冀春俊 高 健 冀文慧/大連理工大學(xué)

李秀剛/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

21 世紀(jì)是大量能源消耗的時(shí)代，隨著能源需求量不斷增長(zhǎng)并且日益迫切，節(jié)能減排問題與可再生能源利用問題越來越受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。我國(guó)現(xiàn)如今也高度關(guān)注能源問題，國(guó)家能源“十二五”規(guī)劃中明確提出“能源品質(zhì)”問題[1]。壓縮機(jī)作為重要葉輪機(jī)械，在航空航天、能源、化工及冶金等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。由于其在眾多領(lǐng)域中的重要作用，國(guó)家近年來不斷加大對(duì)其的研究開發(fā)[2-3]。要想提高壓縮機(jī)的效率，首先應(yīng)必須對(duì)其進(jìn)氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，保證機(jī)組合理運(yùn)轉(zhuǎn)，提高效率[4]。原有的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)頭部有隔板分離，旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣過程中勢(shì)必會(huì)形成旋渦。然而，改進(jìn)后的“心形”蝸殼式進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，氣體邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)入葉輪，頭部流量減少，后續(xù)通道氣體不足，故采用“心形”漸縮通道。同時(shí)，進(jìn)氣室頭部的圓弧形設(shè)計(jì)，與原結(jié)構(gòu)相比，少了氣流與隔板之間的對(duì)沖，減少了壓力損失，同時(shí)進(jìn)氣均勻性有所提高，更符合流動(dòng)規(guī)律。氣流周向進(jìn)氣均勻性的提高有助于下一級(jí)流動(dòng)的穩(wěn)定性[5]。相對(duì)于整個(gè)機(jī)組來說，機(jī)械效率高和工作穩(wěn)定性好，無疑為提高裝置的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[6]打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由此可見，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)口模型的研究有很大的必要性。

本文利用Pro/E軟件對(duì)現(xiàn)有的進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行造型，運(yùn)用Numeca 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算。之后，通過利用數(shù)值模擬優(yōu)化的方法對(duì)整個(gè)模型級(jí)進(jìn)行分析，最終獲得最優(yōu)化組合，進(jìn)而提高葉輪的性能[7-12]。

1 物理模型

圖1是廠方給出的原壓縮機(jī)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)模型，整個(gè)模型分為壓縮機(jī)進(jìn)氣室和第一級(jí)葉輪兩部分。圖1 中1 為壓縮機(jī)進(jìn)口，2 為肋板，3 為進(jìn)氣室出口與第一級(jí)葉輪相接的轉(zhuǎn)靜子交界面，4 為第一級(jí)單通道葉輪。

圖1 進(jìn)氣室加第一級(jí)葉輪模型圖

2 計(jì)算方法、網(wǎng)格及邊界條件

隨著優(yōu)化技術(shù)與三維雷諾平均N-S 分析相結(jié)合的發(fā)展，透平機(jī)械的高效設(shè)計(jì)成為可能。在眾多的優(yōu)化技術(shù)中，使用代理模型的系統(tǒng)優(yōu)化策略被廣泛應(yīng)用在高性能透平機(jī)械的設(shè)計(jì)中[13]。

本文采用CFD 計(jì)算軟件中優(yōu)越的數(shù)值模擬軟件NUMECA，來分析并優(yōu)化離心壓縮機(jī)的重要一環(huán)——進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)的內(nèi)部三維、可壓縮、黏性流動(dòng)。分析中選用NUMECA 軟件中給定的Turbulent Navier-Stokes 方程組及Sparlart-Allmaras 湍流模型。同時(shí)，本文采用數(shù)值模擬方法中常常采用的中心差分格式及多重網(wǎng)格技術(shù)。本文中，網(wǎng)格劃分分為兩部分，分別采用可視化網(wǎng)格生成軟件IGG/AutoGrid 生成進(jìn)氣室網(wǎng)格和葉輪網(wǎng)格。之后，利用IGG中網(wǎng)格連接模塊實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣室網(wǎng)格和葉輪網(wǎng)格的連接[14]。

2.1 控制方程

在計(jì)算流體力學(xué)法(CFD)中，通常使用計(jì)算數(shù)學(xué)的方法，對(duì)流場(chǎng)的控制方程進(jìn)行離散，將復(fù)雜的流場(chǎng)離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或中心上求其數(shù)值解。計(jì)算流體力學(xué)法中，常常應(yīng)用的控制方程分別為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。常常將以上三組方程聯(lián)立組成方程組，稱為N-S 方程組。N-S 方程組（即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程）是流體流動(dòng)所遵守的普遍規(guī)律[15]。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格生成

