韓 磊， 趙 惠， 張家忠

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710048）

射流對(duì)擴(kuò)壓器流場(chǎng)穩(wěn)定性的影響

韓 磊1， 趙 惠1， 張家忠2

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710048）

在設(shè)計(jì)工況下葉片擴(kuò)壓器有利于提高離心壓縮機(jī)級(jí)效率和壓比。然而葉片擴(kuò)壓器穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍狹窄，超出該工況范圍葉片擴(kuò)壓器產(chǎn)生的沖擊作用會(huì)降低離心壓縮機(jī)性能。因此在某些化工過(guò)程中，離心壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程中獲得外部注入的射流。在擴(kuò)壓器葉片上開(kāi)孔，合理利用射流，能優(yōu)化葉片擴(kuò)壓器中流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大其工況范圍。

射流；擴(kuò)壓器；穩(wěn)定性

0 引言

離心壓縮機(jī)單元級(jí)主要由轉(zhuǎn)子葉輪和擴(kuò)壓器組成[1]。能量由轉(zhuǎn)子葉片傳遞給被壓縮流體介質(zhì)，流體靜壓上升，速度增加。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子后輸入的能量30%（后彎式）到50%（徑向式）轉(zhuǎn)換為介質(zhì)的動(dòng)能，這些動(dòng)能將由無(wú)葉擴(kuò)壓器或者有葉擴(kuò)壓器轉(zhuǎn)化為靜壓能。

1 參數(shù)設(shè)定

圖1 離心壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The general structure of a centrifugal compressor

離心壓縮機(jī)單元級(jí)，如圖1所示。擴(kuò)壓器熱力學(xué)參數(shù)：進(jìn)口壓力116287Pa，溫度309.221K，速度95m/s；出口 壓 力 115730Pa， 溫 度309.219K，速度71m/s，靜壓112958Pa。某葉片擴(kuò)壓器模型擴(kuò)壓器幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

2 分析方法

表1 某葉片擴(kuò)壓器參數(shù)Tab.1 Parameters of a vane diffuser

首先利用AutoCAD2010建立擴(kuò)壓器幾何模型，導(dǎo)入COMSOL中做進(jìn)一步處理。擴(kuò)壓器模型如圖2所示，241為入口，法向流入速度為95m/s；242為出口，壓力112958Pa，粘滯應(yīng)力為零；1、2為周期性邊界條件；其余翼型部分為壁面無(wú)滑移條件。

網(wǎng)格劃分用COMSOL自帶 “標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格劃分”。然后對(duì)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行九次正交試驗(yàn)，通過(guò)在葉片吸力面合理位置開(kāi)孔向擴(kuò)壓器內(nèi)注入射流，起到改善流場(chǎng)、延緩分離點(diǎn)的作用。未加入射流時(shí)擴(kuò)壓器葉片流線(xiàn)如圖3所示。定義分離點(diǎn)相對(duì)位置系數(shù)c：

c反映出擴(kuò)壓器葉片分離點(diǎn)在葉片上的相對(duì)位置，其取值范圍是0～1。若在翼尖附近發(fā)生分離，則分離點(diǎn)靠近翼尖位置，流體分離早，c接近0；若在遠(yuǎn)離翼尖附近發(fā)生分離，則分離點(diǎn)靠近翼尖位置，流體分離晚，c較大。嚴(yán)格意義上說(shuō)c值不會(huì)等于0或1，也不會(huì)很接近1。

圖2 COMSOL中擴(kuò)壓器模型及邊界示意圖Fig.2 Vane diffuser model and boundary sketch map in COMSOL

無(wú)射流作用時(shí)，由圖中坐標(biāo)可得出翼尖橫坐標(biāo)為847.5，尾部尖端橫坐標(biāo)為871，分離點(diǎn)橫坐標(biāo)為848，定義無(wú)射流作用時(shí)分離點(diǎn)系數(shù)為c0，則：

圖3 基礎(chǔ)工況下擴(kuò)壓器葉片流場(chǎng)圖Fig.3 The flow field diagram of vane diffuser on the basic condition

