预旋整流栅对90°弯管流动均匀性及离心压缩机性能影响的试验研究

卢傅安 孙玉莹 李 云 伊洪丽 周 慧 孙 博

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

预旋整流栅对90°弯管流动均匀性及离心压缩机性能影响的试验研究

卢傅安 孙玉莹 李 云 伊洪丽 周 慧 孙 博

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

本文在离心压缩机进口前加旋绕式整流栅，通过PIV可视化试验，研究预旋整流栅对90°弯管出口流道及离心压缩机性能影响。结果表明：在90°弯管前安装旋绕式整流栅能有效改善弯管后流动的均匀性。当离心压缩机运行在较小马赫数下，安装整流栅时，离心压缩机效率基本保持不变或者略有降低。当离心压缩机运行在较大马赫数下，安装有右旋整流栅时，离心压缩机的效率得到提高；安装左旋整流栅时，离心压缩机效率略有提高同时和压比得到较大幅度的提高。

离心压缩机；90°弯管；整流栅；性能；流动均匀性

0 引言

90°弯管广泛应用于透平机械的各种机组中，90°弯管内部的流动和直管中的流动现象大不相同，大量的学者对90°弯管内部的流动进行了研究。Humphrey[1]采用laser-Doppler热线风速仪对90°矩形截面弯管内部的流动进行测量。尚虹等人[2]采用CTA热线风速仪和五孔探针对90°圆截面弯管内三维紊流场进行了实验研究。发现弯管内的能量损失主要发生在弯管内侧壁附近。谢龙等人[3]对90°圆形弯管内部流场进行PIV测量及POD分析发现，消除或减弱外侧壁面附近的大尺度涡结构将有利于流体输运平稳性能在整体上的提高。江山等人[4]采用RNG k-ε湍流模型对90°弯管内流动进行了数值模拟，并将数值模拟结果与相关文献实验结果进行对比，结果表明RNG k-ε湍流模型对具有二次流的湍流流动具有较好的模拟，计算结果与实验结果吻合较好。樊洪明[5]等对方形截面弯管进行了数值模拟，重点考察二次流的变化，流体流经弯道时，贴附壁面形成2个对称的涡流区。丁珏等[6]同样采用RNG k-ε湍流模型对90°弯管内流动进行了数值模拟并研究了来流方向对90°弯管内流场结构和流动特性的影响。发现来流攻角逐渐增大时，90°弯管横截面的二次流从两个对称主涡变成只有一个主涡。温良英[7]等对弯管内流体流动进行了模拟计算研究，发现弯管截面内压力分布不均匀，压力与离心力相互平衡，与速度相关联。李杰等人[8]采用数值模拟和试验测试的方法研究了弯管内部的流动的非均匀性，发现弯管内部的速度分布不均匀。他们采用了一种整流装置改善了弯管后的流动。

目前，离心压缩机的设计方法主要有效率法、流道法和模化法三种。世界上主流的压缩机厂商均采用模化法进行设计。模化法的基础是高效率的模型级。一般来说模型级的设计和试验均假设模型级进气流动是均匀的。而许多的离心压缩机组由于受安装空间的限制，进气管道一般包含1个、2个甚至多个90°弯头。气体流过这些弯头时容易产生流动分离。而流动的分离通常会引起管道的振动，使得管路系统产生很大的噪声。同时流动的分离还引起弯头下游及离心压缩机叶轮进口处气体流动的不均匀。进而严重影响了离心压缩机的运行状态及性能。

为了改善气体经过弯头后的不均匀流动，避免流体在弯头内转向过程中出现流动分离等非定常流动现象，通常需要一定的整流装置对流场进行梳理。相对于安装于弯道内的导叶叶栅，安装在弯道前的整流栅，其加工和安装更为容易，因此其也是离心压缩机、鼓风机等风机类产品进口前常用的整流装置[9]。

本文在离心压缩机进口前加旋绕式整流栅，通过可视化试验研究旋绕式整流栅对90°弯头出口流道及离心压缩机性能的影响。

1 弯头整流栅的试验研究

本文选取内径为316mm的90°弯头作为研究对象。整流栅的主要几何尺寸及安装参数如表1所示。

表1 弯头整流栅的主要几何尺寸及安装参数表Table 1 Main geometric and mounting parameters of elbow fence

