多级离心压缩机级间静止部件气动性能的数值研究.pdf

第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup. 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct. 2005 556 多级离心压缩机级间静止部件气动性能的 数值研究 王企鲲 戴 韧 陈康民 （上海理工大学 动力工程学院 上海 2 0 0 0 9 3 ） 摘 要采用先进的 C F D技术，对一多级离心压缩机整级流场进行了数值模拟，着重研究了无叶扩 压器、弯道等静止部件内的气动特性及其对整个机组性能的影响。研究结果表明，多级离心压缩机 的性能不仅决定于各级动叶本身的气动性能，而且受级间静止部件的气动性能影响较大。各静止部 件内气动性能与能量损失各具特点级间与级后无叶扩压器内的能量损失均很大，并以摩擦损失为 主。但级间扩压器中由于其下游弯道对流体的扰动作用，形成了边界层分离，其内的损失是摩擦与 分离共同作用的结果；不同位置的弯道对流动不均匀性的影响程度是不同的连接级间无叶扩压器 与回流器的弯道由于其内的流速较低，气流流经弯道后在“自掺混”的作用下，流动显得比较均匀。 但连接回流器与次级动叶间的弯道内，随着流速的增加，经弯道后流动表现出强烈的不均匀性，改 变了后级动叶的进气条件，从而影响其工作性能。因此，多级离心压缩机静止部件的设计应充分考 虑其各自的气动特点及其间的匹配关系； 对级间动叶轮的设计， 应充分考虑其进口来流的不均匀性。 关键词工程热物理；气动特性；数值模拟；多级离心压缩机；无叶扩压器；弯道 N u m e r i c a l I n v e s t i g a t i o n f o r A e r o d y n a m i c P e r f o r m a n c e o f t h e S t a t i o n a r y C o m p o n e n t s i n s i d e a M u l t i s t a g e C e n t r i f u g a l C o m p r e s s o r Wang Qikun Dai ren Chen kangmin University of Shanghai for Science and Technology, College of Power Engineering, Shanghai, 200093 A b s t r a c t The flow field inside the whole stages of a multistage centrifugal compressor is numerically investigated by commercially available CFD software. The emphasis of this paper is attached on the aerodynamic perance of the stationary components such as vaneless diffusers and crossovers and their influence on the total aerodynamic perance of the whole machine. Results indicate, the aerodynamic perance of the whole machine is not just determined by the rotating impellers but the stationary components may have an intensive influence on the whole machine’ s perance. There are different characteristics for the aerodynamic perance and energy loss in different stationary components. Large amount of energy loss occurs in both vaneless diffusers, which is mainly caused by viscous friction. But inside the vaneless diffuser between stages, flow separation occurs resulted from the disturbance of the crossover. So separation loss is another main part of the loss source, resulting in much more energy loss there. The crossovers at different positions maybe have different effects on the flow distortion. The centrifugal force is small inside the