叶顶间隙形态对离心压缩机整级气动性能的影响.pdf

FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 5， 2 01 1 文章 编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 1 0 5 0 0 2 0一 o 6 叶顶间隙形态对离心压缩机整级 气动性能的影响 贺 利生 ， 刘 宝军 。 雷明洋 陕西省榆林市电力建设 总公 司， 陕西榆林7 1 9 0 0 0 摘要 对某离心压缩机模型级 6种不同的叶顶间隙形态的流场进行了数值模拟， 分析了叶顶间隙形态对离心压缩机 模型级整级气动性能的影响 ， 详细分析了不同间隙形态 内部 的流动结构 。研究结果表 明 由于叶顶 间隙的存 在 ， 在整个 工况范围内级压比， 多变效率， 能量头相比无间隙时都有较大幅度下降， 特别在大流量区下降更加明显， 而且不同的间隙 形态对级性能的影 响也不 同， 与无间隙相 比间 隙 1在设计 工况点压 比下降 1 ． 7 7 ％， 多变 效率下 降 0 ． 6 5 ％， 能量 头下降 3 ． 0 8 ％， 间隙4在设计工况点压比下降4 ． 3 8 ％， 多变效率下降 2 ． 4 1 ％， 能量头下降 7 ． 0 8 ％， 而间隙2 ， 3 ， 5 ， 6的间隙值在 间隙 1 和 间隙 4之间 ， 其整级气动性能也介于间隙 1 和间隙 4之间 ， 其 中间隙 3和间隙 5的整级气动性能要优于间隙 2 和间隙 6 。 关键词 离心压缩机； 叶顶间隙形态； 气动性能 中图分类号 1 3 1 5 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 0 5 I n flu e n c e o f Ti p Cl e ar a nc e S ha p e s o n Ae r o d y na mi c Pe r f o r man c e o f Ce nt r i f u g a l Co m p r e s s o r St a g e H E L i s h e n g ，L I U B a o - j u n ，L E I M i n g y a n g Y u l i n C i t y E l e c t ri c P o w e r C o n s t r u c t i o n C o r p o r a t i o n ， Y u l i n 7 1 9 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e 3D v i s c o us f l o w i n s i x d i f f e r e n t t i p c l e a r a n c e s h a p e s o f a c e n t rif u g a l c o mp r e s s o r s t a g e wa s s t u d i e d b y n u me r i c al s i mul a t i o n ．The i n flue n c e o f t i p c l e a r a nc e s ha p e s o n a e r o d y n a mi c p e r f o r ma nc e of c e n t rif ug a l c o mpr e s s o r s t a g e wa s a n aly z e d．Th e r e s ul t s s ho w t h a t i n c o mp a ris o n wi t h n o t i p c l e a r a nc e，t h e s t a g e p r e s s ur e r a t i o，p o l y t r o p i c e f fic i e n c y a nd h e a d c o e ffic i e n t h a v e d e g r a d e d i n wh o l e c e n t ri f u g a l c o mp r e s s o r s t a g e o p e r a t i n g r a n g e b e c a u s e of t h e t i p c l e a r a n c e ，e s p e c i all y i n l arg e fl o w c o n d i t i o n ．T h e d i f f e r e n t t i P c l e a r a n c e s ha p e s ha v e di f f e r e nt i n flu e n c e o n a e r o d y na mi c p e r f o rm a n c e o f c e n t rif u g a l c o mp r e s s o r ．