孫傳恒，潘寶財(cái)，劉明碩，肖　翠

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穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)均勻性影響

孫傳恒1，潘寶財(cái)2，劉明碩3，肖翠4

（1.哈爾濱軸承集團(tuán)公司信息化辦公室，哈爾濱150036；2.北京汽車研究總院有限公司，北京101300；3.中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程公司吉林機(jī)械制造分公司，吉林吉林132021；4中國(guó)石油集團(tuán)吉林石化公司研究院，吉林吉林132021）

根據(jù)前輸出軸燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)壓室的設(shè)計(jì)要求，建立了4個(gè)具有典型環(huán)腔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓室模型，應(yīng)用塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及數(shù)值模擬的方法，從進(jìn)氣流場(chǎng)均勻性和進(jìn)氣阻力兩個(gè)方面對(duì)不同模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到了最佳的進(jìn)氣穩(wěn)壓室的環(huán)腔結(jié)構(gòu)形式。研究結(jié)果可為實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考。

燃?xì)廨啓C(jī)；均勻性；環(huán)腔結(jié)構(gòu)；穩(wěn)壓室

本文根據(jù)前輸出軸燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣穩(wěn)壓室的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出四種不同的進(jìn)氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)。以數(shù)值模擬的方法，考察穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)的不同對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)均勻性的影響，最終選出一種最佳的進(jìn)氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)。

1　數(shù)值模擬方法

1.1計(jì)算域模型

根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)計(jì)出了四種進(jìn)氣穩(wěn)壓室方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并給出四種模型的幾何模型。四種模型的穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)與豎井都呈90°布置不變化，只改變穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣通流形式。

圖1　不同模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of different models

其中模型一進(jìn)氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)氣橫截面為圓形，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型二到四的設(shè)計(jì)思想是仍然保持豎井與穩(wěn)壓室呈垂直角度不變，只改變環(huán)腔結(jié)構(gòu)的形狀。模型二為進(jìn)氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)橫截面為漸縮圓形。模型三為進(jìn)氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)橫截面為漸縮方形。模型四為進(jìn)氣穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)橫截面為漸擴(kuò)圓形。

1.2網(wǎng)格劃分

為了加快計(jì)算速度，四個(gè)模型進(jìn)氣道流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。選取模型一的進(jìn)氣道網(wǎng)格及其穩(wěn)壓室局部網(wǎng)格為代表本文采取的網(wǎng)格方案，如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Mesh generation schematic diagram

1.3邊界條件

進(jìn)口：質(zhì)量進(jìn)口以便控制流量，工作環(huán)境壓力101 325Pa，進(jìn)氣溫度300K，法向氣流方向；出口：壓力出口，工作環(huán)境壓力101 325Pa，出口壓力設(shè)為默認(rèn)；固壁：絕熱，無(wú)滑移。

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

按照前述條件對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行了全流場(chǎng)三維數(shù)值仿真，計(jì)算過(guò)程中四個(gè)模型均計(jì)算了25、27、29、30、31、33、35kg/s等七個(gè)工況點(diǎn)。圖3為各模型在流量30kg/s工況下的流線分布。

圖3　各模型的流場(chǎng)速度沿流線分布Fig.3　Four models'flow field distribution along streamline

從圖中可以看到氣流基本平行地流入豎井進(jìn)氣道。在進(jìn)氣穩(wěn)壓室的上半部，氣流順暢地流入壓氣機(jī)進(jìn)口。在進(jìn)氣穩(wěn)壓室的下半部，氣流先由底部向上翻轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)口。在進(jìn)氣道的出口截面，靠近環(huán)形喇叭口的部分內(nèi)壁處有旋渦產(chǎn)生。

由圖可知，進(jìn)氣道內(nèi)氣流速度差別很大。氣流在豎井內(nèi)與在穩(wěn)壓室上半部分速度較小，而在進(jìn)入壓氣機(jī)段后速度變得很大。還可以看到，氣流速度發(fā)生劇烈變化發(fā)生在壓氣機(jī)導(dǎo)流罩部分。根據(jù)連續(xù)方程為常數(shù)，由于壓氣機(jī)段截面積相對(duì)于進(jìn)氣穩(wěn)壓室截面積要小得多，而對(duì)應(yīng)的密度變化不是很大，當(dāng)面積突然減小時(shí)，伴隨的必然是速度突然增大。其中具有圓截面的模型一的流場(chǎng)均勻度最好。

表1　30kg/s流量下各個(gè)模型總壓損失Tab.1 Total pressure loss of each model under the flow in 30kg/s

表1給出了流量為30kg/s時(shí)各個(gè)模型進(jìn)氣道內(nèi)總壓損失和豎井進(jìn)口到壓氣機(jī)進(jìn)口總壓損失值。

3　結(jié)論

本文在數(shù)值模擬的內(nèi)容上，對(duì)網(wǎng)格生成方面做了優(yōu)化處理。對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的進(jìn)氣道做了分塊化處理，所有模型均采用了塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。設(shè)計(jì)的四個(gè)進(jìn)氣方案中，方案一是最佳的進(jìn)氣方案。也就是說(shuō)，穩(wěn)壓室環(huán)腔結(jié)構(gòu)采用橫截面積為圓形的通流形式時(shí)，進(jìn)氣效果最好。最佳進(jìn)氣方案進(jìn)氣道內(nèi)的總壓損失最小，其壓氣機(jī)進(jìn)口截面面平均不均勻度和最大局部不均勻度也都是最小的。

［1］劉光宇.船舶燃?xì)廨啓C(jī)裝置原理與設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1992：1-7.

［2］ 王鐘銘.艦船燃?xì)廨啓C(jī)裝置［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981：180-181.

［3］石寶龍，孫海鷗，劉順隆，等.大渦模擬在船用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)中的應(yīng)用［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2004，（46）：4.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：1-16，24-43，113-123，114-167.

Effect of plenum ring cavity structure on inlet flow field uniformity of compressor

SUNChuan-heng1，PANBao-cai2，LIUMing-shuo3，XIAOCui4

（1.Harbin Bearing Group Company Information Office，Harbin 150036，China；2.Beijing Automotive Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 101300，China；3.CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Corporation，Jilin Machinery Manufacturing Branch，Jilin 132021，China；4.CNPCJilin Institute of Petrochemical Company，Jilin 132021，China）

Based on the design requirements of gas turbine plenum of output shaft，four plenum models with typical ring cavity structure were built，structured grid and numerical simulation method were applied to calculate on different models from inlet flow field and intake resistance，and then obtained the best ring cavity form of inlet plenum.The results can provide a reference for the actual design.

Gas turbine；Uniformity；Ringcavitystructure；Plenum

TH452

A

1674-8646（2016）15-0008-02

2016-06-30

孫傳恒（1981-），男，黑龍江伊春人，學(xué)士，從事機(jī)械自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)相關(guān)應(yīng)用研究。