微型离心压气机扩压器设计与分析

宋 寅，李雪松，顾春伟

(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 石景山 100040；2.清华大学 热能工程系，北京 海淀 100084)

微型离心压气机扩压器设计与分析

宋 寅1,2，李雪松2，顾春伟2

(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 石景山 100040；2.清华大学 热能工程系，北京 海淀 100084)

微型燃气轮机是微小型分布式供能系统的核心设备，叶片扩压器对于微型燃机离心压气机的性能有重要影响。该文对某kW级微型燃机的扩压器进行了设计，对带扩压器的微型离心压气机进行数值模拟，着重探讨了扩压器进口冲角对压气机性能的影响。数值模拟结果表明，扩压器进口负冲角很大时，在小流量的工况下压比和效率很高，在大流量工况下压比和效率迅速降低，特性曲线陡峭，工作范围变窄。扩压器进口冲角绝对值较小时，压气机特性曲线较为平坦，工作范围宽广，冲角的较小变化对于压气机性能的影响不显著；正冲角情况下，扩压器的静压恢复系数最高，负冲角越大，静压恢复系数越小。由此可见，扩压器进口冲角的最优值并不固定，应当根据压气机具体工作要求进行选择，同时还需要考虑为保证燃烧器有较高的燃烧效率而带来的对静压恢复系数的要求。

微型燃机；扩压器；冲角；数值模拟；设计原则

0 引言

微型燃气轮机具有体积小、重量轻、效率高等优点，是微小型分布式供能系统的核心动力设备，具有广阔的应用前景。微型离心压气机是微型燃气轮机的重要部件，其性能与稳定性对于微型燃机的总体性能具有举足轻重的影响。因此，这是目前的研究热点之一。陈杰等[1]对微型离心叶轮流动损失分析以及削弱流动损失的方法进行了研究，聂振宇等[2]对某微型离心压气机进行了数值模拟并对其流场进行了分析，李德雄[3]对某型微型涡喷发动机的叶轮进行了改型设计，并对扩压器叶片形式和布置方式进行了重新设计。本文对某kW级微型燃机所使用的离心压气机的叶片扩压器进行了初步设计。

微型燃机一般使用结构较为简单的平面楔形扩压器，其主要几何参数有叶片数、无叶扩压段径比、叶片扩压段径比、叶片楔角和叶片安装角。其中，关于叶片数、无叶扩压段径比、叶片扩压段径比和叶片楔角对扩压器性能的影响前人已经给出了详尽的阐述：扩压器叶片安装角决定扩压器进口冲角，进而对压气机性能产生影响。文献[4-8]探讨了扩压器进口冲角对于离心压气机性能参数的影响，但是它们对于最佳冲角给出了不同的描述，可见关于扩压器进口冲角的选取并没有确定的结论，对于不同的离心压气机其扩压器冲角最优值有所不同。在此背景下，本文对某kW级微型燃机的扩压器进行设计，对带扩压器的微型离心压气机进行数值模拟，着重探讨扩压器进口冲角对压气机性能的影响。

1 研究对象和设计方法

本文所研究的微型离心压气机转速为100 000 r/min，其他几何参数见表1，需要进行设计的扩压器参数有无叶扩压段径比、叶片楔角和进口安装角。由于本文主要探讨叶片进口安装角对于扩压器性能的影响，因此参考文献[7-11]，取扩压器无叶扩压段径比为1.13，叶片楔角为6°。这样，叶片扩压器的几何参数就只有进口安装角尚未确定。对不同进口安装角的情况建立网格进行计算，进而分析扩压器冲角对于压气机性能的影响，确定最佳冲角。

表1 离心压气机几何参数Table 1 Geometric parameters of centrifugal compressor

1.2 网格生成和数值方法

图1给出了离心叶轮的示意图。在网格生成方面，本文对叶轮部分和扩压器部分分别生成单通道结构化网格，如图2所示，叶轮部分网格数为550 184，扩压器部分网格数为50 286。湍流模型采用S-A模型，计算格式使用中心差分，利用混合平面方法实现动静交接面的数据传递。

压气机进口给定总压101 325 Pa，总温288 K，出口根据不同工况给定背压，壁面设为绝热无滑移边界条件。

2 数值模拟结果及分析

2.1 不同扩压器进口冲角下的离心压气机性能

分别对扩压器冲角为+2°、-2°和-10°的情况建立扩压器网格进行计算，得到的压气机工况线如图3所示。从图3可以看到，冲角变化时，压气机工况线在不同流量下显示出不同的变化规律。