I n t i p c l e ara n c e 1， t h e s t a g e p r e s s u r e r a t i o，p o l y t r o p i e e f fi c i e n c y a n d h e a d c o e f f i c i e n t h a v e r e s p e c t i v e l y d e c r e a s e d 1 ． 7 7，0 ． 6 5，3 ． 0 8 p e r c e n t t o m p a r e d w i t h n o t i p c l e a r a n c e ． I n t i p c l e a r a n c e 4，t h e s t a g e p r e s s u r e r a t i o ，p o l y t r o p i c e f fi c i e n c y a n d h e a d c o e f fi c i e n t h a v e r e s p e c t i v e l y d e c r e a s e d 4 ． 3 8 ， 2 ． 4 1 ， 7 ． 0 8 p e r c e n t c o m p a r e d w i t h n o t i p c l e a r a n c e ．T h e a e r o d y n a m i c p e rf o r m a n c e o f t i p c l e a r a n c e 3 ， 5 i s b e t t e r t han t ha t of t i p c l e a r a n c e 2，6． Ke y wo r d s c e n t ri f u g al c o mp r e s s o r ；t i p c l e ara n c e s h a p e s ；a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e 1 前言 叶轮机械叶顶间隙泄漏流动对其性能有较大 影响 ， 充分识其 内部的真实流动过程将有助于改 善叶轮机械的性能 ， 扩大叶轮机械 的稳定工作范 围， 并且深入了解 间隙泄漏流动机理对提高性能 预测的精度具有积极 意义。过去的几十年问， 世 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 5 修稿 日期 2 0 1 1 0 31 4 界上有很多研究人员致力于这方面的研究 ， 并取 得了丰硕的成果 。R a i n s 通过实验验证在压气机 叶栅叶顶间隙的泄漏流动产生泄漏涡⋯ ， 并建立 了简化的理论泄漏模型， 指出较小叶顶间隙内泄 漏流动的驱动力是压差 ， 其主要特性仍然是无粘 的， 可以采用无粘假设对 叶顶间隙内流动进行研 究 ， 这一结论后来被 Mo o r e和 S t o r e r 在涡轮和压 2 0 1 1 年第 3 9卷第 5期 流体机械 2 1 气机 叶顶 间 隙流 场 的研 究 中进 一 步 证 实E 2 ,3 ] 。 L a k s h m i n a r a y a n a基于试验研究 ] ， 在叶顶泄漏涡 无粘模型基础上提出了刚体涡模型 ， 指 出泄漏涡 内部流动满足泊松方程 ， 而泄漏 涡外部则满足拉 普 拉斯 方 程 。C h i m a基 于 K i l e y模 型 对 N A S A 3 7 号转子 内间隙流动 的研究表明 ， 虽然泄漏流动的 特征主要是无粘 的， 但机匣 附近 的泄漏流场仍 旧 是受粘性影响的 j 。 文献[ 7～ 9 ] 对 2 0 0 0年以前世界上叶轮机械叶 顶间隙流动研究进展进行了比较全面的总结， 回顾 过去对叶轮机械叶顶间隙的研究 ， 大部分研究工作 的对象主要还是轴流式叶轮机械内部的叶顶间隙 泄漏流动 ， 而对离心式叶轮机械内部的叶顶间隙泄 漏流动研究工作的报道相对较少且大部分集 中在 航空和涡轮增压领域。实际上 ， 由于离心式叶轮机 械内部流动的几何边界和动力学条件更为复杂 ， 在 这种复杂流动条件下 的叶顶 间隙泄漏流动对主流 和整级性能的影响也更为复杂和严重。 近年来 ， 在离心式叶轮机械领域 ， 对叶顶间隙 流动的研究逐渐活跃 。楚武利通过实验研究得出 了半开式离心叶轮叶顶间隙对效率及压力的影响 和不同间隙下叶轮出口径向速度的变化规律 ， 并推导 了半开式离心叶轮间隙流动所产生的力及 引起 的损失 ， 建立了相应 的压力损失及效率随间 隙变化的模型。刘立军 以 J o h n s o n试验闭式三元 叶轮为对象 ， 将叶轮 内部流动视为不可压缩 流动 ， 用其编制的程序对 叶顶间隙泄漏流动进行 了数值模拟 ， 计算模拟 了叶顶 间隙泄漏流动随主 流的输运和扩散过程。刘长胜分别对两个不 同的 半开式离心压缩机叶轮进行 了不同叶顶间隙时的 三维粘性流场进行了分析 ， 得 出了叶轮 内部 的 流场分布情况 ， 以及压 比和效率等主要叶轮参数 随间隙值变化的情况， 并与用经验公式 预测 的结 果进行了比较。