离心压缩机小流量级扩压器的分析与优化

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1、离心压缩机小流量级扩压器的分析与优化AnalysisandOptimizationofCentrifugalCompressorDiffuserwithSmallFlowStage冀春俊肖蕾/大连理工大学动力系摘要:对一离心压缩机小流量级的扩压器内部的三维粘性流场进行了数值研究。在对整级流场模拟的基础上，对其无叶扩压器内部流场进行分析探讨，提出加入叶片扩压器的改造方案，并对扩压器叶片型线进行了分析讨论，使其级多变效率提高近5个百分点。关键词：离心压缩机小流量流动模拟中图分类号：TH452文献标识码：B文章编号：1006-8155（2005）02-0015-03Abstract:Num

2、ericalresearchofthethreedimensionalviscosityflowinacentrifugalcompressorwithlowmassflowcoefficientispresentedinthispaper.Basedonthenumericalanalysisoftheflowinsidethewholestage,especiallytheflowinthevanelessdiffuser,vaneddiffuserisproposedforthemodificationofthecompressor.Bladeprofileisnumerica

3、llyanalyzedandan5%increaseofthepolytropicefficiencyofthestageisachieved.Keywords:CentrifugalcompressorSmallflowratestageDiffuser1引言在离心式压缩机中，扩压器的功用主要是使从叶轮出来的具有较大动能的气流减速，以使动能有效地转化为压力能。无论径向直叶片还是后弯或强后弯叶轮，这部分动能都要占叶轮总耗功的很大比例。扩压器设计得理想与否对级效率和压比有很大影响，它在离心压缩机中是与叶轮同样重要的元件，因此，对扩压器的研究是一项十分有价值的工作。本文研究的多级离心式压

4、缩机小流量模型级的流量系数φ=0.01028，在设计工况下多变效率仅为68%，与现今国际同类水平压缩机的多变效率相比要低10个百分点。通过对此小流量模型级内部流场进行数值模拟，对模拟后的原结构内部流场进行分析研究，发现原结构各元件中扩压器内部流场的流动损失过大是造成其多变效率低的重要因素之一。据此，对原结构采用的无叶扩压器进行分析，针对其流动特点在其后端加一段叶片扩压器，并对扩压器叶片型线进行一系列的分析讨论，使改进后的扩压器性能有所提高，进而增加整级的多变效率。2原无叶扩压器几何结构特点图1和图2为此小流量模型级整级的三维造型。从图中可以看到，原结构采用的是等宽无叶扩压器（b3=b

5、4=const）；扩压器前面连接强后弯闭式叶轮，等厚度叶片，叶片尾缘为钝头，且b2＞b3；后面连接的弯道前后宽度不等，略有扩张。44图1图23计算方法与边界条件虽然研究的对象是离心式压缩机小流量模型级的扩压器，但为真实地反映扩压器内部流场的流动情况，采用了计算流体力学的手段对整级内的流动进行详细的计算分析。整级结构几何形状非常复杂，内部流动具有明显的三元流动和粘性流动、非定常流动特征，流动分析问题异常复杂。本计算分析的出发点为气流流动的控制方程，包括三维可压缩雷诺平均N-S方程、能量方程、连续方程、理想气体状态方程、以及Baldwing-Lomax代数湍流模型方程；采用有限体积法对控

6、制方程进行空间离散，采用显式时间推进法求解，并使用有效的多块/多重网格技术提高整个求解的收敛速度。计算域包括进气道、叶轮、扩压器、弯道、回流器，并在回流器出口段进行了适当的延伸。网格采用多块六面体结构网格。计算时流体工质选择为空气，进口边界给定速度方向、静温（Tin=293K）、质量流量（G=0.5378kg/s），出口边界给定静压（pout=137293.1Pa）。4计算结果分析4.1原无叶扩压器内部流动分析利用上述计算平台进行离心压缩机小流量模型级的数值分析计算，得到了各元件（包括叶轮、扩压器、弯道及回流器）内部三维流场的完全信息。原结构采用的是等宽无叶扩压器，无叶扩压器有结构简

7、单，造价低，性能曲线平稳，稳定工况范围宽等优点。它的缺点在于，由于流体在无叶扩压器中α角基本不变，流动路程较长，摩擦损失较大，在设计工况下效率比叶片扩压器要低，当α角很小时这种不足更加明显。通过对叶轮流道内部流场进行分析，发现叶轮出口的α2比较小（约8.5°），扩压器中的流线偏长（见图3），流动损失比较大，这可能就是扩压器性能不高的重要原因之一。据此，尝试在无叶扩压器后端加一段叶片扩压器，使方向角α增大，流道长度缩短，以达到减少流动损失的目的。4.2叶片扩