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        離心壓縮機三元葉輪的數(shù)值分析

        2012-06-07 01:30:26羅桂山史學增
        船舶 2012年3期
        關(guān)鍵詞:效率

        羅桂山 周 翔 史學增

        (1.海軍駐上海704所軍事代表室 上海200031;

        2.中船重工集團第704研究所 上海 200031)

        0 引 言

        在船用領(lǐng)域,制冷機組可能長期運行在低負荷工況。因此,在制冷壓縮機的設計中必須考慮全工況(尤其是小流量)下的運行特性。離心壓縮機比螺桿及活塞壓縮機有著更加寬廣的調(diào)節(jié)范圍,離心壓縮機需要重點研究的核心部件是葉輪。離心三元葉輪的內(nèi)部流動是復雜的三維粘性流動,憑借現(xiàn)有的試驗手段要很難測量其中流場的細微結(jié)構(gòu)。

        計算流體力學(CFD)是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值計算工具,用于求解流體的流動和傳熱問題。CFD計算相對于實驗研究具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優(yōu)點。

        本文運用Numeca公司研發(fā)的CFD軟件,對一臺自研制冷離心壓縮機的三元葉輪進行內(nèi)部三維粘性流場的數(shù)值模擬,并預測其性能,為壓縮機低負荷工況降轉(zhuǎn)速運行提供理論依據(jù)。通過變頻調(diào)節(jié)降低轉(zhuǎn)速能改善壓縮機低負荷工況下的性能。

        1 研究對象

        本文研究的葉輪為帶分流葉片的全三元閉式葉輪,如圖1所示。

        圖1 葉輪外形圖

        該葉輪相關(guān)幾何參數(shù)如表1所示。

        表1 葉輪幾何參數(shù)表

        2 數(shù)值分析

        2.1 網(wǎng)格生成

        葉片的計算網(wǎng)格采用Numeca軟件的Autoblade模塊生成,計算網(wǎng)格如圖2所示。

        圖2 計算網(wǎng)格

        整個流場網(wǎng)格數(shù)量為610 736個,劃分為12個區(qū)域。其中包括4塊主流區(qū)域,2塊長葉片近壁面區(qū)域,2塊短葉片近壁面區(qū)域,長葉片進出口區(qū)域和短葉片進出口區(qū)域。相鄰兩個區(qū)域在邊界處網(wǎng)都是匹配的。為加速收斂,采用隱式殘差平均法和三層完全多重網(wǎng)格技術(shù),先在最粗的一層網(wǎng)格上開始迭代計算,然后延拓到較密的一層網(wǎng)格上,把上一級計算得到的結(jié)果作為下一級計算的初場,節(jié)省了計算時間與迭代次數(shù)。

        2.2 邊界條件

        假定氣體進口總壓349 600 Pa,進口總溫278.15 K,進口湍流粘性0.000 01 m2/s,出口給定質(zhì)量流量,固壁面給定無滑移、絕熱邊界條件,進出口延伸段壁面給定滑移、絕熱邊界條件。

        2.3 數(shù)值計算方法

        本文采用Fine計算程序?qū)Σ煌髁抗r進行計算。Fine采用多重網(wǎng)格的計算技術(shù),并有多種對流項差分格式和湍流模型,可對流體機械內(nèi)部定常、非定常,可壓縮、不可壓縮湍流流動進行精確計算。本文選擇三維Turbulent Navier-Stokes方程組及Sparlart-Allmaras湍流模型,時間項采用4階Runge-Kutta法迭代求解,定常流動。工質(zhì)選擇可壓縮R134a,CFL數(shù)值取3,迭代步數(shù)為5 000步,收斂殘差取10-6。全局殘差收斂史如圖3所示。

        圖3 全局殘差收斂史

        2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        模擬結(jié)果運用CFView后處理模塊分析。