crossover between the vaneless diffuser and deswirl cascade because of the low velocity, which results in a uni flow at the exit of crossover. But the flow is intensively distorted at the exit of the crossover between the deswirl cascade and the next impeller because of the high flow velocity. The distorted flow deteriorates the inlet flow for the next impeller, resulting in the decrease of the impeller’ s perance. In summary, the aerodynamic perance and the match among different stationary components should be fully taken into account for the design of multistage centrifugal compressor. The distortion of the upstream flow should be also taken into consideration for the design of impellers between stages. K e y w o r d s engineering thermophysics; aerodynamic perance; numerical simulation; multistage centrifugal compressor; vaneless diffuser; crossover 基金项目上海理工大学青年基金03XQN009 作者介绍王企鲲（1978- ） ，男，汉族，浙江嘉兴人，讲师，在职博士研究生，主要从事叶轮机械气动设计与优化、流体力学 CFD 技术等研究 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup. 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct. 2005 557 多级离心压缩机的整机性能不仅取决于各级动 叶本身的气动性能，而且与级间的连接部件如扩压 器、弯道、回流器等气动性能密切相关。就多级压 缩机各级动叶本身而言，很大程度上可以借鉴有关 单级压缩机动叶已有的研究成果[14]。但与单级离心 压缩机最大的差别在于，多级离心式压缩机级间存 在特有的导向装置弯道与回流器等。它们的作用 是将上级动叶出口沿径向的气流转变成沿轴向且流 动均匀的气流，以使之进入下一级动叶。但弯道与 回流器内的流动相当复杂，存在着强烈的能量损失， 并且随着级数的增加，弯道与回流器的个数亦增加， 其内的能量损失会对整个机组的性能产生很大的影 响。长期以来众多学者对单级离心式压缩机气动性 能进行了较为详细地研究，但对多级离心式压缩机 而言，特别是对于级间弯道与回流器的气动特性的 研究报告相对少见。 本文尝试运用新近发展的 CFD 数值计算方法， 对某型二级离心式压缩机整级流场进行了数值模 拟，着重研究级间无叶扩压器与弯道等静止部件内 的气动特性及其对整个机组性能的影响，以期揭示 其内的流动特性，为多级离心压缩机的设计提供一 些有益的参考。 1 物理模型 计算采用的是某型二级离心压缩机，其子午通 道如图 1 所示。其主要由下列部件组成第一级导 叶（12 个叶片） 、第一级动叶（11 个主叶片并带 11 个分流叶片） 、级间无叶扩压器、弯道与回流器（14 个回流叶片） 、第二级动叶（1 1 个主叶片并带 1 1 个 分流叶片） 、级后无叶扩压器。 该机组的设计流量为 10kg/s，设计转数为 12583rpm，工质为氧气。设计压比约 3.3。 2 数值计算方法 流场是用商用 CFD 软件 Fine/Turbo 计算得到的, 采用有限体积中心格式，时间推进解法，其中包含 二阶和四阶人工粘性项， 四阶 Runge- Kutta （1/4、 1/3、 1/2、 1） 显式时间推进。 湍流模型选用 Spalart- Allmaras 模型。 叶轮采用 H 型网格， 前缘和尾缘作为钝体处理。 主流道块的网格沿跨叶面、叶高和流向的分布为 41 65153，整个计算域网格总数近 300 万，采用高 性能并行机计算。在叶片近壁面，叶栅端壁、头尾 缘等流动复杂区域，对网格进行了局部加密以提高 这些区域内解的分辨率，达到了网格法向无量纲尺 寸 y2。 对于亚音速的进口边界，进口给定总温、总压， 以及来流方向；出口给定背压，并调整背压，以满 足一定的流量。叶片表面与内、外端壁采用无滑移 边界条件。在动静结合面上采用混合平面的条件， 并在叶栅前后延伸段的交接面采用周期性边界条 件。 3 计算结果与分析 3 . 