为了考虑整流栅的预旋方向对离心压缩机性能的影响，设计了左、右两种旋向的整流栅。其中左旋整流栅为叶片沿着进气方向向左边扭曲，右旋则是整流栅叶片沿着进气方向向右侧扭曲。加工后的整流栅如图1和图2所示。

图1 左旋整流栅图Fig.1 Left preswirl fence

图2 右旋整流栅图Fig.2 Right preswirl fence

1.1 整流栅对弯头后管道对称截面流动均匀性的影响

为了研究整流栅对管道内部流动均匀性的影响，对在有弯头整流栅和无弯头整流栅两种情况下，流体经过弯头后的管道对称面的流动进行测量。本次流动测量采用粒子成像测速仪(PIV)。试验现场照片如图3～5所示。PIV试验选用的示踪粒子为雾化油滴颗粒(硅树脂油)，该粒子质量轻，具有较佳的流场跟随性，是常规空气流场速度测量中推荐使用的示踪粒子之一[10],因此本PIV试验测试精度较高。

图3 集流器进口喷油图Fig.3 Oil jetting into the inlet of collecting facility

图4 有机玻璃管安装位置图Fig.4 The location of PMMA tube

图5 粒子成像测速（PIV）系统现场布置图Fig.5 Site layout of PIV

由于本试验采用PIV的最大测量范围约为10mm× 10mm。试验的流场具有较强的非定常特性，因而不能通过不同部位测量结果的直接叠加来获得弯头后整片区域的流动分布。本试验管道的内径为316mm，为了使得测量区域超过半个管道内径，本试验测试了两个截面的速度分布。本试验测量的两个截面位置及大小如图6和图7所示。截面1的坐标系定义如图7左边坐标系所示。截面2的坐标系定义如图7右边坐标系所示。

图6 试验装置及测量位置示意图Fig.6 Sketch of test facility and measuring location

图7 测试位置及坐标系位置图Fig.7 Location of measurement and coordinate system

1.2 整流栅对弯头后管道对称截面流动均匀性的影响的结果及分析

图8～11是离心压缩机进口接左旋整流栅时，进口管道流速为15m/s时某时刻的流场测试结果。图8和图10可以看出各管道流速为15m/s下，无整流栅时，截面1和截面2处的流动具有较强的非定常性。而加左旋整流栅后，截面1和截面2处的流动不管是大小还是方向均变得较为均匀。由于离心压缩机进口接右旋整流栅时，结论一致，这里不一一列出。

由于有无整流栅时，截面1和截面2具有类似的结论。为了简化篇幅，图12～17只列出其它进口管道流速下有无整流栅时截面1上某一时刻的速度分布。从图12～17可以看出，在其它流速下，整流栅同样可以使得弯头后面的流动更加均匀。

图8 无整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为15m/s）Fig.8 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

图9 有整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为15m/s）Fig.9 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

图10 无整流栅时，截面2上某时刻的速度分布图（管道流速为15m/s）Fig.10 Velocity distributions at section 2 without fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

图11 有整流栅时，截面2上某时刻的速度分布图（管道流速为15m/s）Fig.11 Velocity distributions at section 2 with fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

图12 无整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为20m/s）Fig.12 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 20 m/s）

图13 有整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为20m/s）Fig.13 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 20m/s)

图14 无整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为25m/s）Fig.14 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 25 m/s)

图15 有整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为25m/s）Fig.15 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 25 m/s）

图16 无整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为30m/s）Fig.16 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 30 m/s）

图17 有整流栅时，截面1上某时刻的速度分布图（管道流速为30m/s）Fig.17 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 30 m/s）

1.3 整流栅对离心压缩机级性能的影响

为了评价整流栅对离心压缩机级性能的影响，对加整流栅前后的离心压缩机性能也进行了测试，弯头出口距离叶轮进口距离为389mm，约为1.1倍管道外径。试验结果如图18～20所示。本文的效率均除以对应马赫数下的最高效率。

图18 效率随流量变化曲线图Fig.18 Efficiency versus flow coefficient

图19 能头随流量变化曲线图Fig.19 Head as a function of flow coefficient

图20 压比随流量变化曲线图Fig.20 Pressure ratio as a function of flow coefficient

从图18～图20可以看出，当机器马赫数为0.65时，安装左旋整流栅时，压缩机效率基本保持不变，而安装有右旋整流栅时，压缩机效率略有小幅下降，而其能头和压比却比无整流栅时有所提高。当机器马赫数为0.85时，当流量系数小于0.06，即对应的管道流速小于35m/s时，安装有左旋整流栅比没有安装整流栅的效率略有提高，高效点大约提高6‰，小流量时效率提高超过1%。当管道流速大于35m/s时，安装有右旋整流栅比没有安装整流栅的效率略有提高。与没有安装整流栅时相比，离心压缩机整机的能头提高1%～4%，压比约提高1%。

