设计实验
关键字
分类
您现在的位置:首页 » 风机技术 » 设计实验 » 无叶扩压器进口子午形状研究

无叶扩压器进口子午形状研究

2013-01-16 08:51:55 点击数:

摘要:以三个不同流量系数的模型级为研究对象,对其无叶扩压器进口部分进行了详细分析。首先分析了大流量系数模型级内部流动存在的问题,并进行了相应的改进设计与计算,通过比较改进前后的计算结果与内部流动情况,发现采用旋转扩压器形式对于流动改善效果显著。在大流量系数模型级取得的经验基础上相续取得了中等与小流量系数模型级的改进方案,结果显示旋转扩压器形式的改进方案同样效果显著,进一步说明该方法适用于不同流量系数的模型级。
关键词:流量系数;模型级;旋转扩压器
中图分类号:TH452 文献标志码:A
Research on Inlet Meridional Shape of Vaneless Diffuser
Abstract: In this paper, set the three model stages with different flow coefficient as the research subject, the inlet of vaneless diffuser is analyzed in detail. First, this paper has analyzed the problems existing in the internal flow of the model stage with large flow coefficient, and the corresponding improving design and calculation is carried out. Through comparing the calculation results and internal flow before and after improvement, it is found that the application of rotating diffuser can improve the flow effect significantly. Based on the experiences obtained from the model stage with large flow coefficient, the improvement scheme for the model stages with medium and small flow coefficient is got. The result shows that the improvement scheme with rotating diffuser has obtained the same significant effect. It is further stated that this method is suitable for the model stage with different flow coefficient.
Key words: flow coefficient; model stage; rotating diffuser
0 引言
  离心叶轮机械广泛应用于各行各业,它消耗着大量能源[1] 。为了提高级效率,在最初阶段研究重点集中在叶轮部分,并逐渐将研究重心转移到定子部件及动静相干方面[2~7] 。由于在工作工程中发现离心压缩机模型级与叶轮匹配的隔板进口形状各异,为了研究扩压器进口段部分对于级性能的影响,选取了三个不同流量系数大(Xφ1=0.157)、中(Yφ1=0.077)、小(Zφ1=0.032),直径为450mm的模型级作为研究对象。研究的重点是无叶扩压器进口部分的子午流道形状以及叶轮出口部分形状。

ψ1=4QDD22u2D     (1)

其中:下标D为设计工况点条件。
1 数值模型和边界条件
1.1 数值模型

  采用NUMECA的FINE/Turbo软件包对其三维粘性定常流场进行数值模拟。该软件包求解雷诺平均的N-S方程,空间离散采用中心差分格式辅助人工二阶和四阶粘性项,选取四阶Rung-Kutta法进行时间推进迭代求解,采用全多重网格法、局部时间步法及隐式残差光顺的方法加速迭代收敛,湍流模型选择低雷诺数Spalart-Allmaras方程模型。
1.2 几何结构及网格
  前处理采用AutoGrid5模块进行单通道网格建模,各模型级子午剖面图及单通道真实模型整级网格见图1和图2。真实无简化的模型级研究模型(包括主通道部分和密封腔部分,密封间隙取为产品应用允许范围的中间值,以下简称真实模型)网格总数分别约为488万、456万和383万。最小正交性为10.4,最大长宽比和延展比分别为3 626.8和4.18,y+均在1~10范围以内,密封通道与主通道网格连接为完全匹配连接。

1.3 边界条件
  计算工质为空气,进口边界条件给总温、总压和速度方向;出口边界给定质量流量;固壁为无滑移固壁。采用试验测量参数为变工况边界条件。
2 模拟结果分析
2.1 X原模型级数值模拟与改进设计

2.1.1 X原模型级数值模拟
  图3是真实模型设计点子午平均后的速度分布情况。主通道无叶扩压器盖盘侧附面层不断增厚并在弯道的前半部分离整个分离区占据了一半的弯道通道;叶轮出口盖盘侧密封口内的旋涡流动是逆时针方向,轴盘侧是顺时针方向,这两个旋涡的底部气流均是吹向从叶轮出来的主气流,这对主气流的正常流动有一定影响并带来一定的冲击损失;叶轮出口后流通面积突然增大,带来较大的扩张损失。根据上述分析制定了相应的改进设计方案。
2.1.2 X模型级改进设计

表1 X模型级各方案计算结果

方案

等熵效率/%

多变效率/%

总压比

静压比

出口气流角/(°)

case0

0.791 93

0.804 96

1.584 7

1.618

1.766 1

case1

0.798 57

0.811 28

1.590 1

1.624 3

1.084

case2

0.793 56

0.806 51

1.585 6

1.618 9

1.739 6

case3

0.797 19

0.809 94

1.587 1

1.618

2.463

  表1是各方案整级的计算结果,子午视图见图4。case1修改了叶轮出口两侧密封腔口的形状,目的是减少两侧旋涡对主流的冲击;case2缩小了定子部件靠近叶轮出口部分的截面积;case3缩小扩压器宽度2mm,目的是抑制盖盘侧边界层的发展。计算结果显示三种改进方案的效率均有提高,其中case1最理想,效率提高约0.65%;case2效率提高不明显,仅为0.15%;case3较好,提高了0.53%。但是由于case3在修改扩压器进口的同时也将整级的子午结构都进行了相应的修改,其局限性较大,所以确定采用旋转扩压器形式的case1方案为最佳改进方案。