1 整机性能与级性能 定 义 等 熵 效 率 ηis与 总 压 比 πt 100 1 1 1 − −         − − − − − int outt k k int outt is T T P P η ； int outt t P P − − π 其中Pt 表示总压、Tt 表示总温；下标 in 表示 进口、out 表示出口。表 1 给出了整机与各个动叶的 等熵效率与总压比的分配 in 截面 位置 out 截 面位置 等熵效率 ηis 总压比 πt 第一级 动叶 1- 3 1- 4 86.13 2.103 第二级 动叶 2- 3 2- 4 90.37 1.861 整 机 1- 1 2- 5 73.02 3.24 表 1. 机组等熵效率与总压比分配 Table1. Distribution of ηis and πt 1- 1 1- 2 1- 3 1- 4 2- 1 2- 3 2- 4 2- 5 1- 5 2- 2 图 1 . 整机子午面示意 I II III IV VI VII 1- 4- 1 2- 4- 1 2- 4- 2 Fig1. Figure of medional plane for the whole machine V w w w . b z f x w . c o m 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup. 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct. 2005 558 如表 1 所述， 机组中两个带分流叶片的动叶本身 效率并不低，但整机的总体性能却不高，等熵效率 在数值上比单个动叶下降了十几个百分点。这表明 除动叶以外的机组静止部件对整机性能的影响甚 大。 静止部件内的流动损失大小可以用总压损失来 表示。图 2 为各个静止部件的总压损失的百分比图。 其中横坐标 F 表示各静止部件所在的区域（如图 2 所示） ，纵坐标ξ表示各静止部件总压损失的百分 数，其定义为 100 ∆ ∆ ∑ t t P P ξ 其中△Pt表示一静止部件进出口总压降。 图 2 表明，总压损失主要集中在通道 III 与通道 VII，即两个动叶之后的无叶扩压器内，它们中的损 失之和占静止部件总损失的 80以上。同时级间弯 道（IV）回流器V内的损失也不低。高温高压的多 级压缩机内，引起损失的因素很多，机理甚为复杂。 尽管图 2 显示出机组内主要损失所在部位，但不能 揭示其损失机理。以下就机组级间的弯道与大尺寸 无叶扩压器内部流场结构进行重点分析，旨在探求 其流动损失的原因。 3 . 2 无叶扩压器内气动特性分析 本文所研究的二级离心压缩机带有两个无叶扩 压器。一个位于级间，连接着动叶与弯道（如图 1 中第 III 部分，本文称其为“级间无叶扩压器” ） ；另 一个位于级后，连接着动叶与蜗壳（如图 1 中第 VII 部分，本文称其为“级后无叶扩压器” ） 。 图 3、图 4 分别为两个无叶扩压器内子午面上， 沿不同截面（截面位置如图 1 中所示）上径向速度 Vr 沿叶高方向分布。 从动叶中射出的气流，其径向速度沿扩压器宽 度方向是不均匀的，从轮盘一侧向轮盖逐渐降低， 这是由于离心叶轮内部流体从轴向转为径向流动的 过程中，在惯性力与对流的双重作用下，气流流向 叶轮盘侧，使得叶轮出口速度场形成盘侧高于盖侧 的特点。这种动叶出口不均匀的速度分布，直接引 起无叶扩压器内流动的不均匀性。但随着气流沿扩 压器减速增压，流体微团间不断地发生动量、能量 掺混，使这种径向流动的不均匀性有一定减弱，图 3 与图 4 都清楚地表明了这一点。 但不同的是，级间无叶扩压器内流速的不均匀 性显然要高于级后无叶扩压器。并且级间无叶扩压 器中，靠近轮盖处明显出现回流。图 3 表明，这种 回流区主要集中在截面 1- 4- 1 与截面 1- 5 上，即越靠 近弯道，回流区强度有所增加。为了更清楚地理解 这个回流区的成因，图 5 给出了级间与级后无叶扩 压器内子午流道的速度矢量。该图表明，级后扩压 器中子午速度分布均匀，但在级间扩压器内，当气 流流向弯道，随着流线的弯曲逐步在盖侧边界层开 始分离，产生回流区。事实上无叶扩压器内存在较 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 4 0 . 0 0 5 0 . 0 0 I I II I II V V V IV I I F ξ 图 2. 静止部件总压损失分配 Fig2. Distribution of total pressure loss in stationary components - 4 0 . 0 1 0 . 0 6 0 . 0 1 1 0 . 0 1 6 0 . 0 2 1 0 . 0 00 . 20 . 40 . 60 . 81 S V r m / s 截面1 - 4 截面1 - 4 - 1 截面1 - 5 图 3. 级间无叶扩压器 III 内径向速度 Vr 沿叶高分布 轮盖 轮盘 Fig3. Distribution of radial velocity Vr along spanwise direction in vaneless diffuser III 0 . 