離心壓氣機進口無葉段長度及范圍研究

倪鈺鑫，張曉瑜，陳杰

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

高性能的離心壓氣機性能同時受離心葉輪和葉片擴壓器影響，其在流動過程中產生的損失有30%來自于擴壓器。

針對葉片擴壓器國內外已經展開了較多研究。黨政[1]分析得出葉片幾何角對擴壓器性能和壓氣機整級工況范圍都有明顯影響。KIM[2]發現厚度分布對葉片性能也存在影響。夏樹丹[3]發現串列葉柵擴壓器性能優于單圓弧和楔形擴壓器。初雷哲[4-5]則對擴壓器葉片傾角、葉片數、分流葉片周向位置等對擴壓器性能的影響展開了研究。

在離心葉輪與葉片擴壓器兩葉片部件之間存在徑向間隙，為無葉擴壓段。該段的流動對葉片擴壓器內流場特征會產生較大影響，但目前該位置的研究仍然較少。ANISH[6]得出不同流量下不同長度的擴壓段有不同影響。但其采用的是整級數值研究方法，擴壓器性能受離心葉輪干擾。本文使用單擴壓器部件，通過不同無葉擴壓段長度的擴壓器模擬得出無葉段影響葉輪性能的因素，并提出適用于葉片擴壓器性能的無葉段長度范圍。

1 計算方法

本文采用商用CFD計算軟件NUMECA進行數值計算,湍流模型選擇 S-A方程模型。

有葉擴壓器計算網格為H-O-H型結構化網格，網格點數為61×104，擴壓器計算域結構如圖1所示，擴壓器寬度15mm。無葉擴壓段計算域單通道如圖2所示，網格約為55×104，進口半徑為131mm，出口為171mm。

計算域進口給定總壓101325Pa、總溫288K和進口氣流角68°，對出口給定不同平均靜壓值調節進口流量。

圖1 有葉擴壓器計算域結構

圖2 無葉擴壓段計算域結構

2 結果與分析

2.1 進口擴壓段長度對葉片擴壓器流場的影響

選取進口擴壓段長度分別為8mm、15mm和30mm3種計算方案進行分析，分別標記為方案A、方案B和方案C，各計算方案中擴壓器葉片段及出口擴壓段保持相同。

擴壓器性能特性如圖3所示，分別為3種方案葉片通道的總壓恢復系數隨進口馬赫數變化的特性曲線，其中Ma指擴壓器葉片進口馬赫數值。從圖中可以看出方案A的總壓恢復系數最高，方案C最低。說明隨著無葉擴壓段長度的增加，葉片擴壓器性能逐漸降低，流動逐漸惡化。

圖3 總壓恢復系數特性圖

2.2 無葉擴壓段流動特征研究

1) 進口條件對無葉擴壓段的影響

絕對速度氣流角由徑向速度Vr和周向速度Vt2個參數共同決定。

圖4為無葉擴壓段內子午流道速度與靜壓分布云圖。從圖中可知在主流區內徑向速度沿程先減小后增大，周向速度則單調減小，靜壓單調增大。徑向速度由于附面層逐漸增厚，流道面積減小使其逐漸加速。在附面層區內可知進口徑向速度逐漸增大，之后逐漸減小，靜壓在進口處增大之后逐漸減小。這是由于數值計算給定進口總壓和壁面無滑移條件，導致在進口固壁處速度很小，靜壓極大，形成順壓梯度，使得徑向速度在此加速。因此進口無葉段長度的選擇應大于該氣流角減小區域的長度，來消除進口邊界條件的影響。

圖4 子午流道速度與靜壓分布云圖

2) 進口狀態與結構尺寸對無葉擴壓段影響研究

圖5和圖6分別為3種進口狀態50%和3%葉高下氣流角隨半徑變化的曲線。由圖5可知不同狀態對主流內氣流角影響并不大，由圖6可知附面層內氣流角隨工作狀態變化趨勢相同，開始時氣流角變化曲線值相差不大，隨著半徑的增大差異不斷增大。

由此可知，對于同一個無葉擴壓段，進口工作狀態的改變，主流內氣流角變化規律基本相同，氣流角變化不受進口工作狀態改變的影響。

圖5 50%葉高下主流氣流角分布曲線

圖6 3%葉高下附面層氣流角分布曲線

圖7和圖8分別為不同進口半徑的無葉延伸段主流和附面層內氣流角沿流向變化曲線，圖例表示進口半徑與出口半徑值。從圖7可知，在流動上游一定距離內氣流角分布曲線完全重合，氣流角在距進口0.01m時開始逐漸下降，同時3種方案開始出現差別，但差異很小。從圖8可知，在氣流角沿程先增大，后減小，再逐步增大。上游流動一定距離內3種方案氣流角變化曲線基本重合，隨著流向氣流角不斷增大。

取不同流道長度分別為28mm和40mm的方案，保證出口半徑相同但進口半徑不同進行對比。圖9為兩種方案的主流內氣流角變化曲線，從圖中可知兩者在距進口一定距離內曲線重合，但是氣流角減小過程中開始出現差距，但差值仍然很小，大約1°。

圖7 主流氣流角沿流向分布曲線

圖8 附面層氣流角沿流向分布曲線

圖9 兩種方案的主流氣流角分布曲線

綜上，不同進口半徑時，不論無葉擴壓段長度是否相同，氣流角的變化規律都一致，不受進出口半徑尺寸和進口流動狀態的影響。

2.3 無葉段長度確定準則

由2.1小節可知進口延伸段長度的選取需要保證進口延伸段的出口處氣流角與進口差別不大且分布較為均勻。由2.2小節可知其僅隨氣流流動距離發生變化。

圖10和圖11分別為主流內和附面層內氣流角隨半徑的變化曲線。由圖10可知在通道長度為14mm以內，主流氣流角與設計值68°上下相差在±0.5°范圍內，可認為主流氣流角保持不變。由圖11可知選取附面層氣流角差別<2°以內，此時通道長度為14mm。由2.2節1)可知邊界條件對氣流角的影響主要集中在附面層內，且當氣流角開始增加時說明流動已流出邊界條件的影響區域，由此可知圖11中氣流角開始增大時通道長度為7mm。綜上，無葉擴壓段長度的選取應在7～14mm內，擴壓段長度采用本文中保持不變的等值高度進行無量綱化，則無葉段無量綱長度為0.47～0.93。

圖10 主流氣流角隨半徑變化的曲線

圖11 附面層氣流角隨半徑變化的曲線

3 結語

本文采用NUMECA數值軟件計算研究了無葉擴壓段長度對葉片擴壓器流場的影響，并根據氣流角變化確定了其長度范圍，研究發現：

1) 無葉擴壓段長度對葉片擴壓器流場產生很大影響。無葉段越長，氣流流入葉片時氣流角變化越大，葉片擴壓器性能越低。

2) 無葉擴壓段內氣流角變化在主流區內先增大后減小，在附面層區內受邊界條件影響先減小后增大。但氣流角變化不受進口馬赫數和結構尺寸影響。

3) 無葉擴壓段長度適應范圍選定在進口附面層受邊界條件影響范圍之外，且主流氣流角與進口相差不大的區域，無量綱長度范圍為0.47～0.93。