王娟麗，王鑫，王松，趙先波，唐軍，錢禹龍

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

1 前言

儲(chǔ)能作為新能源與電力系統(tǒng)的紐帶，是實(shí)現(xiàn)新能源大規(guī)模利用的重要手段，將助力雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。離心式壓縮機(jī)相對(duì)于軸流式壓縮機(jī)，應(yīng)用于單級(jí)壓比較高，廣泛應(yīng)用于壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)。葉輪是離心壓縮機(jī)的唯一做功元件，葉輪的設(shè)計(jì)是離心式壓縮機(jī)研究的關(guān)鍵。西安交通大學(xué)研究了流量系數(shù)為0.2 的大流量系數(shù)的離心壓縮機(jī)[1]。葉輪載荷分布對(duì)葉輪的氣動(dòng)性能影響很大，文獻(xiàn)[2]對(duì)比研究了前加載、中部加載、后加載3 種葉型，結(jié)果顯示前加載葉型出口速度分布更均勻，流動(dòng)損失更小。文獻(xiàn)[3]顯示子午流道轉(zhuǎn)彎半徑越小，氣流在子午流道內(nèi)所受的轉(zhuǎn)彎離心力越大，對(duì)葉輪氣動(dòng)性能和葉輪出口氣流均勻程度的負(fù)面影響越明顯。

本文采用大型商業(yè)流體軟件——NUMECA，針對(duì)單級(jí)閉式葉輪，帶擴(kuò)壓器進(jìn)行優(yōu)化。葉輪為全三元葉輪，不僅沿流向扭轉(zhuǎn)，而且切向存在彎曲。優(yōu)化子午流道，葉片β分布，葉片彎曲規(guī)律，出口切向傾角，出口子午傾角變化對(duì)單級(jí)離心式空氣壓縮機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

2 邊界條件及計(jì)算公式

葉輪優(yōu)化中，使用NUMECA 軟件，湍流模型使用S-A 加強(qiáng)壁面函數(shù)模型，由于影響葉輪氣動(dòng)性能的因素較多，葉片只數(shù)、葉輪軸寬、分流葉片的位置、子午流道、葉片擴(kuò)張角（β 角）分布、出口傾角、葉片彎曲規(guī)律等，本次逐一進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 邊界條件

三維計(jì)算邊界條件見表1。

表1 計(jì)算邊界條件

2.2 計(jì)算公式

計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

3 葉輪優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 子午流道調(diào)整

由于Compal 直接導(dǎo)出來的三維計(jì)算強(qiáng)度不符合要求，需要將葉輪入口流道縮高度縮小子午流道變化結(jié)果見表2 和圖2。由表2 可見，不管是縮shroud 面，還是縮hub 面，效率和壓比都要降低。這是因?yàn)榭s小了前半段面積，前半段載荷降低，后半段載荷增加，流體在后半部分更容易脫流，損失增大。而前半段面積縮小后，導(dǎo)致喉部面積縮小，因此壓比降低。改變子午流道Shroud 線對(duì)氣動(dòng)性能的影響比Hub 線敏感。最終結(jié)合強(qiáng)度，選擇方案2。

圖2 子午流道變化

表2 子午流道變化結(jié)果

3.2 葉輪β 角沿流線分布優(yōu)化

針對(duì)3.1 節(jié)選擇的葉輪方案，優(yōu)化β 角分布，計(jì)算模型為葉輪加擴(kuò)壓器，葉片只數(shù)7 組，分流葉片位置為約30%，子午流道使用上述強(qiáng)度推薦。優(yōu)化參數(shù)為β，優(yōu)化目標(biāo)等熵效率，優(yōu)化約束條件壓比大于1.9。對(duì)比優(yōu)化前后的三維結(jié)果見表3。

表3 β角優(yōu)化結(jié)果

從表3 看出，優(yōu)化β 角分布后，第1 級(jí)效率、壓比均有顯著提高，優(yōu)化后葉輪效率提高，擴(kuò)壓器中靜壓恢復(fù)系數(shù)提高，總壓損失系數(shù)降低。

圖3 為優(yōu)化前后幾何對(duì)比。

圖3 優(yōu)化前后β 對(duì)比（虛線原始，實(shí)線優(yōu)化）

圖4 為子午面流線分布，可以看出優(yōu)化前后子午面均沒有流動(dòng)分離。圖5 為葉輪子午面壓力分布，優(yōu)化后葉輪出口壓力明顯提高。圖6 為葉輪子午面相對(duì)馬赫數(shù)分布，優(yōu)化后葉輪相對(duì)馬赫數(shù)降低，提高了葉輪效率。