采用Numeca軟件中的IGG模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用六面體網(wǎng)格。整個(gè)計(jì)算模型所用的網(wǎng)格總數(shù)為1 300 萬，所有近壁區(qū)域的網(wǎng)格都適當(dāng)加密，第一層網(wǎng)格尺度約為0.02mm。生成網(wǎng)格的質(zhì)量均滿足長(zhǎng)寬比、正交角和延展比條件。網(wǎng)格劃分質(zhì)量達(dá)到了NUMECA 軟件計(jì)算的要求，極大程度地保證了計(jì)算的準(zhǔn)確度和精度。具體的進(jìn)氣室和葉輪網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 進(jìn)氣室加第一級(jí)葉輪網(wǎng)格圖

2.3 邊界條件

徑向進(jìn)氣室主氣流進(jìn)氣方向給定，主氣流進(jìn)口給定邊界條件為總壓和總溫，混合氣出口給定質(zhì)量流量。轉(zhuǎn)動(dòng)壁面給定轉(zhuǎn)速，其他壁面轉(zhuǎn)速為0。進(jìn)口總壓為340 000Pa，總溫281.35K，出口質(zhì)量流量為19.81kg/s，葉輪轉(zhuǎn)速為11 184r/min。

表1 計(jì)算設(shè)置表

3 計(jì)算結(jié)果分析

所設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)要有較高的效率，在蝸殼內(nèi)主要有三種損失：內(nèi)泄漏損失、二次流損失和摩擦損失。內(nèi)泄漏損失是由結(jié)構(gòu)所決定的，在蝸殼和出風(fēng)筒所構(gòu)成的環(huán)形通道內(nèi)有循環(huán)流動(dòng)，在流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生損失。對(duì)于摩擦損失，目前表面粗糙度對(duì)摩擦損失的影響較小，這是因?yàn)楝F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的提高，使制造工藝有很大的提高，可使摩擦損失變得更小。如今，壓縮機(jī)各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)影響著它的效率，其中蝸殼和隔板的形狀更是對(duì)壓縮機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生著重要的影響[16]。

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣室連帶第一級(jí)葉輪的效率為86.6%，壓比為1.608 7。

圖3 為分離隔板兩側(cè)氣流分布。分離隔板起到了很好的氣流分離作用，但是由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)，必將對(duì)進(jìn)氣室中的氣流產(chǎn)生一定的反作用，導(dǎo)致進(jìn)氣室中氣流紊亂?？梢钥闯?，分離隔板左側(cè)產(chǎn)生氣體分離，形成低速區(qū)。

圖3 進(jìn)氣室隔板邊緣氣流分布圖

截取進(jìn)氣室出口面（第一級(jí)葉輪的進(jìn)口面），分析其總壓分布。發(fā)現(xiàn)總壓分布較為均勻，壓差為25 000Pa，給定的進(jìn)口總壓為340 000Pa，壓差百分比為7.35%。因?yàn)檫M(jìn)氣室進(jìn)氣作用是為下級(jí)葉輪做功、整機(jī)運(yùn)行打基礎(chǔ)，所以進(jìn)氣的均勻性將直接影響整機(jī)效率。由圖4可以看出，進(jìn)氣均勻性有相對(duì)較大的提升空間。

圖4 進(jìn)氣室出口面總壓分布圖

截取進(jìn)氣室進(jìn)口環(huán)面圖加以分析，圖5所示為進(jìn)口環(huán)面。

圖5 進(jìn)氣室進(jìn)口環(huán)面示意圖

選擇壓力分布為330 000～360 000Pa，由圖6可以看出，壓力分布很不均勻，而且左側(cè)存在很明顯的低壓區(qū)。

圖6 進(jìn)氣室進(jìn)口環(huán)面總壓分布圖

圖7所示為進(jìn)氣室頭部氣流分布圖，明顯發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了旋渦，而且氣流撞擊隔板，形成了回流現(xiàn)象。此種現(xiàn)象造成了氣流損失，導(dǎo)致效率降低。

圖7 進(jìn)氣室頭部氣流分布流速圖

經(jīng)分析，導(dǎo)致進(jìn)氣室出口面壓力分布不均勻的因素為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。葉輪高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，產(chǎn)生巨大的離心力，造成進(jìn)氣室出口面速度分布不均，進(jìn)而造成壓力分布不均勻。此種原因使得對(duì)稱的進(jìn)氣室模型產(chǎn)生不同的壓力分布，由上述壓力分布圖可以看出左側(cè)壓力損失較大，且分離隔板左側(cè)分離現(xiàn)象明顯。

同時(shí)，進(jìn)氣室頂端設(shè)計(jì)存在缺陷，沒有做到很好地“引流”作用，使得頂端存在大量旋渦，形成低壓區(qū)。低壓區(qū)的出現(xiàn)干擾了整個(gè)流場(chǎng)分布，導(dǎo)致進(jìn)氣室效率降低。

