饒 杰 于躍平 胡四兵 黃文俊 常 超 王 梟

(合肥通用機械研究院 合肥通用環(huán)境控制技術有限責任公司 壓縮機技術國家重點實驗室)

離心壓縮機壓比高、結(jié)構(gòu)緊湊，由于葉輪與擴壓器之間的徑向間距較小，其變化對壓縮機氣動性能具有非常大的影響，因此受到了越來越多的關注，國內(nèi)外一些學者也進行了相應的研究，包括對最佳徑向間距的探索和對內(nèi)部流動機理的研究。

文獻[1～3]研究了葉輪與擴壓器間距對離心壓縮機性能的影響，認為間距變化導致的擴壓器進口攻角變化是影響壓縮機性能的主要因素。文獻[4]研究了葉輪與擴壓器之間的非定常氣動干涉，研究結(jié)果表明，當葉輪與擴壓器間距較小時，擴壓器的勢干擾能減小葉輪的落后角和堵塞，但葉輪內(nèi)的損失卻有所增大。有研究表明當間距減小時，離心壓縮機性能將降低，這一結(jié)論與軸流壓縮機中葉排間距變化的影響恰好相反。文獻[5]針對葉片擴壓器進口安裝角進行了研究，認為它對離心壓縮機的性能有較大的影響。從上面的分析可以看出，間距變化對離心壓縮機性能的影響較大。

如何選取葉輪與擴壓器之間的間距，使離心壓縮機達到最佳的匹配，是離心壓縮機設計中需要解決的一個重要問題。而準確地反映間距變化的影響，并揭示其中的機理，需要考慮葉輪與擴壓器之間的氣動干涉，進行全三維非定常研究，其工作量非常大。文獻[1～3]的研究均表明，葉輪出口流動不均勻?qū)е碌姆嵌ǔＡ鲃訉﹄x心壓縮機性能的影響較小，而影響最為顯著的是間距變化導致的葉輪出口平均氣流角的變化。因此，作為一種工程上的簡化方法，筆者忽略了葉輪與擴壓器之間非定常干涉的影響，而在定常研究的基礎上研究了一離心壓縮機間距對性能的影響，以嘗試提出一種選取離心壓縮機最佳徑向相對間距的方法。

1 方案及建模

該壓縮機為單級離心式壓縮機(圖1)，由3部分組成：旋轉(zhuǎn)件工作葉輪、徑向擴壓器和軸向擴壓器。其中，工作葉輪采用主葉片+分流葉片的形式，葉片數(shù)為13片；徑向擴壓器葉片有17片，軸向擴壓器為55片葉片。圖2為壓縮機流道示意圖。

圖1 壓縮機模型示意圖

圖2 壓縮機流道示意圖

為減小間距變化導致的擴壓器進口攻角變化的影響，徑向相對間距在調(diào)整的同時，徑向擴壓器的進口安裝角也隨之調(diào)整，以保持徑向擴壓器的進口氣流角不變(圖3)。每次修改間距值后都重新建模、劃分網(wǎng)格并計算。

圖3 徑向擴壓器型線位置變化示意圖

采用CFD軟件的網(wǎng)格劃分模塊對壓縮機進行網(wǎng)格建模(圖4)，工作葉輪、徑向擴壓器和軸向擴壓器模型均采用H-I-H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉頂間隙采用蝶形網(wǎng)格，工作葉輪網(wǎng)格數(shù)為317 544，徑向擴壓器132 430，軸向擴壓器174 537，總節(jié)點數(shù)624 511。

數(shù)值模擬采用CFD軟件包的求解器進行三維定常流場計算。流動方程為Navier-Stocks方程，空間差分采用中心差分格式，湍流模型采用Spalart-Allmaras一方程模型。計算采用全多重網(wǎng)格方法，結(jié)合殘差光順方法，以獲得較快的收斂速度。

圖4 壓縮機網(wǎng)格模型

邊界條件設定中，進口采用壓力遠場邊界條件，壓力設定為標準大氣壓(101.325kPa)，氣流溫度為288K；氣流沿軸向進氣，工作葉輪取設計轉(zhuǎn)速nd= 48750r/min；出口給定靜葉葉根處的靜壓值，以徑向平衡方程確定展向靜壓分布，通過改變出口靜壓來調(diào)整壓縮機的工作狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

考慮到工作葉輪后的實際空間大小，并且出口也需要有一段摻混段，選取徑向相對間距δ/R取值分別為3%、4%、5%、6%(δ為工作葉輪與徑向擴壓器之間的間距，R為工作葉輪的半徑)進行模擬，圖5為不同δ/R下壓縮機特性線對比圖。對比δ/R分別為3%、4%、5%時的3條曲線，可以看出隨著δ/R逐漸增大，效率和壓比特性線均逐漸向右偏移；而當δ/R=6%時，與δ/R=5%時比較，效率和壓比特性線均向左偏移。相同流量條件下，當徑向相對間距δ/R=5%時，效率和壓力均明顯高于其他所計算的相對間距，由此可以得出，對于本臺壓縮機，間距變化對離心壓縮機性能有較大的影響；應存在一個最佳δ/R，該條件下的壓縮機特性線相對于其他δ/R值最靠右，壓縮機性能最優(yōu)。