0 5 0 . 0 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 0 . 0 00 . 20 . 40 . 60 . 81 s V r m / s 截面2 - 4 截面2 - 4 - 1 截面2 - 4 - 2 截面2 - 5 图 4. 级后无叶扩压器 VII 内径向速度 Vr 沿叶高分布 轮盖 轮盘 Fig4. Distribution of radial velocity Vr along spanwise direction in vaneless diffuser VII w w w . b z f x w . c o m 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup. 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct. 2005 559 大逆压梯度，流动本身易于发生分离。但只要叶轮 出口的气体速度足够大流动分离即可避免，这就是 级后扩压器内未见回流的原因。但级间扩压器由于 其后连着弯道，气体在弯曲离心力与逆压梯度的双 重作用下发生了大尺度分离，形成较大范围的回流 区。 图 6 是两个无叶扩压器内沿中心叶高 S1 流面上 流线分布。由于进入扩压器的气流均有较大的气流 角，导致气流以螺旋线式的轨迹运动，延长了流动 路程，增加了机械能损失。这就是图 2 中两个无叶 扩压器内的进出口总压下降地最强烈的原因。 事实上，这种强烈的损失，就级后无叶扩压器 而言，由于其内没有明显流动分离，损失完全来源 于过长的流动路程所导致的摩擦损失；对级间无叶 扩压器而言，由于气流受弯道的扰动而导致流动分 离，故而其流动损失是在边界层分离与粘性摩擦两 种因素的共同作用下形成的，这就是级间无叶扩压 器尽管径向尺寸比级后扩压器短，但两者损失几乎 相同的原因（如图 2 所示） 。 无叶扩压器的一个主要功能就是减速扩压，因 此静压恢复系数 Cp 可以表征其性能。图 7 的 Cp 沿 径向分布曲线表明，级间与级后无叶扩压器内静压 恢复的趋势基本一致在扩压器的前半段静压恢复 地比较快，而在后半段静压恢复系数趋于平稳。比 较两者差别，不难发现，级间无叶扩压器内进出口 静压升要比级后无叶扩压器小，这从另一角度又验 证了级间无叶扩压器内由于在流动分离与壁面摩擦 这双重作用下，静压损失较大。 静压恢复系数定义为 3 . 3 弯道内气动特性分析 弯道也是多级离心式压缩机所特有的部件，它 起着将流体经拐弯后进入下一级叶轮的作用。按所 处的位置不同，弯道可以分为两类一类是连接级 间无叶扩压器出口与回流器进口的弯道（本文称其 为一类弯道，即图 1 中 IV 部分） ；另一类是连接回 流器出口与二级动叶进口间的弯道（本文称其为二 类弯道，即图 1 中 VI 部分） 。 流体弯曲流动会受离心力与粘性力的共同作 用，形成“二次流”与“分离流”等复杂的流动现 象。但弯道内流动的重要性却是不言而喻的，其出 2 2 1 refref ref u pp Cp ρ − （a）级间扩压器 （b）级后扩压器 图 5 无叶扩压器内子午流道速度分布 Fig5. Velocity distribution of the medional plane in the two vaneless diffusers （a）级间无叶扩压器 图 6.无叶扩压器内沿中心叶高 S1 流面流线分布 （b）级后无叶扩压器 Fig6. Streamlines on the mid- span S1 stream surface for the two vaneless diffusers 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 00 . 20 . 40 . 60 . 81 S C p 级间无叶扩压器 级后无叶扩压器 图 7. 无叶扩压器内静压恢复系数 Cp 沿径向分布 Fig7. Distribution of Cp along radial direction in two vaneless diffusers w w w . b z f x w . c o m 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup. 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct. 2005 560 口流体的气动参数是回流叶片与次级动叶设计的重 要依据。但两类弯道内的气动特性是不尽相同的 一类弯道由于位于扩压器末，其内的气流速度是很 低的；而二类弯道则位于动叶进口，其内气流速度 相对较高。 为便于分析，图 8 是弯道（包括级间无叶扩压 器、回流器等）的子午面示意图。下面的气动分析 主要在图中所标的 AH八个截面上进行。 图 9、10 分别为两类弯道内各截面（具体位置 参见图 7）上子午速度 Vm的周向平均值，其中横坐 标为无量纲规范化值，方向由轮盖指向轮盘。两图 中子午速度的分布特点体现了离心力对流体的作 用在各个截面子午速度总是外侧小而内侧大，这 样就形成了由外向内的压力梯度，以提供向心加速 度使流体拐弯流动。