带 叶片扩压器离心压缩机模型级内流研究

王春艳

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摘要：带叶片扩压器离心压缩机在工业方面，较为常见，并有着重要的应用。研究其工况状态，能够进一步调整其性能，改变其设计，明确不同状态下其运行的变化，并了解其内流特性。本文通过研究带叶片扩压器离心压缩机，明确其不同工况下的速度分布和流动迹线，通过数字模拟，明确其流动特性。

关键词：离心压缩机；模型级；内流研究

前言：离心式压缩机，是十分常用的设备。尤其是对于工业领域来说，其应用十分广泛。包括冶金、石油、化工、天然气、动力等。随着其应用的不断扩展，国内外专家都对其进行了多种研究和探索，尤其对于其模型级的设计进行了广泛探索研究。研究内容包括马赫数对离心压缩小流量系数的模型机性能影响，以及压缩丙烯式模型级内部及弯道回流器内部流动规律等等。这些研究，推动了压缩机的应用，并通过调整其结构、改变其尺寸，让其拥有更为高马赫数的运行状态。本文在此基础上，进一步研究，带翼型叶片扩压器离心压缩机的模型机内部流动，对内部流动进行数值模拟，明确其模型级外特性。

1. 带叶片扩压器离心压缩机概述

离心压缩机的运行模式，是通过离心运动的原理实现的。叶轮作为其中的高速运动元件，能够完成高速旋转。而扩压器、蜗壳等，则是离心压缩机的静止原件，不发生运动过程。叶轮在高速旋转过程中，排出流体，实现离心压缩做功的过程，在此过程中将动能转化为压力能。流体具有射流和尾迹等运动特征，这种运动特征，以及多种压缩机元件自带的结构几何形态，共同形成了离心压缩机机械内部的内流特性。翼形叶片扩压器对于离心压缩机来说，是其中性能较为突出的扩压器类型。该类扩压器应用于离心压缩机，能够进一步控制压缩机结构，形成结构紧凑、尺寸相对较小的压缩机。同时，翼形叶片扩压器能够提高离心压缩机的转速，进一步保证压缩机运行时的高马赫数。离心压缩机结构一般为进气室、叶轮、叶片扩压器、蜗壳及排气管构成，其中包括有弯道和回流器。扩压器是离心压缩机中的定子部件，也是其核心部件之一，能够对离心压缩机的模型级产生重要影响。针对其主要结构叶轮、扩压器和蜗壳进行的模型级研究，十分常见，但是对于同时带有弯道和回流器的整个模型级实验模拟，并不常见。

2. 带叶片扩压器离心压缩机模型级内流研究

1. 模型级

在进行内流研究前，首先需要确定所研究的扩压器离心压缩机的模型级，确定其各项参数。本文主要研究的离心压缩机，扩压器叶片形状为翼型。叶轮的参数数据主要包括：外径D2为400mm、叶片出口宽度B2为28.87mm、叶片数18、叶轮额定转速为11515r/min。压缩机基础设计参数数据主要包括：进口温度30℃、进口总压101325Pa。针对内流研究，设计的工况流量为4.05kg/s。

2. 计算模型及计算网格

离心压缩机模型级的计算网络，主要是针对叶轮叶片的特性，进行了壁面，以及叶片进出口的网格加密，并根据给定温度、总压，以及速度方向等，为进出口边界提供了定制量的流量设计。采用滑移运动网格技术，对模型级的实验进行阶段性的计算网格应用，并以此建立相应的计算模型。计算模型总体采用了三套计算网格，网格数分别为20万零6千，30万零9千5百，46万。除此之外，对于其他部件，要进行比例调整，进一步完成内部计算网格，完成模型的调整。计算模型及计算网格，采用无关性原则以及计算效率原则。对于最后的网格数确定，要结合计算需要和内流研究需求，最终确定为30万零9千5百。计算模型采用的取壁面网格y^＋值为30。完成壁面的的边界效应计算，需要进一步的采用结合的壁面函数方法。

3. 模型级外特性

翼型叶片扩压器，其具有的模型级外特性，是由其内部流动特性所决定和影响的。因此要研究其模型级外特性的影响因素及特性，需要对整个模型，进行研究。主要研究内容，就是内流的形态特征。研究方式，首先要通过数值模拟和实验，对外特性进行对比研究。通过标准模型及性能实验，确定进出气的实验方法，并对管道内的端口喷嘴进行流量的测量，在出气管道上安装闸阀，确保流量可以调节，以方便对于特性的研究。通过测量结论和实验的效率性能研究，可以发现，翼型叶片扩压器的模型级特性，平均效率可以达到82%，具有优良的模型级性能。

