离心式压缩机吸气室设计改进*

王丽丹 谭佳健 高阳 李艳伟/沈阳鼓风机集团股份有限公司

离心式压缩机吸气室设计改进*

王丽丹 谭佳健 高阳 李艳伟/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

离心式压缩机作为重要的旋转流体机械，广泛应用于化工、航天、能源、冶金等诸多领域。吸气室是离心式压缩机的重要静止元件之一，其结构的合理性直接影响压缩机的整体性能[1-2]。随着科学技术的发展，对于压缩机模型级的研究已日趋成熟，目前，高效模型级的级多变效率已接近90％，想进一步大幅提升效率并保证合理的稳定工况范围，困难较大。因此，对于离心式压缩机吸气室、排气室等定子部件的研究已经逐渐引起研究人员的重视。

Flathers[3-4]最早采用三孔探针对某管线离心压缩机吸气室出口截面的流动进行试验测量；谭佳健[5]、韩凤翚[6]在沈鼓-西安交大实验室，对一台离心压缩机的吸气室内部流场进行了试验测量和数值研究，使用五孔探针测量吸气室法兰进口截面、进气通道出口截面、螺旋通道出口截面以及吸气室出口截面上的详细流场情况，并结合CFD数值计算结果，分析吸气室对压缩机级性能的影响。

Michelassi[7]与Pazzi[8]以一个等截面带凸缘的径向吸气室的四分之一缩放模型作为研究对象进行了数值计算；冀春俊[9]为了削弱吸气室内风筒对面的旋涡，对风筒对面的收敛筋板形状进行研究；陈宗华[10]以极大化级的等熵效率为优化设计的目标函数，以几何结构与流量和总压比不小于初始值的性能指标作为约束条件，对吸气室收敛段的子午型线进行优化；Yagi[11]通过DOE试验，确定对吸气室压力损失和周向不均匀性影响最大的关键设计参数，即3个关键截面面积之比，并通过优化面积比值，来优化吸气室结构。

本文使用CFD分析软件NUMECA，分析了某离心式压缩机径向吸气室内的流场，认为吸气室进气通道与螺旋通道交界处附近的结构是影响吸气室性能的重要因素，改进此处结构，提高了吸气室性能。

1 研究对象

图1（a）为吸气室实体模型，仅包含单独的吸气室，用于计算吸气室出口截面气流方向角，评估吸气室周向流场均匀性。为了使计算过程有较好的收敛性，吸气室出口被延长。图1（b）为轴向进气模型，即从首级叶轮进口至扩压器出口，采用单通道模式。图1（c）为径向进气模型，即从风筒法兰进口至扩压器出口，其中叶轮部分采用全通道模式，扩压器、弯道和回流器部分采用单通道模式。

图1 实体模型图

图2为在设计流量下，单吸气室模型的径向截面流线。在进气通道与螺旋通道交界处，流道截面突然扩张，流体介质由于惯性作用，无法马上贴合壁面流动，发生分离，产生旋涡。这样产生三个后果：第一，由于旋涡的存在，主流流道的通流面积小流速大，导致损失大，第二，旋涡造成螺旋通道内流体切向速度分量较大，周向流场均匀性受到影响；第三，旋涡的存在，消耗一部分机械能，造成局部损失[12]。

图2 原设计模型的径向截面流线图

2 改进方案

分析单吸气室模型的计算结果，认为进气通道与螺旋通道交界处的流道突扩是造成吸气室内流场不均匀的主要因素。为了减小此处的流道突扩程度，本文将吸气室风筒由直筒形式改为渐扩形式，有效地增大了此处的通流面积，以减小流速。为了分析通流面积对径向进气效率下降的影响，如图3所示，本文比较了A，B两种不同程度的渐扩过渡结构。

对于一些压力较高的垂直剖分的筒型压缩机，因结构强度或加工方式的限制，可能无法在内机壳上开较大焊口，或不易加工成渐扩风筒。为了改善吸气室内的流场情况，本文在吸气室的内机壳开口处，通过倒大圆角圆滑过渡，即C结构。

图3 改进方案模型图

3 网格模型和计算方法

本文使用NUMECATM/IGG和AutoGrid5划分网格，使用NUMECA FINETM/Turbo求解。求解时采用时间推进法求解时均N-S方程，选取Spalart-Allmaras湍流模型，采用二阶中心差分格式，多重网格加速迭代。

吸气室部分使用IGG划分网格，网格总数约240万，叶轮至回流器部分使用AutoGrid5划分网格，单通道轴向进气模型网格总数约100万，全通道约900万，所有壁面网格加密，第一层壁面网格宽度设置为0.01mm，可以满足Spalart-Allmaras湍流模型对Y+＜10的要求。