彭森对其设计 的离心压气机叶轮 在 不 同 叶顶 间 隙下 的 内部 流 场进 行 了数值 模 拟 ， 指出叶顶 问隙的大小与泄漏流动的强度密 切相关且通道涡与合适的叶顶 间隙所形成的泄漏 涡相互作用可以削弱泄漏强度 ， 改善流动。杜建 一 采用 C F D软件分析 了用于微型燃气轮机的高 压比、 高转速离心压气机在三种不同叶顶间隙下 的性能 ， 讨论了间隙影响 的原因。其研究结果 表明， 叶顶间隙在一定范围内时， 间隙主要减弱叶 轮的升压能力 ， 基本不影 响效率和阻塞流量。张 楚华使用 C F D软件对 N A S A低速 大尺寸离心 叶 轮的内部流场以及其气动性能随叶顶间隙的变化 规律进行 了数值研 究 ， 指 出随着 叶顶 间 隙增 大， 离心叶轮气动效率 、 压 比及转矩均降低 ， 变化 曲线呈现出典型的双平台变化关系。 由于叶顶间隙泄漏流动的复杂性和实验手段 的限制 ， 以及现代计算机和计算技术的发展 ， 数值 模拟已经成为研究 叶轮机械内部复杂叶顶间隙泄 漏流动的重要而有效的工具和手段。本文工作主 要是基于前人的研究 ， 在离心压缩机级环境下对 6种不同的叶顶间隙形态进行 数值研究 ， 得到 6 种不同叶顶间隙形态时离心压缩机级全工况范围 的气动性能， 并与假设 叶顶无 间隙时的级气动性 能进行 比较， 同时对计算所得 的流动场进 行相关 分析 。 2 物理模型 本文研究对象为某离心压缩机模 型级 ， 由半 开式离心叶轮、 无叶扩压器 、 弯道及 回流器组成 。 图 1 为其几何结构示意图 ， 该模型级 主要结构参 数均列于表 1中。 图 1 离心压缩机模型级几何结构示意 表 1 离心压缩机模型级主要结构参数 参数名称 数值 叶轮叶片数 z ， 1 7 叶轮出 口直径 D m m 4 5 0 叶轮出 口宽度 b ， m m 4 5 叶轮叶片出口安装角 。 4 0 扩压器时口宽度 b mm 4 2 扩压器出 口直径 D m m 7 2 0 扩压器 出口宽度 b mm 4 2 弯道出口宽度 b 1n l n 4 1 回流器 叶片数 2 0 本文设置了 6种不 同的叶顶 间隙形态 ， 其 中 间隙 1表示 叶片进出 口叶顶间隙值恒为 l m m， 间 2 2 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 5， 2 01 1 隙 2表 示沿 叶片进 出 口叶顶 间 隙值 由 1 m m 至 2 ra m呈线性增大 ， 间隙 3表示表示沿叶片进 出口 叶顶问隙值 由 2 m m至 1 m m呈线性减小， 问隙 4 表示叶片进 出口叶顶间隙值恒为 2 m m， 间隙 5表 示沿叶片进出 口叶顶问隙值在 1 m m至 2 ra m呈阶 梯形变化， 而间隙 6表示沿叶片进 出 口叶顶间隙 值在 1 to n i 至 2 ra m呈波浪形变化。 3数值方法 3 ． 1 数值 方法 使用时间推进法求解流动控制方程组， 对于 稳态可压缩流动 ， 将雷诺平 均 的 N a v i e rS t o k e s 方程在一个单元体内进行积分。 JI f 6 U ff d JJ J S r．d V 1 式中f 物理时间 虚时间 ￡ ， ． 一求解变量 d I ， _一一 单元体体积 d 微元体面积矢量 矢通量 S 源项 使用有限容积法离散三维可压 缩雷诺平均 N a v i e r S t o k e s 方程 1 ， 采用 J a m e s o n中心差分 a间 隙1 d间隙4 I 结合 S p a r l a r t A l l m a r a s 一方程湍流模型求解 ， 添 加人工黏性系数 以保证 收敛 ， 采用全多重 网格方 法 ， 结合变时间步长以及残差光顺方法加速收敛。 当进出口质量流量误差小于 0 ． 5 ％， 全局残差下 降到 1 0 以下时， 认为计算收敛。 3 ． 2网格 和边界 条件 采用结构化六面体网格对离心压缩机模型级 进行空间离散， 整级网格共分为叶轮及无叶扩压 器、 叶轮叶顶间隙和弯道及回流器三部分， 整级网 格及叶顶间隙处网格如图 2 ， 3所示。 图 2 离心压缩机模 型级整级 网格 b间 隙2 e间 隙5 图 3 6种不同形 态叶顶间隙网格 c间 隙3 f 间隙6 2 0 1 1 年第 3 9卷第 5期 流体机械 2 3 为保证比较基准的一致性 ， 整级 网格在不 同 的叶顶问隙时均采用相同的拓朴结构 ， 并取 y 值 为 5 ， 考虑边界层影 响在所有 固体壁 面处加密 网 格 ， 整级网格构成如表 2 。 表 2 模 型级网格构成 项 目 展 向 周向 流 向 网格 数 叶轮及无 叶扩压器 5 7 9 7 1 0 5 5 8 0 5 4 5 叶顶间 隙 1 7 4 l 4 1 2 8 5 7 7 弯道及 回流器 5 7 4 l l 2 9 3 0 1 4 7 3 数值模 拟时工 质为空 气 视为 理想气 体 ， 进 口边界 条件 给定轴 向进气 ， 以及总 温 、 总压 ， 出 口边界条件在近喘工况和设 计工况附近 给定 质量流量 ； 而在近堵工况 给定级 出 口平 均静压 ， 所有的转 动壁 面给定 转速 ， 绝 热壁 面给 定无 滑 移边界条件 。 