壓比曲線 (b)效率曲線圖2 任意曲面葉輪與直紋面葉輪性能曲線

相比任意曲面葉輪,直紋面葉輪的壓比和效率均明顯下降,設計工況處壓比下降3.78%,效率下降2.21%。雖然壓比與效率有所下降,但直紋面葉輪的穩定工作范圍卻比任意曲面葉輪有所拓展,阻塞工況點右移,流量增大4.62%。如果能在保持直紋面葉片的基礎之上,通過調整葉片型線來提升壓比和效率,同時保持一定的擴穩裕度,便可充分利用直紋面葉片的諸多優勢且規避其缺陷。

2 改型方案描述

實際離心壓縮機的內部流動為黏性三維流動,流道扭曲、復雜,任何幾何參數的變化都可能對壓縮機的氣動性能產生影響[10-13]。

本文通過調整葉片安裝角及葉片型線,對某一離心壓縮機進行改型設計。由于葉片安裝角沿葉高方向存在差異,吸力面與壓力面的角度也有所不同。為保證研究的準確性和有代表性,對改型方案中葉片安裝角定義如下:選取50%葉高位置作為葉片吸力面與壓力面的中分線,該線與葉輪進口圓周的夾角為進口安裝角,與葉輪出口圓周的夾角為出口安裝角。按照上述定義,原直紋面葉輪的進口安裝角為23.37°,出口安裝角為43.08°。

Hildebrandt等以葉片出口安裝角及葉片出口寬度為變量,分析了改型設計的某離心葉輪的氣動性能[14],但其數據中未涉及葉片進口安裝角的變化,且出口安裝角只有兩組對比數據。本文的改型分為兩大類,每一類有4個方案,即對葉片進口/出口安裝角進行調整的同時改變前緣/尾緣附近的葉片型線,改型原則為保證整個型線的光順平滑。根據型線調整區域,根據安裝角調整方向和大小。每一條葉片型線由葉片進口至出口共有13個控制點來確定。改型設計時,如果調整前緣,則需調整從葉片進口開始的前6個控制點;如果調整尾緣型線,則調整靠近葉片出口的后6個控制點。改型方案如表1所示。改型方案與原直紋面葉輪性能曲線如圖3所示。

以方案1為例,葉片進口安裝角為+3°,依次調整控制點2～6,使調整后的曲線在控制點1處(即葉片進口處)的切線與原曲線在控制點1處的切線的夾角為+3°,以保證控制點2的唯一性,控制點3～6則依據確保整條曲線保持光順平滑的原則進行順序調整,控制點7～13不變。

方案1～4對進口安裝角及葉片前緣型線進行了調整。進口安裝角的減小可以顯著改善葉輪的氣動性能,提升壓比和效率。反之,葉片進口安裝角的增大會惡化氣動性能。在可調范圍內,進口安裝角越小,對改善直紋面葉輪的氣動性能越有利。其中,方案4為調整葉片進口安裝角的最佳方案,該方案使得原直紋面葉輪的壓比提升了2.12%,效率提升了1.99%。

表1 某一離心壓縮機改型設計方案

方案5～8對出口安裝角及葉片后緣型線進行了調整。除方案6以外,其他方案的效率均有所提升,表明出口安裝角存在某一最優值,超過該值效率下降。隨著出口安裝角的不斷增大,葉輪做功能力逐步增強,壓比不斷提升。

方案6雖然葉輪壓比較高,但效率相比原直紋面葉輪有所降低。綜合而言,方案5為調整葉片出口安裝角的最佳方案,該方案使得原直紋面葉輪的壓比提升了0.14%,效率提升了0.40%。為方便比較,表2中列出方案1～8在設計流量點的壓比和效率,并將各改型方案與任意曲面葉輪、原直紋面葉輪的氣動性能進行了對比。

調整之后較優的改型方案為方案4和方案5,方案4的氣動性能與任意曲面葉輪相比已經十分接近。在調整的絕對值上,葉輪的氣動性能對進口安裝角的變化更為敏感,但考慮到葉輪進口安裝角比出口安裝角小,為了進一步比較進、出口安裝角對葉輪性能的影響,還需要考察角度變化的相對值。為此,選取較優的方案4和方案5并定義:壓比每百分點提升值表示角度每變化1°所引起的壓比的相對提升值;效率每百分點提升值表示角度每變化1°所引起的效率的相對提升值。角度變化與性能提升的相對值比較如表3所示。

為進一步提升直紋面葉輪的氣動性能,結合方案4、 5進行了綜合改型,如圖4所示。綜合改型方案的氣動性能比方案4、5均有所提升,設計流量點處壓比為1.793 5,效率為88.07%,相對任意曲面葉輪分別提高了0.15%與0.24%。可見,無論是壓比還是效率,綜合改型方案在失速流量附近、設計流量點右側均不低于任意曲面葉輪,而且具有相同的失速流量,但阻塞流量從253.33 kg/s增加至269.44 kg/s,提升了6.36%。

(a)方案1～4壓比性能曲線

(b)方案1～4效率性能曲線

(c)方案5～8壓比性能曲線

(d)方案5～8效率性能曲線

方案編號壓比效率/%11.682283.9221.670983.2231.773587.2241.784987.5551.750386.1861.778785.6771.739986.5081.738185.94任意曲面葉輪1.790987.86原直紋面葉輪1.747885.84