對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行初步分析后可以看出：①延緩分離最徹底的是試驗(yàn)3，c3=0.255；②擁有較好延緩分離結(jié)果的是試驗(yàn)4，c4=0.191。雖然試驗(yàn)7中得到的結(jié)果比試驗(yàn)4的要大，但由于試驗(yàn)7已具有明顯的堵塞工況雛形，故舍去不計(jì)；③擁有一般延緩分離結(jié)果的是試驗(yàn)2，是c2= 0.174；④延緩分離最不明顯的是試驗(yàn)1，c1=0.064，c1僅是c0的3倍；⑤沒(méi)有產(chǎn)生延緩分離效果是試驗(yàn)5，c5=c0= 0.021。結(jié)合正交試驗(yàn)表，進(jìn)一步進(jìn)行極差分析后得到各水平K值和R值表格（見(jiàn)表4）。

表3 各試驗(yàn)分離點(diǎn)系數(shù)結(jié)果表Tab.3 The results of each test separation point coefficient

毋庸置疑的是[2]，射流角度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)壓器發(fā)生喘振工況[3]，因此對(duì)延遲分離點(diǎn)影響最重要的因素是射流角度，再次是孔口寬度，其次是射流速度，最后是孔口位置。

表4 極差分析結(jié)果表Tab.4 Range analysis results table

按以上分析結(jié)果，射流角度1（15°），射流速度3（150m/ s），孔口位置系數(shù)3（0.1），孔口寬度系數(shù)3（0.125）是最優(yōu)值。按最優(yōu)值工況設(shè)定驗(yàn)證試驗(yàn)以檢驗(yàn)其結(jié)果。

最優(yōu)值工況下得到的擴(kuò)壓器葉片流線(xiàn)如圖4所示。由圖中坐標(biāo)可得出翼尖橫坐標(biāo)為847.5，尾部尖端橫坐標(biāo)為871，分離點(diǎn)橫坐標(biāo)為853.5，定義無(wú)射流作用時(shí)分離點(diǎn)系數(shù)為c最優(yōu)，則：

檢驗(yàn)結(jié)果：最優(yōu)值工況下得到的分離點(diǎn)系數(shù)與試驗(yàn)3中得到的系數(shù)相等，取得最大值，正交試驗(yàn)結(jié)果得到證實(shí)。

圖4 最優(yōu)值工況擴(kuò)壓器葉片流場(chǎng)圖Fig.4 The flow field diagram of vane diffuser on the optimum condition

3 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)工況下葉片擴(kuò)壓器有利于提高離心壓縮機(jī)級(jí)效率和壓比。然而葉片擴(kuò)壓器穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍狹窄，超出該工況范圍葉片擴(kuò)壓器產(chǎn)生的沖擊作用會(huì)降低離心壓縮機(jī)性能。因此在某些化工過(guò)程中[4]，離心壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程中獲得外部注入的射流。在擴(kuò)壓器葉片上開(kāi)孔，合理利用射流，能優(yōu)化葉片擴(kuò)壓器中流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大其工況范圍。

[1]徐忠．離心壓縮機(jī)原理[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

[2]Synthetic Jet Actuators[J].AIAA paper,1998.

[3]Smith B L,Glezer A.Vectoring and Small-Scale Motions Effected in Free Shear Flows Using Synthetic Jet Actuators[J].AIAA paper,1997.

[4]方開(kāi)泰，馬長(zhǎng)興．正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]．科學(xué)出版社，2001．

The Effect on the Stability of Fluidics to the Diffuser

HAN Lei1，ZHAO Hui1，ZHANG Jia-Zhong2
（1.Shenyang Blower Works Group Co.,Ltd.,Shenyang Liaoning 110869,China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an Shaanxi 710048,China）

Vaned diffuser is helpful to improve centrifugal compressor efficiency and compression ratio at the design condition,but stationary operation range is narrow when beyond the scope of the condition of the effects of the shock vaned diffuser will reduce the performance of centrifugal compressor.So in some chemical process,centrifugal compressor in the compression process has to inject airstrem from external.Tapping on the diffuser vane and reasonable use of airstrem can optimize the vaned diffuser flow field structure,expand the scope of its working conditions.

fluidics；diffuser；stability

TP273

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.027

1002－6673（2014）03－068－02

2014－04－03

韓磊（1981-），男，碩士研究生，總工程師。從事壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)工作；趙惠（1980-），女，碩士研究生，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)主任科員。