动静部件滑移面之间的信息传递采用周 向守 恒耦合混合平面法处理， 该方法能够 保证动静界 面的质量流量 ， 动量以及能量严格守恒。 ▲ 间 隙O 间隙3 ； 间 隙1 间 隙4 间 隙2 间 隙5 1 ． 7 0 。间 隙6 一 ～ 一 1 ．45～ 1 ． 2 0L ． ⋯ 一一 一 一一 一 O． 1 2 0． 1 7 击 ▲ 8 5 r 一 零 、 { 65 4 计算结果及分析 4． 1 离心 压缩机 模 型级 整级 气动 性能 图 4给出了在 6种不同间隙形态时模型级整 级气动性能与假设无叶顶间隙即间隙 0时的整级 气动性能的比较。从 图 4可以看 出， 由于叶顶 间 隙的存在 ， 在整个工况范围内级压 比， 多变效率 ， 能量头相 比无间隙时都有较大幅度下降 ， 特别在 大流量区下 降更加 明显 。与间隙 0相 比， 问隙 1 在设计工 况点压 比下 降 1 ． 7 7 ％ ， 多变效率 下降 0 ． 6 5 ％ ， 能量头下降 3 ． 0 8 ％， 间隙 4在 设计工况 点压 比下降 4 ． 3 8 ％ ， 多变效率下降 2 ． 4 1 ％ ， 能量 头下降 7 ． 0 8 ％， 而问隙 2 ， 3 ， 5 ， 6的间隙值在间隙 1和间隙 4之 间， 其整级气 动性能也介 于问隙 1 和间隙 4之 间， 其 中间隙 3和 间隙 5的整级气动 性能要优于间隙 2和间隙 6 。图 4表 明叶顶间隙 使得模型级整级气动性能恶化 ， 叶轮做功能力下 降 ， 并且就本文所研究的模型级而言 ， 整级气动性 能随着间隙的增大而降低。 - 0． 4 0_ _ 一． ． _ 一 -Ⅲ ～ ⋯ 一 O． 1 7 0． 2 2 O ． 1 2 0． 1 7 0． 2 2 西 西 a 总压 比 一流量系数 咖 b 总压 比 叼一流量系数 c 总能头系数 ，r 一流量 系数 图 4 离心压 缩机模型级气动性能 比较 4 ． 2流场 分析 图 5 、 6给出了叶轮内部沿流动方向叶道 中间 截面的总压及切 向相对速度的分布。图 5 ， 6中所 有云图采用了相同的标尺并且等值线之问的间隔 也一 致 。 从图 5可 以看出间隙的存在对流场产生 了较 大影响 ， 特别是在靠近 叶片进 口处叶顶附近， 总压 分布与无间隙时相 比， 在压力面侧 出了一个明显 的高压集 中区， 而在 吸力 面侧 刚有一个低压集 中 区， 而且总压分布的均匀程度要低于无间隙时的， 同时由于间隙的存在使靠近叶片出口截面的总压 值低于无间隙时的， 这表 明由于间隙存在导致 了 叶轮做功能力下降。 从 图 6可以看 出 ， 由于 问 隙的影 响在 叶 片 压 力 面存 在 的 低 速 流 集 中 区 相 比 无 间 隙 时 要 更加 明 显 ， 特 别 是 在 靠 近 叶 片 出 口附近 的截 面 ， 这表 明压力面侧部 分高 压气 流通过 间 隙跨 过 叶 片 往 吸 力 面 低 压 区 运 动 。 图 6 a ～ f 是 6种 不 同叶 顶 间 隙形 态 时 的切 向相对 速 度 分 布的 比较 。 、 谤 3 4 5 6 1 翼 隙 隙 隙 隙 、 0 隰 一 ，l ， 一 、 m 、一一 、 间 涧 3 4 5 6 隙隙隙隙 问问问问 ～ O12 哺 酸 隙 一 问问问 l L ≯ 2 0 1 1年第 3 9卷第 5期 流体机械 相对速度沿 叶片展向分布不均匀 ， 可 以看 出叶顶 间隙存在使叶轮内部 流动恶化 ， 从 而导致模型级 a 无 间隙时 参考文献 r 1 间 隙3 整级气动性能恶化 ， 级多变效率 、 级压比以及级能 量头 均低 于无 间 隙时 的 。 f b 间隙 1 f 间隙2 e 间 隙4 D『 日 J 隙5 图 7 子午面相对速度分 布 Ra i n D A．Ti p c l a e r a n c e flo ws i n a xi a l flo w c o mp r e s 。 s o r s a n d p u m p s[ R] ．C a l i f o r n i a I n s i t u e o f T e c h n o l o - g Y，Hy d r o d y n a mi c s a nd Me c h a ni c a l En g i ne e r i n g La b o r a t o r i e s．Re p o r t No ． 5，1 9 54． Mo o r e J ，He r n y G S， C h a u d h r y U． F l o w a n d h e a t t r a n s f e r i n t u r b i n e t i p g a p s[ A] ．A S ME p a p e r ， 1 98 8．