离心式空气压缩机内流动特性研究

李金水

（武汉长利玻璃有限责任公司，湖北 武汉 430065）

离心式空气压缩机具有诸多优点而被广泛的应用于航天、冶金和化工等机械设备中。利用CFD法对离心式空气压缩机内部结构建立计算模型，对其进行主要部件和整级进行流动特性数值模拟，分析离心空压机流道内部的叶轮、扩压器和弯道的流动特性及其整级流动特性。如何提高离心式空气压缩机的工作效率、降低能耗和扩大工况使用范围成为研究的重心。近年来，将数值模拟与CFD技术相结合共同研究离心式空气压缩机内流动特性成为一种行之有效的方法。为改善离心式空气压缩机效率和适用范围，对其内流动特性需要更深入的研究有着重要的意义。高峰等人使用湍流数值模拟模型分析了离心叶轮内部流动特性；李学臣等人研究了叶轮气动设计参数的规律；马新民等人研究了不同速度系数下离心机整机流道内部的流动情况。本文综合影响流动的因素，建立物理模型，设定初始条件及参数，利用多重网格技术，将物理模型网格化，对离心式空气压缩机内部的叶轮、扩压器、弯道和整机的流动特性进行分析，得到可靠数据。

1 网格化数值模拟

（1）离心式空气压缩机的网格建立。在多级离心空气压缩机中随机选取一个中间级建立模型，采用CFD的方法对流体流动进行数值模拟，其内部叶轮选取叶片数为 16 的三维扭叶片，出口直径D2=420mm；扩压器进口直径设置为D3=460mm，无叶扩压器出口直径D4=615mm；回流器为叶片数22的二维香蕉形叶片，回流器扩张角为9°，进口直径D5=620mm。其子午流道结构如图1所示。在导入叶轮和扩压器部分轮廓线数据建立几何模型，使用允许流道上、下游可以建立不同网格的拓扑结构的 H/G/C/L 网格形式来建立内部网格化拓扑结构。上下游分别采用 J 形网格和 H 形网格，在叶片附件采用叶片附件采用 O 形网格。O形网格具有连续环形结构化网格的优点，它适用于流体流动复杂、流体分离严重和环境参数变化剧烈的环境中，这种结构可以提高模型边界层的网格质量。回流器部件采用圆弧过渡的叶片，叶片附件采取 O 形网格划分，上、下游均采取 H 形网格划分。扩压器出口作为整级模型的分界面，建立整级计算模型。

图1 子午流道示意图及其部件拓扑结构

（2）离心式空气压缩机的边界条件和基本参数。在模型计算前，需要对模型的边界条件进行设置和基本参数的配置，为准确研究整级压缩机性能做好准备。总体边界条件使用静子转子交界面原则，两侧为周期性边界条件，将模型的盘侧、盖侧、叶片部分分为固壁边界条件，按照建立模型的思想以及网格划分的具体情况，转动部分为具有叶轮主体部件（叶轮、扩压器），其余部件都设置为静止部分。基本参数配置：入口条件为总压入口，其数值为99kPa，出口条件为静压出口，以空气为流体，叶轮的转速为 15236r/min，入口总温为 293 K，参考压力为 0 Pa，机器马赫数 为 0.83，采用 k-ε湍流模型分析绝热无滑移的固体壁面的稳态气流。

2 内流动特性分析

对离心式压缩机内流动特性分析研究包括叶轮、扩压器和弯道等内部部件流动速度矢量图分析和离心压缩机整级速度矢量图和静压值的分析。

（1）叶轮和扩压器流动特性分析。离心叶轮受动静元件、进口条件和曲率等因素的影响，容易使叶片应力更集中，产生阻塞和喘振现象，严重时可以导致整机结构破坏，故叶轮结构的优劣直接影响整体性能。通过图2的叶轮中间面速度矢量图可以看出，叶片的前缘速度最大，尾缘处形成一个小范围的分离流动和叶轮中间面的吸力面速度大于叶轮压力面。在叶片尾缘建模采用的是弯曲长方形而非圆弧形的平滑过渡，故对流畅扰动忽略不计，而叶片前缘对流体会产生影响，但叶轮对离心压缩机整体效率的影响较弱。通过扩压器中间面速度矢量图可以发现，无叶扩压器结构简单，其内部流速平稳且无剧烈变化，流场整体比较平稳。

图2 叶轮中间径向面（左）和扩压器中间面（右）速度矢量图

（2）弯道流动特性分析。弯道具有引导气体流变向进入下一级部件的作用，作为离心压缩机的一个重要部件，其流动特性比较复杂，分析其流动特性对分析离心压缩机整级性能有重要的意义。图 3 为弯道速度矢量图，可以发现弯道内侧流速变化剧烈呈现明显不均的现象，相对而言外侧则稳定许多。弯道中间面流动特性呈现较稳定状态，造成这种现象是因为气体在弯道内改变方向时内侧遇到阻力最大，速度降低较多，而外侧则影响相对较小。

图3 弯道内侧（左）、中间面（中）和外侧（右）的速度矢量图

（3）离心压缩机整级流动特性分析。图 4 为仿真模型子午静压等值线图，从中可以分析其整级流动特性，并对比内部部件的流动特性。从静压等值线中可以看出，在随着气体流动方向离心压缩机整级静压面快速增加，其在叶轮处的等值线较为密集，可以判定叶片前缘点局部速度较大，其中间层流场稳定，而盖侧比较混乱。扩压器内静压变化均匀，各个侧面基本一致，流场比较稳定。在弯道的盖侧有一高压区，这是因为弯道结构需要达到改变流体方向的目的，改变方向必然会导致速度降低和此处压力升高。

图4 仿真模型子午面静压等值线图

从仿真模型子午面速度矢量中可以观察到，回流器流场变化较为复杂，叶轮外侧与扩压器界面处速度变化剧烈，盖侧和盘侧流体流动较为混乱，弯道内流场则较为稳定。获得的整级内流动矢量图特性分析与前部分的叶轮中间面速度矢量分析、扩压器速度矢量分析和弯道速度矢量分析结果一致，说明设计网格化计算中将整级分为两个部分进行模拟是正确的方案，最终获得的整级结果理想。

3 结语

采用CFD的方法对离心式空气压缩机内部流体流动建立物理计算模型，设置相应影响参数，进行数值模拟。叶轮流动特性分析表明，叶片的前缘速度最大，尾缘处形成一个小范围的分离流动和叶轮中间面的吸力面速度大于叶轮压力面。扩压器流动特性分析发现，无叶扩压器的压力平稳升高，内部流场没有剧烈变化。无叶扩压器结构简单，对流场影响较小。弯道流动特性分析发现，弯道部分流动整体上比较稳定。其中外侧均比内侧稳定，中间面为流体流动平稳区域。对离心式空气压缩机整级流动特性分析发现，回流器内流场变化较剧烈，弯道和扩压器内流场则较为稳定，在叶轮内部和扩压器交界面处速度较高。