4. 模型级内部流动分析

模型内部流动分析，主要分析的是不同工况下的流动反应状态，以及总压损失情况。进行详细的计算分析，可以设定三种具体的典型工况。这三种工况分别是小流量工况、设计流量工况以及大流量工况。其具体的质量流量参数为，小流量工况：2.475kg/s；设计流量工况：4.05kg/s；大流量工况：5.4kg/s。研究内流速度和迹线，要根据以上的三种工况进行具体的研究，能够集中反映内流的变化和分布情况。

4.1设计工况下模型级内部通流速度发展

在设计工况下的内流研究，主要研究测试位置，是扩压器的出口截面。研究内容，是出口截面上的通流分布。能够进一步确定模型及内部的内流情况。通过实验可以发现，在进行设计工况4.05kg/s质量流量参数的截面通流速度测试时，总体获得的速度分布，并不是均匀的。具体表现在，轮盖和叶片吸力面的角区。这两个部分存在明显的速度逐渐缩小尾迹。而，最大速度的表现，则集中在轮盖与压力面的角区，同时出现在轮盘与吸力面的角区。从扩压器的方面来看，整体速度分布是较为均匀的，但是出现了较为明显得速度变化壁面边界，尤其在扩压器的出口界面上，这种边界层的变化最为明显，通流速度不均匀，存在密集的速度边界变化。

4.2不同工况下扩压器子午面内速度分布

分别研究不同流量工况下，子午面测试的速度分布情况。通过跨盘盖截面上的扩压器流道子午面测定，确定其速度的分布。根据不同工况的测试，要求选用的测试位置为不同的测试截面。其中，小流量工况选取的是靠近叶腹的截面，设计工况选取的是中间部分截面，而大流量工况则选取靠近叶背部分的截面。

经过测试发现，在小流量工况下，气流的冲击会形成气流漩涡。这种情况，主要集中在轮叶的背面，以及腹中位置。尤其是在腹中位置的截面上，可以明确其中存在大量的气体回流，布满了子午面。在设计流量工况下，会发现整体的流速都是均匀的，并且分布在整个子午面上都是平均的，展现了稳定的良好状态。在大流量工况下，气流冲击位置主要集中在腹中位置，而气流漩涡形成的位置，则是在轮叶背部。在轮叶背部，子午面的大面积区域，都能形成相应的气体回流。综上所述，在设计工况下，扩压器子午面的速度分布是最为均匀和良好的。

4.3不同工况下跨叶片截面内流动迹线分布

叶片截面内流动迹线，能够反映内流过程中的气体运动轨迹。测试过程通过气体的流动速度、时间的积分，获得相应的气体运动轨迹线。明确了气体的运动轨迹，就可以进一步确定气流在扩压器中的流动情况。

在小流量工况下，会形成大小、位置、高度，等多种反应不同的漩涡。主要形成位置为轮叶腹中位置。在靠近轮盘处，漩涡区的范围增大，并影响了整个气体流道，而在中间高截面内，漩涡区域仅仅局限在叶腹的尾端，在靠近轮盖处，漩涡紧贴在整个叶腹面上。

在设计流量工况下，气流沿着流道中心均匀分布和流动，并没有较为明显的漩涡产生，整体流动损失较小，运动效率较高。

在大流量工况下，叶背附近产生漩涡。在背面产生的漩涡，是不停移动的，会向轮盖靠近。漩涡表现较大的部分，是轮盘位置。漩涡区域较大，并且覆盖了整个叶背。漩涡，还会从轮叶的高处，逐渐的向扩压器的出口处移动。

5. 结论

通过本研究，对于气体内流量的数值模拟和实验，可以得出如下结论，一是研发的离心压缩机模型级具有稳定的运行工况范围。二是对于内流量特性来说，大流量工况和小流量工况，都不是稳定的内流。均存在一定的漩涡区。而设计工况，尽管没有出现内流漩涡，但是却出现了速度尾迹区，有一定的速度壁面界限。三是通过对内流量的研究，可以确定扩压器在不同工况下，有一定的流量损失和扩压效果。这种内流量，会造成不同的流动特性，并造成不同的流动影响。在小流量和大流量工况下，气流在叶片内的扩压，没有得到有效的滞止，同时无法有效避免压力损失。相对来说，在设计流量工况下，运行效果完整，气流较为稳定，气压损失较小。

参考文献：

[1]周俊安, 刘立军, 肖萍,等. 带叶片扩压器离心压缩机模型级内流研究[J]. 西安交通大学学报, 2015, 049(009):30-35.

作者简介：

姓名：王春艳（出生年1984），性别：女，民族（汉），籍贯：河南省商丘市民权县，现职称/职务：工程师，现主要从事离心压缩机研究开发。