8 8一GT一1 3 5． S t o r e r J A ， C u mp s t y N A． T i p l e a k a g e fl o w i n ax i al c o m p r e s s o r s[ J ] ．A S ME J o u r n al o f T u r b o ma c h i n e r y ， 1 9 9 1 ，1 1 3 2 2 5 2 - 2 5 9 ． L a k s h mi n a r a y a n a B．Me t h o d of p r e d i c t i n g t h e t i p c i g a r - a fl e e e ff e c t s i n axi a l fl o w t t t r b o ma c h i n e s『 J ] ．J o u rnal of Ba s i c En g i n e e rin g，1 9 7 0，9246 7- 48 2． Ch i ma R V． Ca l c ul a t i o n of t i p c l e a r a n c e e ff ec t s i n a t r a n s o n i c c o mp r e s s o r r o t o r [ J ] ．A S ME J o u rnal o f T u r - b o m a c h i n e r y ，1 9 9 8 ， 1 2 0 1 2 8 3 9 ． K i r t l e y K．B e a c h T a n d Ad a mc z y k A．Nu me r i c al a n al y s i s o f s e c o n d a r y fl o w i n a t w o s t a g e t u r b i n e[ A] ． AI AA Pa p e r ，1 9 9 0 9 0 1 1 5． Pe a c o c k R E． A r e v i e w of t ur b o ma e hi n e r y t i p g a p e f f e c t s『 J ] ．I n t e r n a t i o n al J o u rna l of He a t a n d F l u i d F l o w，1 9 8 2 ， 3 4 1 8 5 1 9 3 ． 杨策 ， 马朝臣， 王延生 ， 等 ， 叶轮机械叶尖 间隙内部 流 场研究进展[ J ] ．力学进展 ， 2 0 0 0， 3 0 4 8 0 - 9 3 ． [ 9 ] 杨策 ， 施新．径流式叶轮机械理论及设计[ M] ．北 京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 1 0 ] 楚武利， 刘志伟．半开式离心叶轮间隙流动的实 验研究 [ J ] ．流体机械 ，1 9 9 8 ， 2 6 1 0 3 _ 6 ． [ 1 1 ] 刘立军， 徐忠， 张玮．叶顶间隙泄漏时离心压气机 模型级内流动的数值模拟[ J ] ．西安交通大学学 报 ， 2 0 0 1 ， 3 5 9 9 0 8 -91 3 ． 『 1 2 ] J o h n s o n M W ，Mo o r e J．T h e d e v e l o p m e n t of w a k e fl o w i n a c e n t r i f u g a l i mp e l l e r[ J ] ．A S ME J o u rnal of E n g i n e e ri n g f o r P o w e r ，1 9 8 0 ，1 0 2 2 3 8 2 - 3 9 0 ． [ 1 3 ] 刘长胜， 刘瑞韬 ， 秦 国良， 等．叶顶间隙对叶轮性 能影响的数值分析[ J ] ．风机技术 ， 2 0 0 3 ， l 7 -9． [ 1 4 ] 彭森， 杨策， 马朝臣．离心压气机叶尖间隙泄漏流 动数值研究[ J ] ．工程热物理学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 6 93 5-93 7． [ 1 5 ] 杜建一， 汤华， 赵晓路， 等．叶顶 间隙对离心压气 机性能影响的研究 [ J ] ．工程热物理学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 4 5 8 3 - 5 8 5 ． [ 1 6 ] 张楚华 ， 王宝潼 ， 栾辉宝 ， 等．叶顶间隙对离心叶 轮气动性能影响的研究[ J ] ．流体机械， 2 0 0 6 ， 3 4 1 21 3 - 1 6 ． 作者简介 贺利生 1 9 5 9一 ， 男 ， 工程师 ； 主要从事 电力设备 辅 机的数值 研 究及 设计 ， 通 讯地 址 7 1 9 0 0 0陕 西榆 林市 夏 洲路 2 3 1 号榆林市 电力建设总公 司。 ] J ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8