本文針對(duì)以上現(xiàn)象，提出修改方案如下文所示。

4 設(shè)計(jì)方案修改及計(jì)算分析

由于原蝸殼設(shè)計(jì)方案存在對(duì)第一級(jí)葉輪進(jìn)氣不均勻和進(jìn)氣室頭部有旋渦現(xiàn)象，經(jīng)分析和查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，與等截面設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。但由于相關(guān)文獻(xiàn)資料不足，嘗試修改為三種變截面。

如圖8所示，通過計(jì)算、分析發(fā)現(xiàn)，第一種設(shè)計(jì)方案對(duì)氣流引導(dǎo)，頭部改變角度過大，產(chǎn)生了很嚴(yán)重的旋渦。第二種設(shè)計(jì)方案稍有改善，但是頭部仍存在旋渦。故采用第三種設(shè)計(jì)方案。采用漸縮通道設(shè)計(jì)，因氣流邊在蝸殼中旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)入第一級(jí)葉輪，所以氣量必將減少。而漸縮通道形成加速效果，符合氣體流動(dòng)規(guī)律，使得氣體充溢在整個(gè)進(jìn)氣室中。而且進(jìn)氣室頭部圓弧形設(shè)計(jì)起到了對(duì)氣流的引導(dǎo)作用，滿足設(shè)計(jì)要求。通過Numeca軟件中的后處理模塊CF-view分析發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)進(jìn)氣室頭部旋渦基本消失，而且進(jìn)氣室出口與第一級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)靜子面之間壓力分布均勻，這將使得葉輪有更好的做功條件，為整機(jī)效率提供了很大的保證。

圖8 進(jìn)氣室三種變截面修改圖

經(jīng)過計(jì)算分析，第三種進(jìn)氣室形狀更貼近真實(shí)流動(dòng)情況，計(jì)算結(jié)果圖片不一一列舉。選用第三種模型計(jì)算結(jié)果與原始模型進(jìn)行對(duì)比。

改進(jìn)后隔板處仍有分離現(xiàn)象，但是與原隔板處氣流分布相比較為對(duì)稱，且分離面積較小。說明了進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，見圖9。

圖9 改進(jìn)后進(jìn)氣室隔板邊緣氣流分布圖

采用相同分布范圍作標(biāo)尺，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后進(jìn)氣室出口截面上的總壓分布比原模型更為均勻，為下級(jí)葉輪做功提供了很好的進(jìn)氣條件，見圖10。

圖10 改進(jìn)后進(jìn)氣室出口截面總壓分布圖

新模型進(jìn)口環(huán)面可以清晰地顯示出“心形”蝸殼進(jìn)氣方式的進(jìn)氣均勻性。與原模型相比，左側(cè)低壓分布消失，進(jìn)氣更為均勻，勢(shì)必將提高整機(jī)效率，見圖11。

圖11 改進(jìn)后進(jìn)氣室進(jìn)口環(huán)面總壓分布圖

截取蝸殼頭部剖截面圖可以看出，“心形”進(jìn)氣結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本解決頭部旋渦的現(xiàn)象，使得氣體流動(dòng)更為自然、順暢，見圖12。證明了進(jìn)氣室頭部設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)氣流的引導(dǎo)作用明顯加強(qiáng)。

圖12 改進(jìn)后進(jìn)氣室頭部氣流分布流速圖

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的“心形”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，效率和壓比明顯提高，優(yōu)化效果明顯（表2），符合設(shè)計(jì)要求。

表2 原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后效率、壓力對(duì)比表

5 結(jié)論

1）原有進(jìn)氣室形狀在進(jìn)氣隔板處一側(cè)分離現(xiàn)象較大是由于葉輪旋轉(zhuǎn)，反作用于進(jìn)氣室形成的。其根本原因在于進(jìn)氣室中的進(jìn)氣方式為氣體一邊通過蝸殼旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)入葉輪，原始進(jìn)氣室頭部并沒有因?yàn)闅饬髁繙p少而縮減通流面積，導(dǎo)致氣流紊亂。

2）比較分析得出，“心形”結(jié)構(gòu)更加符合進(jìn)氣室流動(dòng)。通過對(duì)比前后進(jìn)氣室出口面和進(jìn)口環(huán)面的總壓分布情況，可以看出，“心形”蝸殼進(jìn)氣結(jié)構(gòu)為下級(jí)葉輪提供了更好的進(jìn)氣和做功條件。

3）比較前后兩種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)頭部發(fā)現(xiàn)，“心形”進(jìn)氣結(jié)構(gòu)頭部旋渦基本消除，且無回流現(xiàn)象。由此得出結(jié)論，“心形”進(jìn)氣結(jié)構(gòu)更符合蝸殼進(jìn)氣方式，氣流損失小，均勻性良好。

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