总的来说，在较小马赫数，整流栅使得离心压缩机性能基本保持不变或者说略有降低。出现这种情况主要有两个原因：一方面，机器马赫数较小时，叶轮的总压升较小，此时，整流栅增加的总压损失对离心压缩机整机效率影响较大。另一方面，机器马赫数较小时，整流栅产生的预旋对叶轮进口气流角的影响较大，导致叶轮进口存在较大的正冲角或负冲角，这将较大程度的降低离心压缩机的效率。而当机器马赫数较大时，这两方面的负面影响将减小。因而在较高马赫数下，右旋整流栅能提高压缩机的性能，而左旋整流栅能在压缩机性能略有提高的前提下，较大幅度的提高离心压缩机的能头和压比。

2 结论

本文研究旋绕式整流栅对90°弯管流动均匀性及离心压缩机性能的影响。结论如下：

1）90°弯管前安装旋绕式整流栅能有效改善弯管后流动的均匀性。

2）在较小机器马赫数时，整流栅使得该离心压缩机性能基本保持不变或者说略有降低。

3）在较高机器马赫数下，右旋整流栅能提高该压缩机的性能，而左旋整流栅能在该压缩机性能略有提高的前提下，较大幅度的提高该离心压缩机的能头和压比。

[1]Humphrey J A C.Turbulent flow in a square duct with st rongcurvature[J].Fluid Mechanics,1981,103:443-463.

[2]尚虹，王尚锦，席光，等.90°圆截面弯管内三维紊流场试验研究[J].航空动力学报，1994，9(3)：263-266.

[3]谢龙，靳思宇，王玉璋，等.阀体后90°圆形弯管内部流场PIV测量及POD分析[J].实验流体力学，2012,26（3）：21-25.

[4]江山，张京伟，吴崇健，等.基于FLUENT的90°圆形弯管内部流场分析[J].中国舰船研究，2008，3(1)：37-41.

[5]樊洪明，李先庭，何钟怡，等.方形截面弯管二次流数值模拟[J].热能动力工程，2002，17(5)：510-513.

[6]丁珏，翁培奋.90°弯管内流动的理论模型及流动特性的数值研究[J].计算力学学报，2004，21(3)：314-321.

[7]温良英，张正荣.弯管内流体流动的模拟计算与试验研究[J].计量学报，2005，26(1)：53-56.

[8]李杰，郝鹏飞，张锡文，等.弯管流动的非均匀性及其整流[J].机械工程学报，2002，38(12)：146-148.

[9]梁高林，刘振全，杜彦蓉，等.入口管段增设整流栅对高炉鼓风机性能的优化[J].流体机械，2013，41(12)：57-59,9.

[10]万立国，任庆凯，田曦，等.PIV技术及其在两相流测量中的应用[J].环境科学与技术，2010，33(12F):463-467.

Experimental Study of the Influence of a Preswirl Fence on the 90°Elbow Flow Uniformity and the Centrifugal Compressor Performance

Fu-an Lu Yu-ying Sun Yun LiHong-li YiHui Zhou Bo Sun
（Shenyang Blower Works Group Corporation）

In this paper,PIV visualization experiments are performed in which a preswirl fence is mounted upstream of the inlet of a compressor to determine the influence of the preswirl fence on the 90°elbow flow uniformity and the centrifugal compressor performance.The results show that if the preswirl fence is installed in front of the 90°elbow it can effectively improve the uniformity of the flow downstream of the elbow.When the centrifugal compressor is operated at low Mach number based on the rotor tip speed,its efficiency remains unchanged or decreases slightly when either a left or right preswirl fence is installed.When the centrifugal compressor runs at high Mach number,its efficiency increases when the right preswirl fence is installed,and its efficiency slightly increases with a substantial increase in head and pressure ratio when a left preswirl fence is installed.

centrifugal compressor;90°elbow;fence;performance;flow uniformity

TH452；TK05

：1006-8155-(2017)01-0065-07

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0008

2016-06-25 辽宁 沈阳 110869