        2.4.1 葉輪固定轉(zhuǎn)速7 950 r/min,軸向進氣入口無預旋

        葉輪的總-總等熵效率和總壓比的預測結(jié)果如圖4、圖5所示。

        圖4 葉輪總壓比圖

        圖5 葉輪等熵效率圖

        當流量減少,葉輪壓比增加。開始增加很快,當流量減少到3.5 kg/s時,壓比增加的速度放緩。葉輪的等熵效率隨流量增加而增大,當流量增加到4 kg/s時,等熵效率達到最大值;當流量增大到6 kg/s時,總壓比和等熵效率急速下降。

        當流量為1.5 kg/s時,葉輪中間葉高截面相對速度流線和熵分布如圖6所示。

        圖6 1.5 kg/s流量下中間葉高截面流動和熵分布

        從圖中可以看出,在長葉片的吸力面前部和短葉片的壓力面后部存在明顯分離區(qū)。當流量增加到4 kg/s時,葉輪中間葉高截面相對速度流線和熵分布如圖7所示。此時流線光順,主流場無分離區(qū)。

        圖7 4 kg/s流量下中間葉高截面流動和熵分布

        如圖8所示,4 kg/s流量下吸力面的靜壓高于壓力面,吸力面的靜壓在短葉片前緣處稍微有所下降。此處葉片數(shù)由9片變成18片,葉輪阻塞系數(shù)增大,流動損失較大,壓力面和吸力面的靜壓總體趨勢仍然是沿著流道逐漸增加的。當流量繼續(xù)增大,葉輪的流動損失加速增大,等熵效率逐漸下降。當流量增大到6 kg/s時,總壓比和等熵效率急速下降,此時葉輪對氣體做功全部克服流動損失,出現(xiàn)“阻塞現(xiàn)象”。

        圖8 4 kg/s流量下長葉片中間葉高壁面壓力分布

        如圖9所示,壓力面和吸力面的靜壓在短葉片前緣處都有明顯下降。

        圖9 6 kg/s流量下長葉片中間葉高壁面壓力分布

        綜上所述,葉輪的最佳運行工況的質(zhì)量流量應該在3~5 kg/s之間。

        如圖10、11所示,6 kg/s流量工況相對4 kg/s流量工況,子午面相對馬赫數(shù)分布非常不均勻。在短葉片前緣附近,由于流道截面積突然收縮,流道形狀劇烈變化[1],存在明顯高速區(qū)。

        圖10 4 kg/s流量下子午面平均相對馬赫數(shù)等值線圖

        圖11 6 kg/s流量下子午面平均相對馬赫數(shù)等值線圖

        2.4.2 低負荷工況降轉(zhuǎn)速

        當制冷機組低負荷運行、蒸發(fā)器蒸發(fā)量減少、壓縮機進入小流量工況(如圖12所示的子午面相對流線),此時葉片頂部出口和進口都存在明顯分離區(qū),葉輪的效率很低,可能進入喘振工況。通過變頻調(diào)節(jié)降低壓縮機轉(zhuǎn)速能改善葉輪內(nèi)部氣流流態(tài),葉輪分離區(qū)消失、流線光順、效率提高,如圖13所示。

        圖12 7 950 r/min子午面平均相對流線分布

        圖13 4 000 r/min子午面平均相對流線分布

        3 結(jié) 論

        (1)轉(zhuǎn)速不變、流量減少、葉輪壓比增加,開始增加很快,當流量減少到某值時,壓比增加的速度放緩。葉輪的等熵效率隨流量增加而增大,流量增加到最大值后下降;

        (2)短葉片前緣存在高速區(qū),此處氣體摩擦損失相對較大;

        (3)在低負荷工況下,變頻調(diào)節(jié)降低壓縮機轉(zhuǎn)速能有效改善氣體流態(tài),提高效率。

        [1]劉瑞韜,徐忠.葉片數(shù)及分流葉片位置對壓氣機性能的影響[J].工程熱物理學報,2004(2):223-225.

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