串列叶栅扩压器弦长比对离心压气机的性能影响研究

2019-10-15吴世勋赵洪雷谭春青

燃气轮机技术 2019年3期

刘磊，吴世勋，赵洪雷，谭春青

(1. 中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049)

离心压气机叶轮出口气流的动能约占叶轮加功量的30%～40%，需要合理利用这部分能量，将动能转化为压力能，以防造成大量能量损失。随着离心压气机向高效率、高负荷和宽工况范围方向发展，扩压器的作用就变得尤为重要。目前扩压器主要分为无叶扩压器和有叶扩压器。无叶扩压器工作裕度较大但扩压能力不足，常规有叶扩压器虽然在设计点附近效率高但工作裕度较低，为解决这一矛盾，串列叶栅扩压器凭借着其高效、低损失、运行范围宽的特点，得到了广大学者们的重视。

串列叶栅概念的提出最早发生在20世纪初，直到1965年，串列叶栅技术用于离心压气机径向扩压器才在USAA VLABS Technical Report中得到报道。1972年，Pampreen[1]等使用串列技术设计了三排叶片的离心压气机扩压器，并与通道型扩压器进行性能比较。结果表明：串列扩压器损失小，工作范围宽，而且在相同进出口条件下，与常用扩压器相比尺寸也更小。1982年，Seleznev[2]等通过对单列叶栅扩压器与串列叶栅扩压器进行性能比较发现，串列叶栅扩压器的效率要比单排叶片扩压器高，且第二排叶片吸力面前缘相对于第一排叶片压力面尾缘周向位置为节距的10%时，串列叶栅扩压器的效率最高。JongSik Oh[3]等通过对两种前列叶片稠度不同的串列叶栅扩压器进行数值模拟，结果表明稠度小的串列叶栅扩压器能够提供更高的压比和效率，通过对稠度相对小的扩压器进行进一步研究发现，当前后列叶片的相对周向位置为30%时，压气机能够达到最好的性能。

国内则是从20世纪七八十年代开始对串列叶栅在各方面的应用进行深入的研究。范孝铨[4-6]等对串列叶栅应用在涡轮增压离心压气机扩压器进行实验研究并对串列叶栅扩压器进行机理分析。赵晓路[7]等在低稠度串列叶栅扩压器内部流场使用无粘-边界层迭代计算和直接N-S方程计算两种方法进行了数值模拟，结果表明数值模拟能够较为准确地模拟真实流动。吴东坡[8]等通过对离心压气机半开式叶轮采用无叶和串列叶栅扩压器进行性能分析，发现高能量头系数级采用串列扩压器能够有效地改善叶轮出口流场，使得流动分布更加均匀，从而减小流动损失，提高压力恢复系数和级效率。谢蓉[9-10]等通过研究发现串列叶栅扩压器的叶型及其第一列叶片出口角均对扩压器的性能具有重要的作用。林彤[11]等通过对离心压气机内部流动进行数值分析发现，串列叶栅扩压器可以解决叶片扩压器流量范围小的问题。宋文杰[12]等根据离心叶轮出口参数设计了串列叶栅扩压器，研究表明当前后排叶栅周向相对位置为30%时，扩压器的性能达到最佳，压气机总压比和等熵效率最大，稳定工作范围也得到扩宽。周莉[13-14]等对离心压气机级串列叶栅扩压器进行研究，结果表明串列叶栅扩压器性能要优于单列叶栅扩压器，前后排叶片之间存在一个最佳的周向位置使得扩压器的损失最小。赵鹏飞[15]等对大流量系数离心压气机涡轮和不同扩压器的性能进行分析，研究表明当串列叶栅前列叶片的尾缘靠近后列叶片压力面时压气机级的性能更好，并对这种现象做出了合理解释。

国内外对离心压气机串列叶栅扩压器周向相对位置、安装角和稠度等的研究已经比较详尽，但串列叶栅的性能由多种几何参数决定，其中对与叶片表面速度分布以及附面层的发展具有重要影响的弦长比的研究则相对较少。为了探究串列叶栅弦长比对离心压气机性能的影响规律，本文采用数值模拟方法对某离心压气机楔形扩压器进行串列叶栅改造，获得一种合理的前后排叶片弦长比，使离心压气机性能得到提升，并在此基础上对串列叶栅添加小叶片，研究二者对离心压气机的性能影响。

