鄭夢子，劉所利，徐燕驥

(1.中國科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

國際能源署最新發(fā)布的《世界能源展望2017》[1]預(yù)計，到2040年，中國的天然氣需求將增至6 000億m3以上，天然氣在中國能源結(jié)構(gòu)中的占比將從2016年的不足6%上升至12%，但屆時中國的天然氣產(chǎn)量僅為3 400億m3，供需偏緊的局面沒有根本改變。先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)采用回?zé)嵫h(huán)大大提高了微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，對提升能源利用效率、環(huán)境保護(hù)、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面起著重大作用[2]。

離心壓氣機(jī)是微型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，設(shè)計高轉(zhuǎn)速、高壓比離心壓氣機(jī)在微型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計體系中起到重要作用。為了提高離心壓氣機(jī)性能，國內(nèi)外學(xué)者在擴(kuò)壓器葉片稠度對離心壓氣機(jī)性能影響方面進(jìn)行了研究。Senoo[3-4]的研究表明，低稠度擴(kuò)壓器的壓力恢復(fù)能力很強，并且不會影響穩(wěn)定工況范圍。Hayami[5]等提出，在亞音速狀態(tài)下，稠度為0.7的擴(kuò)壓器具有較高的擴(kuò)壓程度，通道摩擦損失小，在不影響穩(wěn)定工況范圍的前提下可得到比無葉擴(kuò)壓器更好的性能。Engeda[6]在工業(yè)壓縮機(jī)上使用了低稠度擴(kuò)壓器，相比于無葉擴(kuò)壓器，壓氣機(jī)的壓比和效率等性能參數(shù)改善明顯，堵塞流量略微減小，設(shè)備尺寸也有所減小。

本文以某高轉(zhuǎn)速、高壓比離心壓氣機(jī)為研究對象，采用數(shù)值模擬方法深入研究楔形擴(kuò)壓器不同葉片稠度對離心壓氣機(jī)性能的影響，詳細(xì)分析設(shè)計工況下不同稠度的擴(kuò)壓器內(nèi)部流動情況，這對進(jìn)一步提高離心壓氣機(jī)性能有著重要意義。

1 計算模型和數(shù)值模擬方法

1.1 計算模型

擴(kuò)壓器葉片稠度定義為

式中b——擴(kuò)壓器葉片弦長；t——柵距；r——葉片進(jìn)口半徑；n——葉片數(shù)。

本文所研究的離心壓氣機(jī)如圖1所示，由帶大小葉片的離心葉輪和楔形擴(kuò)壓器構(gòu)成。為了探索擴(kuò)壓器葉片稠度對離心壓氣機(jī)級性能和內(nèi)部復(fù)雜流動的影響，在離心壓氣機(jī)其他幾何尺寸不變的前提下，分別對葉片數(shù)為17、16、15、14和13的五種擴(kuò)壓器進(jìn)行研究，擴(kuò)壓器葉片通道的擴(kuò)張角隨著葉片數(shù)的減少而增大，而葉片稠度逐漸減小，對應(yīng)的擴(kuò)張角大小分別為12.81°、14.13°、15.63°、17.35°和19.32°，對應(yīng)的稠度分別為3.91、3.68、3.45、3.22和2.99。

圖1 離心壓氣機(jī)模型

1.2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬采用商業(yè)計算流體力學(xué)軟件NUMECA，控制方程為三維雷諾時均的Navier-Stokes方程，湍流模型選用Spalart-Allmaras一方程模型，運用顯式Runge-Kutta法在時間方向上推進(jìn)求解，采用中間節(jié)點的有限體積法離散控制方程，并結(jié)合殘差光順和多重網(wǎng)格技術(shù)提高計算效率和穩(wěn)定性。

計算中將離心壓氣機(jī)劃分為四個計算域：進(jìn)口、離心葉輪、擴(kuò)壓器和出口，均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格生成時將進(jìn)口和離心葉輪看作動葉排，擴(kuò)壓器和出口看作靜葉排，利用混合平面法將動、靜葉排聯(lián)合在一起生成網(wǎng)格，這就避免了當(dāng)動、靜葉排分別計算時無法準(zhǔn)確給定邊界條件的缺陷。圖2展示了離心壓氣機(jī)網(wǎng)格分布，網(wǎng)格總數(shù)為120萬。