对于冲角绝对值较小(图中冲角为±2°)的情况，流量较大接近堵塞时，冲角对于流量和效率的影响都不大，而在未接近堵塞的情况下，冲角减小，同等流量下压比和效率均略有增加。

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当冲角不断减小，负冲角很大时，性能的变化规律与冲角变化不大时有所不同，冲角为-10°的性能曲线和冲角为-2°时的情况相比，在流量约为0.16 kg/s的工况下，曲线发生交叉，即该流量下2种冲角的性能相同；而在流量小于0.16 kg/s时，冲角为-10°对应的压比和效率均比冲角为-2°的高，且流量越小，压比和效率的差异越大；当流量大于0.16 kg/s时，冲角为-10°对应的压比和效率变得低于冲角为-2°对应的压比和效率，且流量越大，冲角-10°的性能下降越快。另外，冲角为-10°时失速提前，堵塞流量减小，工作范围明显缩小。

另外，前人的研究表明，在存在叶片扩压器的情况下，压气机流量增大时一般是叶片扩压器喉部先发生堵塞，即压气机的堵塞流量由扩压器喉部面积决定，但是，对于本文所研究的压气机，由于叶片数较少、楔形叶片的楔角选得较小、出口气流角不太大等原因，在冲角绝对值较小的情况下扩压器喉部面积较大，并没有成为压气机堵塞流量的决定因素，因此在冲角绝对值较小的情况下堵塞流量受冲角的影响并不明显，而当负冲角很大，扩压器喉部面积明显减小后，冲角变化对于堵塞流量的影响才显现出来。

评价叶片扩压器的性能除了考察其对离心压气机整体特性的影响外，静压恢复系数也是一个重要因素，扩压器的静压恢复系数表征了其通道内气体静压的升高。图4显示了不同进口冲角、不同流量下的扩压器静压恢复系数。从图4可以看到，对于进口冲角绝对值较小的情况，扩压器在非堵塞工况下的静压恢复系数均在0.65～0.7，正冲角对应的静压恢复系数要比负冲角对应的静压恢复系数大一些；而当负冲角达到-10°时，静压恢复系数明显减小。与压气机性能随扩压器进口冲角的变化规律进行比较可以发现，静压恢复系数随扩压器进口冲角的变化规律与压气机性能的变化规律恰好相反。造成这一现象的原因是，进口正冲角与负冲角相比，扩压更为充分，同时也导致总压损失较大，因此静压恢复系数高，而压气机的压比和效率差。另外，需要说明的是本文设计的几种不同安装角的扩压器其静压恢复系数在0.6～0.7，而根据文献[6]的叙述，一般大型离心压气机叶片扩压器的静压恢复系数可以达到0.70～0.78。静压恢复系数较低主要有以下几个原因：(1)微型离心压气机的扩压器叶高很小(本文所研究的扩压器叶高只有3.5 mm)，轮毂和轮缘的摩擦损失很大；(2)楔形扩压器的扩压能力与普通离心压气机常用的圆弧形或机翼形扩压器相比有差距；(3)扩压器的叶片稠度较小，造成扩张角较大，损失较大。

通过以上分析，可以得到叶片扩压器进口冲角选择的一些基本原则。

对于本文所探讨的压气机，稍有负冲角的情况下性能与工作范围均比正冲角的情况要好；负冲角很大时，工作范围明显减小，特性曲线陡峭，在小流量下性能提高，而大流量下性能迅速恶化。另外，进口为正冲角时扩压器的静压恢复系数要比负冲角时大。

因此，在选择扩压器进口冲角时并没有普适的准则，应当视情况而定。在只考虑离心压气机性能的前提下，如果对压气机变工况性能要求较高，需要压气机具有较大的工作范围和较平坦的特性曲线，则应当使扩压器进口有一个很小的负冲角；而如果不需要压气机有非常好的变工况特性，只需要压气机在设计工况下有良好的性能，则尽可以使扩压器进口有较大的负冲角以获得良好的设计工况性能。事实上，如果考虑到燃气轮机的总体性能，由于燃烧室对于进入其中的气体的流速有一定的要求，扩压器静压恢复系数小，进入燃烧室的气体的速度过大会导致燃烧效率降低，此时虽然压气机性能较高，总的循环效率可能反而降低。因此，在以燃气轮机总体性能作为考虑对象时，叶片扩压器进口冲角的选取应当是压气机性能与静压恢复系数两者权衡的结果。

而对于一般的离心压气机情况更为复杂，一种常见的情况是冲角绝对值很小时，扩压器喉部面积已经很小，这是压气机堵塞的决定性因素，稍有负冲角时压气机堵塞流量就已迅速减小，因此为了获得较宽广的工作范围，必须采用一定的正冲角。