1 串列叶栅扩压器模型

本文研究对象原型由带分流叶片的半开式离心叶轮与楔形扩压器组成。离心叶轮叶片数为15+15，扩压器叶片数为23，压气机设计转速为45 000 r/min。原叶轮和扩压器的示意图如图1、2所示。

图1 离心叶轮

图2 楔形扩压器

串列叶栅几何定义如图3所示。本文中所有串列叶栅均采用NACA65叶型。图3中标识了叶栅弦长C、栅距s，fb、rb分别表示前、后排叶片。前后排叶片相对周向位置30%，重叠度为0，弦长比F=Crb/Cfb。为了获得串列叶栅扩压器的弦长比的较优值，在保证与原楔形扩压器相同进、出口半径，且总弦长相等的前提下，取F1=0.7，F2=1.0，F3=2.0三种情况进行比较，并分别命名为Tandem1、Tandem2、Tandem3。串列叶栅的具体几何参数如表1所示。

图3 串列叶栅几何参数

串列叶栅叶片数安装角/(°)进口半径/mm弦长/mmTandem1前列2321.0240.768.6后列2344.8315.449.1Tandem2前列2321.0240.758.6后列2341.4301.759.1Tandem3前列2321.0240.739.1后列2334.7277.578.6

2 数值模拟方法简介

数值计算采用商用NUMECA软件包，控制方程采用雷诺平均Navies-Stokes方程表示，湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。空间离散采用中心差分格式，时间离散采用四阶Runge-Kutta法，并采用全多重网格法加速收敛。计算网格总数约为210万，其中离心叶轮约为110万，扩压器网格数约为100万，近壁面处第一层网格尺度为3×10-6m，对应y+值为1，经过网格无关性验证，该计算网格满足数值模拟精度要求。

为了模拟串列叶栅扩压器真实进口条件，以带串列叶栅扩压器的离心压气机级为研究对象，计算区域包括离心叶轮和串列叶栅扩压器。叶轮进口给定轴向进气，进口总压为101 325 Pa，进口总温为288.15 K，出口给定平均静压，固体壁面设置为无滑移以及绝热壁面边界条件，计算时通过调整出口背压获得压气机级性能曲线。

3 计算结果及分析

图4给出离心压气机在设计转速下，采用三种不同弦长比串列叶栅扩压器及楔形扩压器的部件特性线对比。从流量压比特性中可以看出，三种弦长比串列叶栅扩压器均明显增大压气机的通流能力，同时随着其弦长比增加，压气机喘振边界逐渐向小流量方向变化，即其工作裕度呈递增趋势。其中原压气机流量范围为2.26～2.35 kg/s，Tandem3流量范围为2.22～2.38 kg/s，离心压气机的工作裕度得到较大拓宽。另外，串列叶栅扩压器也一定程度上提升了离心压气机的最高压比，其中Tandem2相对楔形扩压器的总压比增加约1.9%。从流量效率特性中可以看出，随着串列叶栅扩压器弦长比增加，压气机效率特性线整体向上方移动，即设计转速下全流量范围效率均逐渐提升。其中Tandem1与Tandem2的最高效率均较楔形扩压器有所降低，但Tandem3最高效率相对楔形扩压器增加约1.1%。相比于楔形扩压器，采用三种串列叶栅扩压器离心压气机特性曲线更为平稳，在较大的流量范围内工作均可以保持在高效率区。

(a) 流量-压比图

(b) 流量-效率图图4 离心压气机性能曲线比较

图5、图6是采用不同结构形式扩压器离心压气机在各自最高效率点工况下扩压器的静压恢复系数和总压损失系数分布曲线对比。表2为各工况点的详细参数。

图5 静压恢复系数曲线

图6 总压损失系数曲线

扩压器流量/( kg·s-1 )等熵效率总压比楔形扩压器2.270.7723.96Tandem12.260.7613.90Tandem22.250.7684.02Tandem32.320.7803.97

