含分流叶片离心压缩机级的数值分析

摘要 ：对含分流叶片的离心压缩机级进行了三维数值试验。重点分析了叶轮、扩压器和蜗壳等部件中的流动特征，另外，数值计算的结果表明：离心叶轮分流叶片的位置、扩压器宽度，以及蜗壳型式等方面的不同选择都会对压缩机的性能造成一定的影响。最后对数值计算的精度进行了分析说明。Abstract: The 3D numerical test is carried out on centrifugal compressor stage with short blade. Analyze the flow characteristic of impeller 、 vane diffuser and scroll parts, in addition, the result of numerical calculation shows that, the different choice what the location of short blade in centrifugal impeller, vane diffuser width, scroll type can make effective to the performance of compressor, Analyze and description is carried out on the precision of numerical calculation at last.
关键词 ：离心式压缩机 数值分析 分流叶片
Keywords: Centrifugal compressor Numerical analysis Short blade

1 引言

　　在叶轮机械中，由于复杂的流道形状以及静子、转子部件间的相互作用，其内部流动结构极端复杂。为了提高叶轮的机械性能，必须对其内部流场结构和能量损失的机理进行深入的研究，从而进行有效的控制。本文针对某离心压缩机的设计方案，从数值分析的角度对方案的三维流动进行了分析研究，并提出了改进的意见。

2 设计方案

　　离心压缩机的设计要求：压比1.42，进口流量为 3.875m3/min ，流体介质为空气，进气压力为 1 个大气压，进气温度为常温。确定该压缩机级由高转速的半开式长短叶片叶轮、无叶扩压器和非对称圆蜗壳等部件组成。
　　 在自行对 CFD 商业软件进行了二次开发的离心压缩机建模参数化平台上，对方案进行数值模拟，可以获取方案的内流情况及其性能特性。图 1 为数值计算的模型图。

3 叶轮的内流分析

　　国内外一些高效率的离心压缩机叶轮大都采用了分流叶片形式。分流叶片是将原流道分成了两个不同的通道，前通道（短叶片工作面与长叶片非工作面之间）内的流动情况，比后通道内要差得多，并且产生的损失也大 [1] 。

　　国内外的一些学者也对分流叶片的不同方案进行了一些研究：文献 [2] 通过数值试验对比了分流叶片居中和偏向长叶片压力面一侧的两种方案，结果表明后一种方案能够有效提高叶轮的效率。而文献 [1] 通过试验的方式对叶栅的几种不同方案进行了比较，得出长短叶片比单列长叶片要好，并且短叶片顺旋转方向移动 1/8 栅距的双列叶栅叶轮是最有利的方案。为了进一步探寻双列叶栅的优化问题 ，对 3种分流叶片的位置进行了比较分析。

（2）分流叶片反旋转方向（朝长叶片压力面方向）转动。图 3a 为分流叶片反旋转方向转动 4 °后的结果。前通道比后通道的通流速度稍微大些。两个通道的尾迹区域均有所变小，而且强度也有所减弱，两通道的主流速度均匀化。图 3b 中分流叶片旋转角度为 2 °，其优化效果较 (a) 明显，其两个通道的主流区域的通流速度更为均匀，流动情况有明显改善。相比之下，前通道的改善明显些。尽管在效率相对较高的后通道的做功量减小了，但是前通道的明显改善能够弥补此部分的不足。因此其综合效应还是优于分流叶片居中的设计方案。

（3）分流叶片顺旋转方向转动。图4a为分流叶片转动4 ° 后两通道的出口相对速度分布情况。叶片调整后，相应的前通道的通流面积变小，后通道变大。在平均通流速度的对比上，两通道相当，前通道为 71.09m/s，后通道为71.26m/s。与图2的分布情况相比，主流面积均变大，而且更加均匀，尾迹区域变小，表明在此处的能量聚积损失得到一定程度改善。图4b为分流叶片转动2 ° 后的效果，与图 4a相比，两通道的出口截面通流速度更加均匀，尾迹区域虽没明显变动，但其强度有所减弱，该方案比转动4°的方案更理想。 由于分流叶片居中时前通道的损失较后通道更大，该方案实际上是减少了效率相对较低的前通道的做功量，这更有利于提高叶轮效率。