為了便于對比不同間距的流動，取設計點附近相同反壓時的計算工況進行分析。圖6為不同間距下壓縮機轉(zhuǎn)、靜子葉中截面靜壓分布對比，其中，橫坐標為子午流線距離比值，葉片進口為0，葉片出口為1。

圖5 壓縮機特性線對比

圖6 葉中截面靜壓分布對比

圖6中顯示，靜壓升主要集中在工作葉輪和徑向擴壓器兩個部件內(nèi)完成。工作葉輪進口段主要起導流作用，同時也具有一定的增壓能力；后半段是分流葉片區(qū)域，屬于擴壓段，主要作用就是擴壓，靜壓在這一區(qū)間迅速上升，形成較大的逆壓梯度。通過靜壓分布對比，明顯可以發(fā)現(xiàn)δ/R的變化對靜壓升的變化影響很小，只有在工作葉輪內(nèi)，隨著δ/R的減小，靜壓升有所增加，而且δ/R越小，增加的幅度越顯著。

圖7顯示的是不同徑向相對間距下壓縮機轉(zhuǎn)、靜子進、出口截面總壓變化，其中，橫坐標代表壓縮機轉(zhuǎn)、靜子進出口截面：1為工作葉輪出口截面，2為徑向擴壓器進口截面，3為徑向擴壓器出口截面，4為軸向擴壓器進口截面，5為軸向擴壓器出口截面?？v坐標pi*/p1*為總壓比，其中pi*為i截面的總壓，i=1，2，3，4，5。

圖7 壓縮機轉(zhuǎn)、靜子進、出口截面總壓變化

總體上，當δ/R較小時，總壓分布對δ/R的變化較為敏感，增加至一定值時，總壓分布的變化就越來越不明顯，δ/R=5%和δ/R=6%兩者的總壓變化曲線幾乎重合。這說明，徑向相對間距越小，間距變化對壓縮機的影響就越顯著；徑向相對間距越大，則影響就越弱。

從截面1至截面2，由于尾跡摻混損失小，δ/R=3%的總壓損失最小，隨著徑向相對間距的增加，總壓損失也隨之增加。截面2～3之間，徑向相對間距越小，總壓損失則越大；截面3～4和截面4～5，總壓變化較小。由此可以得出，不同間距下，總壓損失的變化集中在工作葉輪出口到徑向擴壓器出口之間。其中，徑向擴壓器對間距的變化尤為敏感。

截面1到截面2之間，徑向相對間距小，距離短，摻混損失也較小，因此δ/R=3%時的總壓損失最??；到δ/R=5%時，截面摻混基本均勻，徑向相對間距再增大，摻混損失也只是略微有增加，對下游流場的影響十分有限，因此δ/R≥5%以后，徑向相對間距變化帶來的影響是越來越小。截面2到截面3之間，δ/R=3%時，由于徑向相對間距較小，氣流到達徑向擴壓器進口時摻混不夠，使得徑向擴壓器進口的速度分布相對不夠均勻，氣流在徑向擴壓器內(nèi)的分離損失相比較就更大一些，因此總壓損失也最大。

圖8中更加清楚地顯示了氣流在通過徑向擴壓器和軸向擴壓器后的總壓損失情況。顯然δ/R=3%時的損失系數(shù)最大，而δ/R=5%和δ/R=6%時壓縮機各截面的損失系數(shù)基本相同。

圖8 損失系數(shù)變化

綜上所述，間距增大時，葉輪和擴壓器間距內(nèi)的損失增加，但同時葉輪出口氣流與擴壓器之間向最佳匹配點靠近，導致擴壓器內(nèi)損失減小，因此，存在一個最佳相對間距，使得壓縮機的性能最優(yōu)。對于筆者研究的壓縮機，徑向相對間距δ/R=5%時性能為最優(yōu)，總壓損失也最小，相對而言是較為合理的取值。

3 結(jié)論

3.1徑向相對間距對離心壓縮機性能有較大的影響，且徑向相對間距越小，間距變化對壓縮機性能的影響就越顯著。

3.2當徑向相對間距增大時，間距內(nèi)的損失增加，但由于葉輪與擴壓器的間距向最佳匹配點靠近，導致擴壓器內(nèi)的損失減小，因此，存在一個最佳間距。

3.3通過定常的分析，也能初步確定離心壓縮機的最佳徑向相對間距，對于筆者所分析的壓縮機，其最佳徑向相對間距為5%。

3.4文中的工作是在定常條件下進行的，更為準確地選取最佳的徑向相對間距，需要進一步考慮葉輪與擴壓器之間的非定常干涉。

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