工质为混合气体，本文采用LKZX方程计算混合气体的物性[13]，用理想混合气体作为计算介质。流场进口给定总压和总温，流场出口给定设计点的质量流量，旋转壁面给定转数，静止壁面给定绝热无滑移边界条件，计算时忽略轮阻损失以及密封的影响。

4 计算结果分析

4.1 吸气室损失

径向进气吸气室引起的损失主要源于两个方面，一是吸气室本身的总压损失，二是因吸气室出口流场的不均匀性对下游叶轮造成影响，导致级效率下降。

吸气室内的总压损失，一般认为近似与流体动能成正比[14]：

其中，Δptot为吸气室内总压损失；p1_tot为吸气室风筒法兰处的总压；p1_st为法兰处的静压；p2_tot为吸气室出口处的总压；ρ为流体密度；V1为法兰处速度；ξ定义为吸气室总压损失系数，即一般情况下，ξ只与吸气室结构相关，与压缩机运行工况无关。由式（1）可见，Δptot与v1的平方成正比。

吸气室出口流场的均匀性可由出口截面的气流方向角θ表征，θ代表流体偏离轴向进气的程度：

其中，vθ为切向速度；vm为子午速度；vr为径向速度；，vZ为轴向速度。理论上，理想的轴向进气，θ=0°，θ值越大，表示流场均匀性越差。

4.2 结果对比分析

图4为单吸气室模型的径向截面流线。原始模型在吸气室内出现两对旋涡，一对是在进气通道与螺旋通道交界处附近，由于流道突扩，且流速较快，流体不能继续贴合壁面流动，发生分离，而产生旋涡。另一对是在与风筒对面的分流筋板附近出现旋涡。随着风筒渐扩程度的增大（见图4），过渡处的有效通流面积增大，主流流速随之降低；而且进气通道与螺旋通道交界处的圆滑过渡，有利于将风筒内左右两侧的流体介质平滑地导流至螺旋通道内；这样不仅可以降低流速，减小旋涡造成的总压损失，而且改善了吸气室内周向流场的均匀性。

图4 单吸气室模型的径向截面流线图

图4表明，当风筒渐扩至A模型程度时，风筒对面的旋涡基本消除，交界处的旋涡范围减小，当风筒渐扩到B模型和C模型程度时，两对旋涡都基本消除。B模型主流流速降低了51％，C模型降低了31％，且吸气室出口处切向速度分量明显减小。

图5为单吸气室模型吸气室出口截面的气流方向角θ分布。原始模型出口截面θ值较大，即流体切向速度分量较大，其中θ＜20°的区域仅占整个出口区域面积的46％，局部区域θ＞55°，此模型偏离轴向进气状态最严重。风筒渐扩至B模型，θ＜20°的区域已超过整个出口区域面积的99％，C模型占整个出口区域面积的87％。

图5 单吸气室模型吸气室出口截面的气流方向角θ图

图6为单吸气室模型吸气室出口截面的总压p2_tot分布。对比4种模型：原始模型出口截面的总压分布最不均匀，截面内总压压差占总压均值的2.7％，风筒渐扩至B模型，该值降为1.2％，C模型该值为1.7％。图5和图6表明，将进气通道与螺旋通道交界处改为渐扩式过渡和圆角过渡，可以有效降低吸气室出口的流体切向速度分量，提高周向流场均匀性。

图6 单吸气室模型吸气室出口截面的总压p2_tot图

图7为叶轮内相对速度矢量（50％叶高截面），由图可见，随着风筒渐扩程度的增大，叶轮内各流道间的速度场变得更加均匀。

图7 叶轮内相对速度矢量图

表1为CFD数值计算结果，其中级多变效率和级压比值均以轴向进气为参考、总压损失系数以原模型为参考，进行归一化处理。表1中数据显示，随着风筒渐扩程度的增加，总压损失系数大幅减小，级多变效率提高，级压比提高。与原设计模型相比，B模型、C模型的级多变效率分别提高5.6％和4.1％，压比已与轴向进气近似，优化效果明显。

表1 CFD数值计算结果表

5 结论

本文对某离心式压缩机吸气室内的流场进行了研究，认为吸气室进气通道与螺旋通道交界处的结构对吸气室内的流场有较大影响，并最终将影响压缩机的整机性能。结论如下：

1）原吸气室模型，在进气通道与螺旋通道交界处，流道截面突然扩张，导致在吸气室左右两侧产生旋涡，使过渡处有效通流面积减小，主流流速较高，总压损失较大，且吸气室出口处流体介质预旋较大，周向流场均匀性不佳，与轴向进气模型相比级效率、压比有较大下降。

2）风筒改为渐扩形式后，吸气室内旋涡基本消除，过渡处有效通流面积大幅增加，主流流速降低，吸气室内总压损失、出口截面气流方向角、周向流场均匀性都有明显改善，压缩机级性能有较大提高。

3）对于一些结构受限的压缩机，将机壳过渡处加工成大圆角，有利于引导气流平稳进入吸气室，抑制旋涡产生，过渡处有效通流面积有所增加，吸气室内流场优于原吸气室模型，略逊于风筒渐扩模型，压缩机级性能比原吸气室模型有所提高。

[1]董帆,于跃平,朱晓农.径向进气室对离心压缩机气动特性影响的研究[J].流体机械,2012（11）:22-27.

