無葉擴壓器半徑比對內(nèi)部流動影響的研究

王松嶺， 孔 禹， 張 磊

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

無葉擴壓器半徑比對內(nèi)部流動影響的研究

王松嶺， 孔 禹， 張 磊

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

無葉擴壓器是離心壓氣機的重要部件，研究其內(nèi)部流場掌握其流動特點，對于提升擴壓器性能及了解失速誘發(fā)具有重要意義。采用三維數(shù)值模擬方法以更準確真實地展示不同寬比的小型離心壓氣機無葉擴壓器內(nèi)部流場的演化規(guī)律。采用Ansys 15.0軟件對離心壓氣機進行了模型設計，網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬并對模擬結(jié)果進行分析。結(jié)果表明：半徑比的改變對流場的流動特性影響較小而對壓氣機的流動穩(wěn)定性影響較大，半徑比越小穩(wěn)定性越高；失速發(fā)生的標志是只有當回流區(qū)延伸至擴壓器出口處；靜壓升系數(shù)在失速先兆的發(fā)生時刻出現(xiàn)最大值。

離心壓氣機； 無葉擴壓器； 數(shù)值模擬； 流場分析； 旋轉(zhuǎn)失速

0 引言

離心壓氣機作為提高氣體壓力的通用機械廣泛應用于各個行業(yè)，主要由離心葉輪、擴壓器、集氣管道組成。無葉擴壓器由于結(jié)構(gòu)簡單，運行范圍穩(wěn)定而使用廣泛。壓氣機系統(tǒng)在小流量工況下運行容易出現(xiàn)不穩(wěn)定流動現(xiàn)象如失速、喘振等，而相較于葉輪失速擴壓器失速引起的危害更大。文獻[1,2]對于離心壓氣機無葉擴壓器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速演化；文獻[3-5]對于失速團的數(shù)目和結(jié)構(gòu)以及抑制措施進行了數(shù)值模擬和實驗；文獻[6]假定擴壓器內(nèi)部流動為二維不可壓縮，分析了擴壓器進口的射流-尾跡擾動。結(jié)果顯示，徑向速度擾動衰減較快且主要受入口流量的影響。文獻[7]研究了低速離心壓縮機無葉擴壓器內(nèi)部流場和壁面壓力波動，并通過頻譜分析確定了失速起始點和失速頻率。結(jié)果表明，隨著流量系數(shù)的減小，徑向速度和周向流動角逐漸減小，但是流量的減小對失速頻率的影響卻很小。

在早期的研究中學者發(fā)現(xiàn)三維的邊界層不穩(wěn)定是導致失速產(chǎn)生原因，文獻[8，9]先后建立了無葉擴壓器旋轉(zhuǎn)失速的三維不可壓縮和可壓縮模型，結(jié)果表明擴壓器失速的臨界流動角受擴壓器半徑比和徑向速度沿擴壓器寬度方向的分布影響。文獻[10]對渦輪增壓器的無葉擴壓器內(nèi)流場進行了詳細研究，呈現(xiàn)了失速發(fā)展的過程，隨著流量的減小無葉擴壓器內(nèi)回流不斷加強，并不斷向各個方向擴展延伸，最終從近壁面處局部失速演變?yōu)槿苁佟１疚睦萌S數(shù)值模擬計算耦合離心葉輪的無葉擴壓器模擬，探究大寬比擴壓器的半徑比對流動特性的影響，完善人們對無葉擴壓器的認識，這對于改善風機性能具有重要的意義。

1 壓氣機計算模型

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

本文研究的離心壓氣機利用ansys15.0平臺中VistaCCD模塊設計離心葉輪，Gambit設計無葉擴壓器并改變半徑比，選擇理想大氣作為流體介質(zhì)，圖1(a)為離心葉輪，(b)為1.5倍擴壓器模型示意圖，表1為設計參數(shù)。

圖1 1.5倍半徑比離心壓氣機模型

采用TurboGrid模塊進行網(wǎng)格劃分，選擇拓撲分流葉片結(jié)構(gòu)，自動生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。單流道入口段網(wǎng)格為19 074，流道網(wǎng)格21 420。葉輪單流道網(wǎng)格模型及網(wǎng)格細節(jié)如圖2所示。

為了減小網(wǎng)格數(shù)量帶來的計算誤差，本文分別對1.5倍半徑比離心壓氣機進行網(wǎng)格無關性驗證，如圖3所示離心葉輪的網(wǎng)格分別為250萬，280萬，310萬，350萬，根據(jù)模擬結(jié)果以及計算時間考慮選擇310萬網(wǎng)格。選擇收斂值為10-5，當收斂曲線達到該值，或呈震蕩發(fā)展趨勢即為收斂。并對于1.2倍、1.5倍擴壓器采用相同比例網(wǎng)格以減小網(wǎng)格對于計算的影響。