2.2 不同扩压器进口冲角下的流动分析

下面分析进口冲角对于内部流动的影响。图5—8给出了3种扩压器在小流量工况点的流动情况，可以发现3种扩压器尾缘部分均出现了分离，且冲角为-10°情况下，尾缘分离涡位置最靠前，影响范围最大；冲角为+2°情况下，分离涡局限在叶片后的尾迹区中，叶片吸力面侧几乎没有分离。从这一点看，似乎正冲角情况下流动情况最好，损失应当最小，这与之前的分析结果(小流量情况下，扩压器冲角为-10°情况下压气机压比与效率均最高，损失最小)不符。进一步分析不同冲角下90%叶高截面上流动情况可以看到，虽然负冲角为-10°的情况下叶片尾缘在吸力面侧有较大的分离，但是在轮缘附近气流入口角很大的区域，由于叶片安装角较大，叶片前缘近轮缘处流动情况大为改善，而对于正冲角为+2°的情况，叶片前缘在轮缘附近的流动状况十分恶劣，叶片前缘损失很大。而前面已经说明，扩压器流道内的总压损失主要发生在流道的前半部分，因此，叶片前缘损失比叶片尾缘附近的损失对于性能的影响更大，因此负冲角时压气机在小流量下的压比和效率要比正冲角的情况高。而当流量增大时，由于进口气流角减小，大的叶片安装角起不到减小头缘损失的作用，反而会导致叶片在压力面侧出现很大的分离，如图7所示，叶片压力面侧有很大的涡形成，会带来很大的损失，因此效率迅速降低。

3 结论

本文对微型离心压气机的楔形叶片扩压器进行了初步设计，主要探讨了进口设计冲角对于压气机性能的影响，得出了设计叶片扩压器时选择叶片安装角的一些准则。

进口设计冲角对于本文所研究的压气机性能的影响可以归纳为以下几点：

(1) 扩压器进口负冲角很大时，在小流量的工况下压比和效率很高，在大流量工况下压比和效率迅速降低，特性曲线陡峭，工作范围变窄。

(2) 扩压器进口冲角绝对值较小时，压气机特性曲线较为平坦，工作范围宽广，冲角的较小变化对于压气机性能的影响不显著。

(3) 正冲角情况下，扩压器的静压恢复系数最高，负冲角越大，静压恢复系数越小。

在设计叶片扩压器，选择叶片安装角时，需要注意以下问题。

(1) 扩压器进口为正冲角或负冲角各有利弊，需要根据压气机工作时的不同要求(如要求设计点有较好的性能或是要求有较宽广的工作范围等)来选择合适的叶片安装角。

(2) 另外还需要考虑到为了保证燃烧器有较高的燃烧效率而带来的对静压恢复系数的要求。

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(编辑 蒋毅恒)

Design and Analysis for the Diffuser of a Micro Centrifugal Compressor

SONG Yin1， LI Xuesong2， GU Chunwei2

(1. China Datang Corporation Science and Technology Institute, Shijingshan District, Beijing 100040, China; 2. Department of Thermal Enginnering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)

Micro gas turbine is the core device of micro distributed energy system, and the vaned diffuser has significant influence on the compressor performance of micro gas turbine. The diffuser of a kW-class micro gas turbine was designed, and the numerical simulation was made on the micro compressor with vaned diffuser, especially the influence of vane incidence on the compressor performance. The results show that the pressure ratio and efficiency of compressor are very high in the case of large negative incidence at small flow rate, while the parameters drop quickly at large flow-rate condition with steep characteristic curve and narrowed working range. When the absolute value of diffuser incidence is relative small, the compressor shows a relative flat characteristic curve and wide working range. The slight variation of incidence contributes less to the performance of compressor. The static recovery coefficient is higher under positive incidence condition, and it becomes lower as the incidence decreases. The optimum incidence of vaned diffuser is not fixed and should be determined according to the specific working condition and the requirements for higher combustion efficiency.

micro gas turbine; diffuser; incidence; numerical simulation; design principle

TK47

： A

： 2096-2185(2016)03-0018-05

2016-09-12

宋 寅(1987—)，男，博士，助理研究员，研究方向为火力发电系统，songyin@cdt-kxjs.com；

李雪松(1980—)，男，博士，副研究员，研究方向为叶轮机械气动热力学及计算流体力学，xs-li@mails.tsinghua.edu.cn；

顾春伟(1963—)，男，博士，教授，研究方向为叶轮机械气动热力学，gcw@mails.tsinghua.edu.cn。