圖2 離心壓氣機(jī)網(wǎng)格分布

邊界條件：進(jìn)口給定總壓101 325 Pa、總溫288.15 K、軸向進(jìn)氣，通過調(diào)節(jié)出口背壓獲得特性曲線，固壁設(shè)為絕熱、無滑移壁面，轉(zhuǎn)動壁面給定額定轉(zhuǎn)速。

2 計算結(jié)果與流場分析

圖3給出了擴(kuò)壓器不同稠度時離心壓氣機(jī)特性曲線對比。由圖3可以看出，隨著葉片數(shù)減少，擴(kuò)壓器喉部面積逐漸增大，壓氣機(jī)堵塞流量隨之增大，13個葉片的擴(kuò)壓器穩(wěn)定工況范圍最大，隨著葉片數(shù)的增加穩(wěn)定工況范圍依次減小，因此葉片擴(kuò)壓器喉部面積會對離心壓氣機(jī)的堵塞流量和穩(wěn)定工況范圍造成影響。從圖3可以看出，在大流量工況下，隨著擴(kuò)壓器葉片稠度增加，離心壓氣機(jī)的等熵效率和總壓比逐漸增大，然而在小流量工況下，等熵效率和總壓比卻是減小的。隨著擴(kuò)壓器葉片稠度增加，最高效率點的流量往大流量方向移動，葉片數(shù)為13時，最高效率點流量達(dá)到0.89 kg/s，與葉片數(shù)為17時相比增加了0.065 kg/s。由分析結(jié)果表明，改變擴(kuò)壓器葉片稠度可調(diào)節(jié)離心壓氣機(jī)的流量范圍，對級性能有著重要影響。

圖3 不同葉片數(shù)特性曲線

為詳細(xì)分析數(shù)值模擬結(jié)果，以下選取離心壓氣機(jī)額定工況下(小流量工況)擴(kuò)壓器葉片數(shù)為17、15和 13的這三種情況進(jìn)行流場對比分析。

通常情況下，壓氣機(jī)葉輪出口的高速氣流動能約占賦予工質(zhì)能量的20%～50%，因此需利用擴(kuò)壓器將工質(zhì)的流動速度減小，將高速氣流的動能最大程度地轉(zhuǎn)化為靜壓。圖4給出了不同擴(kuò)壓器葉片數(shù)子午流道靜壓分布云圖，可以看出，改變擴(kuò)壓器葉片數(shù)對壓氣機(jī)葉輪內(nèi)靜壓分布沒有太大影響，然而隨著擴(kuò)壓器葉片數(shù)減少，通道擴(kuò)張角增大，擴(kuò)壓器對氣流減速增壓的作用顯著降低，到葉片數(shù)為13時，擴(kuò)壓器通道內(nèi)靜壓已明顯下降。

圖4 子午流道靜壓分布

圖5為不同葉片數(shù)擴(kuò)壓器50%葉高馬赫數(shù)分布云圖，圖6給出了50%葉高葉片沿氣流方向的載荷分布。由圖5可以看出，氣流在葉片前緣吸力面附近加速，形成局部超音區(qū)域，隨著葉片數(shù)的減少，擴(kuò)壓器半無葉區(qū)增大，導(dǎo)致擴(kuò)壓器葉片前緣吸力面附近馬赫數(shù)上升。另一方面，在擴(kuò)壓器出口區(qū)域附近，隨著擴(kuò)壓器葉片數(shù)減少，流動分離區(qū)有增大的趨勢，這是由于葉片數(shù)的減少增大了擴(kuò)壓器通道的擴(kuò)張角，不利于氣流組織，加大了流動損失，導(dǎo)致擴(kuò)壓器氣動性能下降。結(jié)合圖6可以看出，壓氣機(jī)葉輪出口的高速氣流直接撞擊擴(kuò)壓器葉片前緣，導(dǎo)致氣流滯止，馬赫數(shù)減小，氣體靜壓瞬間上升而速度降低，造成一定的滯止損失，氣流流出滯止區(qū)后在葉片前緣壓力面附近形成了小范圍的超音區(qū)，超音區(qū)隨葉片數(shù)減少而增大，這些原因?qū)е铝巳~片前緣壓力面附近靜壓劇烈波動，波動現(xiàn)象隨著葉片數(shù)減少愈發(fā)強烈。前緣吸力面附近超音區(qū)較大，使靜壓在該位置形成明顯的“V”型波動。氣流穩(wěn)定后，隨著葉片數(shù)減少，葉片壓力面和吸力面上的靜壓均逐漸減小，擴(kuò)壓器增壓能力減弱，這在圖4中也有體現(xiàn)，同時葉片壓力面和吸力面間的壓差逐漸增大，使葉片載荷上升，有利于通道內(nèi)橫向二次流的形成，加劇流動損失。