表1 離心壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 葉輪單流道網(wǎng)格

圖3 1.5倍半徑比離心葉輪網(wǎng)格無關性驗證

2 結(jié)果分析

2.1無葉擴壓器內(nèi)流動分析

對于擴壓器失速的研究一直集中于邊界層穩(wěn)定性，以及二維核心流擾動對其影響，為了更加清晰地研究邊界層對風機失速的影響，故取近壁處10%葉高處流動情況進行分析。圖4為不同流量系數(shù)下1.5倍擴壓器內(nèi)10%葉高徑向速度分布云圖，圖中葉輪為逆時針旋轉(zhuǎn)，由圖4(a)可知在流量系數(shù)為0.6時,無葉擴壓器盤側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)，并且回流區(qū)成環(huán)狀分布，其回流區(qū)的徑向范圍開始于1.1倍的葉輪半徑結(jié)束于1.4倍的葉輪半徑，由于該回流區(qū)并沒有擴展到擴壓器出口，因此可以判斷該回流環(huán)的形成是由于壁面邊界層分離引起的。每個環(huán)狀回流區(qū)又包含低速區(qū)，其個數(shù)與離心壓氣機的流道數(shù)相等。當流量系數(shù)降低時回流區(qū)暫時消失，流道內(nèi)出現(xiàn)明顯的射流尾流結(jié)構(gòu)，且速度梯度明顯，核心流與流道數(shù)量相同。當流量減小為0.36時低速區(qū)開始出現(xiàn)在擴壓器出口處。直到流量系數(shù)減小到0.3時，流動發(fā)生畸變，回流環(huán)狀區(qū)又顯現(xiàn)出來并且擴展到擴壓器出口區(qū)域。

圖4 半徑比為1.5擴壓器10%葉高處徑向速度圖

圖5為不同流量系數(shù)下1.8倍擴壓器內(nèi)10%葉高徑向速度分布云圖，葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，由圖5(a) 可知在流量系數(shù)為0.6時,無葉擴壓器盤側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)，并且回流區(qū)成環(huán)狀分布，其回流區(qū)的徑向范圍開始于1.1倍的葉輪半徑結(jié)束于1.6倍的葉輪半徑，對比于1.5倍半徑的擴壓器，回流區(qū)的形狀和數(shù)量保持一致，影響范圍有所擴大。同時由于回流區(qū)在擴壓器中心處，可判斷回流同樣由于邊界層分離引起。當流量系數(shù)降低為0.48時回流區(qū)暫時消失，擴壓器中心流動現(xiàn)象和原始擴壓器相似，但由于擴壓器半徑較大，流體在擴壓器出口出現(xiàn)環(huán)狀低速區(qū)。當流量減小為0.42時，回流區(qū)開始出現(xiàn)在擴壓器出口處，核心流的流動規(guī)律保持一致。直到流量系數(shù)減小到0.36時，流動發(fā)生畸變，回流環(huán)狀區(qū)又顯現(xiàn)出來并且呈現(xiàn)不規(guī)則性。對比于圖4可發(fā)現(xiàn)1.8倍半徑比的擴壓器流動發(fā)生畸變的臨界流量有所增大，因此可認為半徑比增大擴壓器流動的穩(wěn)定性有所減小，這與實驗研究的結(jié)論相一致。

圖5 半徑比為1.8擴壓器10%葉高處徑向速度圖

圖6為不同流量系數(shù)下1.2倍擴壓器內(nèi)10%葉高徑向速度分布云圖，葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，由圖6(a) 可知在流量系數(shù)為0.6時,無葉擴壓器盤側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)，并且回流區(qū)成環(huán)狀分布，其回流區(qū)的徑向范圍開始于1.1倍的葉輪半徑結(jié)束于1.2倍的葉輪半徑，對比于1.5,1.8倍半徑比的擴壓器，回流區(qū)的形狀保持一致，但數(shù)量增加為2倍的流道個數(shù)，同時回流區(qū)靠近擴壓器出口，但并未發(fā)生完全合并且全部覆蓋出口，故失速并未發(fā)生。當流量系數(shù)降低為0.48時，葉輪流道出口處出現(xiàn)二倍流道數(shù)量的高速核心區(qū)，并形成完整的射流尾流結(jié)構(gòu)。當流量減小為0.3時，回流區(qū)開始出現(xiàn)在擴壓器出口處，核心流的流動規(guī)律與原始擴壓器保持一致。直到流量系數(shù)減小到0.24時，流動發(fā)生畸變，回流環(huán)狀區(qū)完全合并并出現(xiàn)在擴壓器出口處。對比于圖4，5可發(fā)現(xiàn)1.2倍半徑比的擴壓器流動發(fā)生畸變的臨界流量有所減小，因此可認為半徑比減小擴壓器流動的穩(wěn)定性有所增加。