但图 9 中一类弯道内速度分布 表明，这种由外向内的子午速度梯度沿弯道是变化 的，总趋势是进口处很不均匀，但随着流动该不均 匀性逐步减弱，到了弯道出口已变得均匀化。这种 流动对改善其后回流器内的流动是有益的。这种流 动的均匀化在很大程度上是由于低速流动的“自掺 混”所造成的。这说明弯道前无叶扩压器的径向高 度的选取是有讲究的较大的径向尺寸、气流扩压 能较为充分、流速降低，这样就有利于降低弯道本 身几何结构对流动所造成的不均匀程度。就图 10 就 而言，在二类弯道中，由于其流速很高，流动“自 掺混”作用奏效不大。流动沿叶高方向不仅存在强 烈不均匀性，而且随着流动方向，这种不均匀性会 加强，进而恶化了下级动叶进口来流的性质。 图 11、12 是两类弯道内子午面上气流角β的周 向平均值沿叶高分布。结果同样表明，在一类弯道 图 8 两类弯道子午面示意图 A B C D E F H G Fig8. Medional plane for the two crossovers 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0 1 0 0 . 0 1 2 0 . 0 1 4 0 . 0 1 6 0 . 0 00 . 20 . 40 . 60 . 81 S V m （m / s ） 截面A 截面B 截面C 截面D 截面E 轮盖 轮盘 图 9. 一类弯道内子午面速度 Vm 沿叶高分布 Fig9. Vm distribution along the spanwise direction in the first type of crossover 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0 1 0 0 . 0 1 2 0 . 0 1 4 0 . 0 1 6 0 . 0 1 8 0 . 0 00 . 20 . 40 . 60 . 81 S V m （m / s ） 截面F 截面G 截面H 轮盖 轮盘 图 10. 二类弯道内子午面速度 Vm 沿叶高分布 Fig10. Vm distribution along the spanwise direction in the second type of crossover 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 0 1 0 0 . 0 00 . 20 . 40 . 60 . 81 S β（d e g ） 截面A 截面B 截面C 截面D 截面E 轮盖 轮盘 图 11. 一类弯道内气流角β沿叶高分布 Fig11. β distribution along the spanwise direction in the first type of crossover w w w . b z f x w . c o m 第 25 卷增刊 动 力 工 程 Vol. 25 Sup. 2005 年 10 月 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Oct. 2005 561 内尽管入口处气流角分布不均匀，但由于低速流动 的“自掺混”作用，经 180 度拐弯后在截面 E（即回 流叶片进口）分布趋于均匀化，这对有利于改善回 流叶片内气动状况。但二类弯道中的气流角由于流 速较高，沿叶高方向呈现强烈地不均匀性。并且这 种不均匀性随着流体的拐弯而不断加强，进而影响 着次级动叶进口来流状况。 上述分析表明，由于流速的不同，弯道对气流 不均匀性的影响几乎是截然不同的一类弯道，由 于其内气体的流速低，流经弯道后，随流体自掺混 作用而是气动参数有所均匀化；但对二类弯道，其 内流体的高速运动加剧了气动参数的不均匀性。由 于二类弯道出口气流已不再是均匀地沿着轴向，级 后动叶的设计就必须充分考虑这种来流的非均匀 性，以达到级间部件的匹配与优化。 4 结论 本文运用 C F D技术，对某型两级离心压缩机内 流场进行了整级联算，着重研究了该机组内无叶扩 压器与级间弯道等静止部件内的气动特点，可以得 到如下结论 （1 ）由于多级离心式压缩机本身所具有的特殊 几何结构，其整体效率并不完全决定于各个动叶轮 的效率。其静止部件如扩压器、弯道与回流器内的 气动性能对整机效率有较大影响； （2 ）级后无叶扩压器中的能量损失以粘性摩擦 损失为主，但级间无叶扩压器内由于受到弯道与前 级动叶出口气流不均匀性的影响，存在大尺度的分 离区，其损失是摩擦与分离两种因素共同作用的结 果； （3 ）弯道对流动的影响随其位置的变化而变化 一类弯道中，由于气流速度很低，弯道对气流的扰 动不明显，并随着低速流体的自掺混作用，流动能 趋于均匀；但在二类弯道中，由于流速高，气流本 身的不均匀性易受弯道的扰动而加剧，进而影响了 下一级动叶的气动性能； （4 ）对于多级压缩机动叶的设计应充分考虑上 级来流的气动特性，单纯的均匀轴向进气条件并非 符合实际流动特点。 参考文献 [ 1 ] Eckardt D. 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