圖5 不同葉片數(shù)擴(kuò)壓器馬赫數(shù)分布

圖6 擴(kuò)壓器不同葉片數(shù)時葉片的載荷分布

圖7給出了不同葉片數(shù)擴(kuò)壓器不同截面的熵分布，可以看到擴(kuò)壓器葉片壓力面和吸力面附近存在流動不均勻現(xiàn)象。在進(jìn)口截面附近，高損失區(qū)域主要集中在壓力面和機(jī)匣形成的夾角區(qū)域，吸力面靠近機(jī)匣附近和壓力面靠近葉根附近均存在小范圍的高損失區(qū)域。沿氣流方向，壓力面存在從機(jī)匣到葉根的二次流動，吸力面則存在從葉根到機(jī)匣的流動，只是吸力面上的二次流動較弱。這在圖7中的表現(xiàn)就是，中間截面附近壓力面上的二次流將靠近機(jī)匣的高損失氣體帶到整個壓力面，并占據(jù)通道絕大部分面積，而吸力面上靠近葉根的低損失氣體也向機(jī)匣方向發(fā)展，在出口截面附近，隨著二次流的發(fā)展，通道內(nèi)高損失區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。從圖7中可以看出，隨著葉片數(shù)減少，高損失區(qū)域在通道內(nèi)的占比逐漸增大。

圖8給出了不同葉片數(shù)擴(kuò)壓器不同截面的馬赫數(shù)分布，可以明顯看出擴(kuò)壓器具有減速增壓特性。在進(jìn)口截面附近，氣流流經(jīng)吸力面加速，形成局部超音區(qū)，從吸力面到壓力面馬赫數(shù)逐漸減小，由于附面層的影響，壓力面靠近葉根附近流動損失較大，形成小范圍的低速區(qū)，這在熵分布云圖中也有體現(xiàn)。從圖8中可以看出，葉片數(shù)的減少增大了通道內(nèi)的流動損失，導(dǎo)致低速區(qū)在通道內(nèi)的占比逐漸增大。

圖7 不同葉片數(shù)擴(kuò)壓器熵分布

圖8 不同葉片數(shù)擴(kuò)壓器馬赫數(shù)分布

3 結(jié)語

(1)減小擴(kuò)壓器葉片稠度，離心壓氣機(jī)堵塞流量和穩(wěn)定工況范圍都將增加。在大流量工況下，低稠度擴(kuò)壓器具有更好的性能，而小流量工況時，高稠度擴(kuò)壓器將得到更高的壓比和效率。在設(shè)計擴(kuò)壓器時，可根據(jù)離心壓氣機(jī)額定流量來選擇最佳的擴(kuò)壓器葉片稠度。

(2)在小流量工況下，改變擴(kuò)壓器葉片稠度對壓氣機(jī)葉輪通道內(nèi)靜壓分布沒有太大的影響，而擴(kuò)壓器對氣流減速增壓的作用隨葉片稠度減小明顯下降。

(3)在小流量工況下，減小擴(kuò)壓器葉片稠度不利于氣流組織，使葉片前緣靜壓分布波動愈發(fā)強烈。氣流穩(wěn)定后，隨著稠度減小，葉片壓力面和吸力面間的壓差逐漸增大，使葉片載荷上升，有利于通道內(nèi)橫向二次流的形成，加劇流動損失。

(4)擴(kuò)壓器通道內(nèi)高損失區(qū)域沿著氣流方向逐漸增大，進(jìn)口附近高損失區(qū)域主要集中在壓力面和機(jī)匣形成的夾角區(qū)域，在二次流的影響下逐漸發(fā)展到整個壓力面，并占據(jù)通道絕大部分面積。在小流量工況下，隨著擴(kuò)壓器葉片稠度減小，高損失區(qū)域在通道內(nèi)的占比逐漸增大。

參考文獻(xiàn)：

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