  对比分析图3与图5发现,case1无叶扩压器后续流道内的流动情况与case0基本一致,说明此改进方案对下游气流流动影响较小;另外,其改进效果主要体现在扩压器进口部分的流动改善方面,图中显示改进后密封腔内的旋涡底部的气流方向与主流方向仅是一个较小的锐角,其对主流的冲击及负面影响也大大减弱。
  图6为X原始方案case0与改进方案case1的变工况多变效率曲线,比较两条曲线各工况点的数值大小得出,X模型级采用旋转扩压器形式的改进方案case1后,效率提高了0.6%~0.8%。
2.2 Y原模型级数值模拟与改进设计
  图7是Y原始方案与case1方案的子午结构。Y模型级的case1方案增加了转、静子件盖盘侧内壁轴向间隙1mm。case2方案采用旋转扩压器的形式,与X case1结构方案一致。表2的计算结果显示case1效率、压比均有所下降,说明增大叶轮出口后的通流面积将增加流动损失、降低模型级性能。而case2改进效果较好,效率约提高了0.72%。图8和图9是case0与case2的速度分布图,情况与X模型级一致,这里不再重复。

表2 Y模型级各方案计算结果

方案

等熵效率/%

多变效率/%

总压比

静压比

出口气流角/(°)

case0

0.791

0.804 3

1.597

1.618 4

12.881

case1

0.787 95

0.801 41

1.595

1.615 9

12.988

case2

0.798 54

0.811 45

1.602 4

1.623 6

13.619

  通过上述对比分析得出:case2改进效果最理想,与case0相比,效率提高了0.5%~1.5%,见图10。说明旋转扩压器形式的修改方案也适用于中等流量系数Y模型级。另外也可以得出增加Y扩压器进口通流面积将降低其级效率。
2.3 Z原模型级数值模拟与改进设计
  Z模型级改进方案有两种,其中case1见图11,转、静子径向间隙增大了4mm,目的是进一步验证叶轮出口后通流面积增大对级性能的影响;case2与X的case1的方案一致。

  表3 Z模型级各方案计算结果

方案

等熵效率/%

多变效率/%

总压比

静压比

出口气流角/(°)

case0

0.708 69

0.724 3

1.48

1.464 7

-5.640 5

case1

0.697 36

0.713 4

1.473 4

1.457 6

-5.844 7

case2

0.718 4

0.734 32

1.513 4

1.498 7

-5.842 6

  表3是Z模型级各方案的计算结果,结果显示case1方案效率下降了1%,而case2提高了1%,压比也提高了2.3%。图12和图13展示了三个方案密封腔出口部分的流动情况,其中case1口圈密封部分由case0中的一个大旋涡结构变成了三个旋涡,中心大旋涡左上移,并在轮缘上面形成两个转向相反的小旋涡;级间密封旋涡由一个发展成两个,中间大旋涡变化不大,另外一个小漩涡的位置是在靠近密封腔轮缘侧,旋转方向为逆时针方向。分析其效率降低的原因是密封腔内的旋涡结构更复杂,不仅增加了分离损失而且还对主流区产生更不利的影响。case2的密封腔内气流方向与主流方向仅存在一个比较小的角度,所以大大减少了其对主流区的冲击损失与不利影响。
  通过比较分析得出,case2方案最理想,其多变效率、能头系数和总压比与case0相比分别提高0.8%~2.0%、3.3%~5.7%和2.1%~2.7%,见图14和图15;所以旋转扩压器形式的改进方案同样适用于Z模型级,并且效果更为明显。
3  结论
  通过上述针对三个研究对象的分析与改进得出以下结论:
  1) 大流量系数模型级X采用旋转扩压器形式的改进方案后,效率提高了0.6%~0.8%;
  2) 中等流量系数模型级Y采用旋转扩压器形式的改进方案后,效率提高了0.5%~1.5%;
  3) 小流量系数模型级Z采用旋转扩压器形式的改进方案后,其多变效率、能头系数和总压比分别提高0.8%~2.0%、3.3%~5.7%和2.1%~2.7%;
  4) 增加扩压器进口通流面积将降低级效率。

参 考 文 献

[1] 王尚锦.离心压缩机三元流动理论与应用[M].西安交通大学出版社.1991.
[2] 张勇,闻苏平,胡小文.叶片扩压器在小流量离心压缩机中的应用研究[J].风机技术,2007(3):3-6.
[3] 闻苏平,宫武旗,张义云,等.无叶扩压器内部非定常流动的PIV测量[J]. 风机技术,2004(3):10-13.
[4] 杨策,马朝臣,王航,等.离心压缩机叶轮设计方法研究进展[J].内燃机工程,2002,23(2):54-59.
[5] Fatsis A.Three-dimensional unsteady flow and forces in centrifugal impellers with circumferential distortion of the outlet static pressure.ASME Journal of Turbomachinery,1997,119:94-102.
[6] Justen F.Experimental investigation of unsteady flow phenomena in a centrifugal compressor vaned diffuser of variable geometry.ASME Journal of Turbomachinery,1999,121:763-771.
[7] Engeda A.The unsteady performance of a centrifugal compressor with different diffusers.Proc Instn Mech Engrs,Part A,2001,215:585-599.

留言咨询
提交留言 (* 为必填项目)
* 姓名
* 内容
* 验证码
版权所有©中国风机行业协会 沈阳鼓风机研究所 Copyright 2000-2015 辽ICP备15005256号
Email:254361940@qq.com 电话:024-25801590 地址:沈阳经济技术开发区开发大路16号甲 邮编:110869

在线客服
  • 点击这里给我发消息