圖6 半徑比為1.2擴壓器10%葉高處徑向速度圖

2.2擴壓器內(nèi)靜壓分析

定義靜壓升系數(shù)Cp其定義式如下：

(1)

式中：ρ為理想氣體密度；u2為葉輪出口圓周速度；Δp為各段靜壓升，規(guī)定分別以下標1、2、3、4表示葉輪進口、葉輪出口、擴壓器進口、擴壓器出口。其中葉輪出口和擴壓器進口半徑相等，本文用下標12、34和14分別表示葉輪段、擴壓器段和整級的參數(shù)值。

通過不斷減小擴壓器出口的質(zhì)量流量，獲得3種半徑比下各段靜壓升系數(shù)分別如圖7所示。由圖可知隨著流量系數(shù)的減小，擴壓器段的靜壓升系數(shù)先增大而后減小，葉輪段靜壓升系數(shù)隨流量減小也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并在失速先兆出現(xiàn)時達到最大值，同時隨著擴壓器半徑減小臨界失速流量向小流量遷移。以擴壓器靜壓系數(shù)下降的第一個點作為其發(fā)生失速的臨界流量，當流量進一步減小時，葉輪靜壓系數(shù)也發(fā)生降低表明葉輪也進入失速的臨界流量。

圖7 靜壓升系數(shù)隨流量變化示意圖

定義出口的絕對速度為v，出口圓周速度為um，則流動角:

(2)

圖8為不同半徑比下流動角變化示意圖，由圖可知3種擴壓器形勢下流動角變化趨勢一致，在大流量階段流動角發(fā)生重合，這表明擴壓器的半徑比對流動特性影響不大。隨著流量的減小流動角逐漸減小，并通過失速先兆發(fā)生時刻的流量得出臨界流動角，半徑比越小的擴壓器臨界流動角越小，其穩(wěn)定性相對也越高。

圖8 流動角隨流量變化示意圖

3 結(jié)論

(1)無葉擴壓器內(nèi)出現(xiàn)回流區(qū)并不能誘發(fā)失速，只有當回流區(qū)擴展到擴壓器出口區(qū)域時才能誘發(fā)失速。

(2)擴壓器半徑比的改變不影響失速誘發(fā)機理，只影響失速發(fā)生的臨界流量和臨界流動角，相比之下半徑比越小的擴壓器流動穩(wěn)定性越好。

(3)定義靜壓升系數(shù)可發(fā)現(xiàn)在失速先兆發(fā)生的時刻靜壓升系數(shù)達到最大值，靜壓升系數(shù)第一個下降點即為臨界失速流量。

(4)通過對流動角的研究發(fā)現(xiàn)，半徑比為1.8,1.5,1.2的擴壓器流動角變化發(fā)生了重合，這表明半徑比的改變對其流動特性影響不大。本文模擬結(jié)果于文獻中結(jié)論相一致，且采用三維方法更真實地展示了近壁處流體徑向速度云圖。

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Influence of Radius Ratio of Vaneless Diffuser on Internal Flow

WANG Songling， KONG Yu, ZHANG Lei

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China ElectricPower University, Baoding 071003, China)

The vaneless diffuser is an important part of the centrifugal compressor. Studying its internal flow field to get its flow characteristics is of great significance to enhance the performance of diffuser and understand the mechanism of the induced stall. The three-dimensional numerical simulation method is used to show the evolution of the internal flow field of the vaneless diffuser in a small centrifugal compressor with different width ratio. Software Ansys 15.0 is applied to model the centrifugal compressor, partition mesh, implement numerical simulation and analyze simulation results. The results show that the change in radius ratio has little effect on the flow characteristics of the flow field while it shows a greater effect on the flow stability of the compressor: the smaller the radius ratio, the higher the stability. The indication of occurrence of stall is that only when the return zone extends to the diffuser exit, and the static pressure rise coefficient appears at the time of occurrence of stall precursor.

centrifugal compressor; vaneless diffuser; numerical simulation; flow analysis; rotating stall

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.008

TH452

A

1672-0792(2017)10-0045-05

2017-06-30。

王松嶺(1954-),男，教授，博士生導師，研究方向為熱力設備及大型回轉(zhuǎn)機械安全、經(jīng)濟運行，流體動力學理論及應用。