表3 角度變化與性能提升的相對值比較

3 改型方案的內部流動分析

觀察顯示:在靠近葉根(10%葉高)、中間葉高(50%葉高)位置,各改型設計方案的流動組織均無較大差異;在靠近葉頂(90%葉高)處,各方案的流動出現顯著差異,這一結論與對離心壓縮機進行機匣處理后的流場變化十分類似,部分機匣處理的影響區域也主要集中于葉頂部分[15]。

設計工況下,選取幾個差異明顯的改型方案與任意曲面葉輪、原直紋面葉輪進行了對比,相對速度分布如圖5、6所示。可以發現,直紋面葉輪的內部流場與任意曲面葉輪有明顯區別:任意曲面葉輪的主葉片前緣吸力面側存在低能流體區域,該區域內相對速度較低,且方向混亂;直紋面葉輪中該區域范圍顯著拓展,從主葉片前緣延伸至分流葉片進口處壓力面側。

(a)綜合改型方案壓比性能曲線

(b)綜合改型方案效率性能曲線圖4 綜合改型方案的性能曲線

圖5 任意曲面葉輪相對速度矢量分布

圖6 直紋面葉輪相對速度矢量分布

相比任意曲面葉輪,低能流體區域的蔓延是導致直紋面葉輪壓比降低、效率下滑的重要原因之一。在綜合改型方案中,圖7相比圖6,低能流體區域面積的減小則有助于效率提升。

圖7 綜合改型方案相對速度矢量分布

為進一步觀察改型方案,本文挑選了幾個特征明顯的改型方案進行了分析:調整前緣時,方案1主葉片前緣氣流角的增加導致附近的回流現象進一步加劇,低能流體持續蔓延至分流葉片的吸力面側,方案1所對應的葉輪氣動性能欠佳,甚至不如原直紋面葉輪,見圖8;方案3中低能流體得到遏制,其氣動性能相比原直紋面葉輪有所提升,見圖9;調整葉片后緣時,方案7的低能流體區面積進一步減小,見圖10;方案5～8效率最高。

圖8 方案1相對速度矢量分布

圖9 方案3相對速度矢量分布

圖10 方案7相對速度矢量分布

進口處,葉片較高,直紋面葉片進口面積顯著增大;出口處,任意曲面葉片沿葉高方向型線幾乎為直線,改造為直紋面葉片后葉輪流道出口面積增大不明顯。此外,任意曲面葉片改造成直紋面后,阻塞流量增大,這與流道喉部面積增大有關。流道喉部面積變化如表4所示。

表4 流道進、出口面積的變化

4 結 論

將任意曲面葉輪改造為直紋面葉輪后,氣動性能有所下降,但由于流道面積增大,阻塞流量提升,所以穩定工況的范圍可以拓展,且損失的氣動性能可以通過型線調整得以提升。

直紋面葉輪對葉片前緣和尾緣的型線變化均非常敏感,即小角度形變會引發壓力與效率的大幅波動。本文離心葉輪,相對葉片前緣而言,增大進口安裝角會惡化流動,減小進口安裝角會改善流動,壓比與效率均有所提升;相對葉片尾緣而言,增大出口安裝角會提升葉輪做功的能力,壓比隨之升高,而減小出口安裝角則可以提升效率,這一結論與文獻[14]的研究結論一致,但這種對應關系可能存在最優值,即出口安裝角減小到一定程度時反而導致效率降低,不同的葉輪及不同的工作狀態,這一最優值存在差異。

型線調整法可以顯著改變直紋面葉輪的氣動性能,適當的調整可以使之不低于任意曲面葉輪的性能,同時達到拓展穩定工況范圍的目的。

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(編輯 苗凌)

Numerical Research on Effect of 3-D Blade Surface Profiles on Aerodynamic Performance of Centrifugal Compressor Impellers

SUN Yechen1,TIAN Yubao1,2,XI Guang1,WANG Zhiheng1,ZHAO Huijing1,FAN Hongzhou1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Xi’an Shaangu Power Co., Ltd., Xi’an 710075, China)

A centrifugal compressor impeller with arbitrary curved surface is analyzed. The surface is transformed into ruled surface for the purpose of reducing manufacture costs, however the transformation leads to a worse aerodynamic performance. To improve the performance of impeller with ruled surface, 8+1 sets of schemes are designed by changing control points of shape lines of leading edge and/or trailing edge, and the internal flow field and performance curves are evaluated by commercial CFD software Numeca. The aerodynamic performance worsens when the inlet blade angle increases and vice versa. The pressure ratio rises more considerably as the outlet blade angle increases, while the efficiency is improved more obviously as the outlet blade angle decreases. The integrated method combines the results from the changing of both leading and trailing edges to effectively enhance the aerodynamic performance. This approach indicates that the impeller with ruled surface is very sensitive to the modification of shape lines, and the aerodynamic performance of the appropriately modified impeller with ruled surface can be comparable with that of impeller with arbitrary curved surface.

3-D blade; blade with arbitrary curved surface; blade with ruled surface

2015-01-06。

孫曄晨(1991-),男,碩士生;席光(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51236006)。

時間:2015-08-13

10.7652/xjtuxb201511022

O354.1

A

0253-987X(2015)11-0135-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150813.1015.008.html