[2]谭佳健，王学军，刘军，等.离心压缩机径向吸气室研究综述[J].风机技术，2014（4）:63-70.

[3]Flathers M B,Bache G E,Rainsberger R.An Experimental and Computational Investigation of Flow in a Radial Inlet of an Industrial Pipeline Centrifugal Compressor[C].Proceedings of ASME 1994 InternationalGas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition，1994:1-17.

[4]Flathers M B,Bache G E,Rainsberger R.An Experimental and Computational Investigation of Flow in a Radial Inlet of an Industrial Pipeline Centrifugal Compressor[J].ASME Journal of Turbomachinery,1996,118（2）:371-384.

[5]谭佳健.离心压缩机可调进口导叶调节性能的改进及预测方法研究[D].西安:西安交通大学,2012.

[6]Fenghui H,Datong Q,Jiajian T,et al.Experimental and Numerical Investigation of the Flow Field in the Radial Inletofa Centrifugal Compressor[C].Proceedings of ASME Turbo Expo 2012:Power for Land,Seaand Air，2012:831-845.

[7]MichelassiV,GiachiM.Experimentaland Numerical Analysisof Compressor Inlet Volutes[C].Proceedings of ASME 1997 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition,1997:1-11.

[8]Pazzi S,Michelassi V.Analysis and Design Outlines of Centrifugal Compressor Inlet Volutes[C].Proceedings of ASME Turbo Expo2000:Power for Land,Seaand Air,2000:1-8.

[9]冀春俊,高健,冀文慧,等.压缩机进气室优化设计改进[J].风机技术,2014（6）:39-43.

[10]陈宗华,谷传纲,舒信伟.基于CFD技术的离心压缩机径向进气室结构形状优化设计[J].机械工程学报,2010,46（14）: 124-129.

[11]Yagi M,Shibata T,Nishida H,et al.Optimizing a Suction Channel to Improve Performance of a Centrifugal Compressor stage[C].Proceedings of ASME Turbo Expo 2010:Power for Land,Seaand Air，2010:2007-2017.

[12]赵汉中.工程流体力学[M].武汉:华中科技大学出版社, 2011.

[13]Xu Z.A Reduced Vapor Pressure Eduation Based on the Theorem of Corresponding States[J].Chemical Engineering Communications,1985,33:107-123.

[14]徐忠.离心式压缩机原理（修订本）[M].北京:机械工业出版社,1990.

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吸气室是离心式压缩机的重要静止元件之一，其结构对压缩机整机性能有较大影响。本文基于数值计算的方法，对一台离心式压缩机吸气室内的流场进行分析，认为其进气通道与螺旋通道交界处的结构是引起压缩机级效率下降的主要原因之一，并对该处结构进行改进。将吸气室风筒由直筒形式改为渐扩形式，并对比分析了不同渐扩结构模型的流场。结果表明，改进后吸气室内的流场明显改善，吸气室出口截面流场均匀性提高，总压损失系数降低，吸气室后级多变效率提高5.6％。

离心压缩机；吸气室；设计改进；数值模拟

Im proved Design of Centrifugal Com pressor InletVolute

Wang Li-dan,Tan Jia-jian,Gao Yang，Li Yan-wei/Shenyang Blower Works Group Co.,Ltd.

Abstract：Inlet volute as one of the static components,plays an important role in centrifugal compressor,because its structure affects the compressor's performance.Using CFD numericalanalysis,the flow field in an inlet volute was analyzed.The flow field showed the junction structure between the inlet channeland the spiral channelwas an important facts which caused the compressor's stage efficiency decrease.Based on the flow field,the junction design was improved.The air duct of inlet volute is changed into diverging structure from cylindrical；comparison and analysis of the flow fields to two different diverging structures.The results show improvements in the section flow field as uniformity of volute outlet is improved，and the total pressure loss coefficient decreases. Compared with the originalmodel,the flow field is improved,and the polytropic efficiencyofvolute increasesby5.6％.

centrifugal compressor;inlet volute;design improvement;numerical simulation

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）03-0017-05

10.16492/j.fjjs.2016.03.0164

*国家资助项目：国家973计划（课题名称：多干扰复杂工况下压缩机系统的非稳定边界条件及性能变化规律课题编号：2012CB026001）

2015-12-12辽宁沈阳110869