其中静压恢复系数Cps_d和总压损失系数Cpt_d的定义如下：

式中:Pt_i、Pt_d分别为扩压器进口和出口的总压；Ps_i、Ps_d分别为扩压器进口和出口的静压。

从图5、图6可以看出，串列叶栅扩压器Tandem2和Tandem3的静压恢复系数和总压损失系数均较楔形扩压器得到改善。四者均有较大的端壁损失，且扩压器叶顶损失大于叶根损失。这是由于叶轮出口的气体流速高，经过较短的无叶扩压段，在进入扩压器时尚未得到充分发展，使得流体沿叶展方向发生掺混，并在叶轮出口近机匣侧形成回流区，压力损失增加所致。静压恢复系数反映了扩压器内的压力回收情况，通过对图5和图6四种情况对比，Tandem3具有最好的静压恢复和最小的总压损失。

图7给出采用楔形扩压器、Tandem1、Tandem2、Tandem3离心压气机最高效率工况点在50%叶高截面的相对马赫数分布。

(a) 楔形扩压器

(b) Tandem1

(d) Tandem3图7 不同扩压器在50%叶高截面相对马赫数分布图

从图7可以看出，在50%叶高处，楔形扩压器从叶片压力面中前部出现低速区，一直延续到压力面出口，并在叶片钝尾缘处形成小面积旋涡。Tandem1从前排叶片压力面中后部开始出现大面积回流区，堵塞了扩压器前后排叶片之间的渐缩通道，使得串列叶栅优势无法发挥。同时叶片吸力面尾部附近存在低速区，二者汇合并入主流产生较大的损失，致使扩压器扩压能力下降。Tandem2与Tandem1流场结构基本一致，但由于前排叶片变短，两处低速区面积均有一定程度减小，叶片压力面中后部低速区面积的减少减轻了前后排叶片之间渐缩通道的堵塞，大大减小了扩压器后部低速区的面积，使得离心压气机效率与压比均得到一定程度提升。Tandem3前排叶片进一步变短使得两处回流区消失，这是由于串列叶栅前后排叶片间的渐缩通道将气流加速并引至后排叶片的吸力面，吹除前排尾迹，在后排叶片前缘重新生成附面层，阻止了前排叶片附面层的继续发展。

对比Tandem1-3相对马赫数分布可以得出，前排叶片越短，前后排叶片之间的渐缩通道所提供的加速效果对前排叶片附面层发展的阻隔作用越明显。由于径向扩压器损失主要集中在前半段，所以降低前排叶片的扩压损失会对离心压气机性能更有益，但与此同时，后排叶片弦长增加随之会带来后排叶片的流动损失问题。Tandem3性能相比于其他两种情况效果更好，但后排叶片尾部仍存在分离现象，为增强后排叶片的抗分离能力，尝试在后排叶片前缘附近添加小叶片。

4 串列叶栅优化分析

图8为添加小叶片的串列叶栅示意图。小叶片同样采用NACA65叶型。

图8 Tandem3后列分别加小叶片示意图

在串列叶栅扩压器Tandem3后排前缘附近添加小叶片的前提下，为了考察小叶片弦长对串列叶栅扩压器性能的影响，分别对小叶片弦长占串列叶栅扩压器总弦长C的7%、10%、20%三种情况下的离心压气机进行数值模拟。将小叶片弦长占总弦长7%、10%和20%依次记为Tandem4、Tandem5和Tandem6。

(a) 流量-压比图

(b) 流量-效率图图9 Tandem3-6性能曲线

图9给出离心压气机在设计转速下，Tandem3～6部件特性线对比。从图中可以看出，添加小叶片后，离心压气机的堵塞流量和压比均得到不同程度提升，且小叶片弦长越小，压比提升越大，但离心压气机效率有一定程度的下降。其中Tandem5与Tandem3效率与工作裕度基本相当，但压比有所提高。Tandem4效率下降明显，但压比得到较大提高，工作裕度也有所提升。这表明添加合适弦长的小叶片可以在基本不降低离心压气机效率与工作裕度的同时提高总压比，同时拓宽其最大通流能力。