圖4 子午流面流線分布

圖5 葉輪子午面壓力分布

圖6 葉輪子午面相對(duì)馬赫數(shù)分布

圖7 為葉輪及擴(kuò)壓器根、中、頂截面流線分布圖，可以看出，中部截面原始葉輪出口有少量脫流，優(yōu)化后脫流消失。頂部截面原始葉輪中后部有嚴(yán)重脫流，優(yōu)化后脫流消失，該流動(dòng)分離是引起葉輪效率降低的主要因素。圖8為葉片表面極限流線，可以看出原始葉輪吸力面、中后部的頂部有脫流，優(yōu)化后幾乎沒有流動(dòng)分離。

圖7 特征截面流線分布

圖8 葉片表面極限流線

圖9 為優(yōu)化前后載荷分布，原始方案95%截面吸力面載荷分布不光滑，并且載荷靠后，而優(yōu)化后載荷分布光滑，載荷分布向前偏。

圖9 葉片載荷分布

圖10 為葉輪出口流動(dòng)參數(shù)沿葉高分布，優(yōu)化后出口絕對(duì)氣流角分布，絕對(duì)馬赫數(shù)分布，出口子午速度分布更均勻，優(yōu)化后葉輪出口絕對(duì)馬赫數(shù)小于原始葉輪，改善了擴(kuò)壓器入口條件，降低了擴(kuò)壓器總壓損失。

圖10 葉輪出口參數(shù)沿葉高分布

3.3 出口傾角優(yōu)化

為了研究出口傾角變化對(duì)效率影響，本次將出口傾角轉(zhuǎn)10°、-10°進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)出口傾角正時(shí)，效率略提高，而壓比略降低，出口傾角為負(fù)值時(shí)正好相反，見表4。這是因?yàn)槌隹趦A角轉(zhuǎn)為正值時(shí)，流道通流面積略變小壓比變小，β 角變大，效率略提高，如圖11 所示。因此，若想提高效率可以略正向出口傾角增大，而在壓比略小的情況下，可適當(dāng)將出口傾角負(fù)向增大。

圖11 出口傾角改變幾何對(duì)比（虛線0°、實(shí)線10°）

3.4 彎扭規(guī)律優(yōu)化

針對(duì)3.2 節(jié)自動(dòng)優(yōu)化的葉輪，不改變?chǔ)?角，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果列于表5，point2 負(fù)向彎曲，效率較低，引起壓比降低，當(dāng)point2 正向彎曲，效率增加，如圖12 所示。從圖13、圖14 可以看到，負(fù)向彎曲后，吸力面尾部出現(xiàn)流動(dòng)分離，因此效率降低。

表5 彎曲變化結(jié)果

圖12 彎曲規(guī)律改變幾何對(duì)比

圖13 吸力面表面尾部極限流線圖

圖14 中截面流線圖

3.5 出口子午傾角優(yōu)化

對(duì)3.2 節(jié)自動(dòng)優(yōu)化的幾何，不改變?chǔ)陆?，?duì)葉輪出口子午面傾角進(jìn)行優(yōu)化。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表6。葉輪出口正向傾斜，效率、壓比均增加，負(fù)向傾斜則效率、壓比均降低，如圖15 所示。

表6 出口子午傾角變化結(jié)果

圖15 出口子午傾角對(duì)比

4 葉輪優(yōu)化結(jié)果分析

本文以單級(jí)葉輪、擴(kuò)壓器為研究對(duì)象，對(duì)葉輪進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。得到如下結(jié)論：

（1）子午流道中間縮小，壓比降低。改變子午流道Shroud 線對(duì)氣動(dòng)性能的影響比Hub 線敏感。

（2）β角分布對(duì)氣動(dòng)性能影響顯著，本文β角優(yōu)化后的三元葉輪級(jí)等熵效率提高約3%，總壓比提高約8%。

（3）三元直紋面葉片，負(fù)向出口切向傾角有助于壓比的提高，正向出口切向傾角有利于效率提高。但提高潛力有限。

（4）全三元葉片，葉片中部正向彎曲，可提高效率，壓比幾乎不變。負(fù)向彎曲效率和壓比顯著降低。

（5）出口正向子午傾角，效率、壓比均提高，而負(fù)向子午傾角相反。

綜上所述，在子午流道、β 角優(yōu)化的基礎(chǔ)上，如果想進(jìn)一步優(yōu)化效率，可以考慮將直紋面的三元葉輪設(shè)計(jì)為全三元葉輪，葉片中部正向彎曲，設(shè)計(jì)出口正向切向傾角和正向子午傾角均有助于提高效率。