离心压气机进口无叶段长度及范围研究

倪钰鑫，张晓瑜，陈杰

(南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)

0 引言

高性能的离心压气机性能同时受离心叶轮和叶片扩压器影响，其在流动过程中产生的损失有30%来自于扩压器。

针对叶片扩压器国内外已经展开了较多研究。党政[1]分析得出叶片几何角对扩压器性能和压气机整级工况范围都有明显影响。KIM[2]发现厚度分布对叶片性能也存在影响。夏树丹[3]发现串列叶栅扩压器性能优于单圆弧和楔形扩压器。初雷哲[4-5]则对扩压器叶片倾角、叶片数、分流叶片周向位置等对扩压器性能的影响展开了研究。

在离心叶轮与叶片扩压器两叶片部件之间存在径向间隙，为无叶扩压段。该段的流动对叶片扩压器内流场特征会产生较大影响，但目前该位置的研究仍然较少。ANISH[6]得出不同流量下不同长度的扩压段有不同影响。但其采用的是整级数值研究方法，扩压器性能受离心叶轮干扰。本文使用单扩压器部件，通过不同无叶扩压段长度的扩压器模拟得出无叶段影响叶轮性能的因素，并提出适用于叶片扩压器性能的无叶段长度范围。

1 计算方法

本文采用商用CFD计算软件NUMECA进行数值计算,湍流模型选择 S-A方程模型。

有叶扩压器计算网格为H-O-H型结构化网格，网格点数为61×104，扩压器计算域结构如图1所示，扩压器宽度15mm。无叶扩压段计算域单通道如图2所示，网格约为55×104，进口半径为131mm，出口为171mm。

计算域进口给定总压101325Pa、总温288K和进口气流角68°，对出口给定不同平均静压值调节进口流量。

图1 有叶扩压器计算域结构

图2 无叶扩压段计算域结构

2 结果与分析

2.1 进口扩压段长度对叶片扩压器流场的影响

选取进口扩压段长度分别为8mm、15mm和30mm3种计算方案进行分析，分别标记为方案A、方案B和方案C，各计算方案中扩压器叶片段及出口扩压段保持相同。

扩压器性能特性如图3所示，分别为3种方案叶片通道的总压恢复系数随进口马赫数变化的特性曲线，其中Ma指扩压器叶片进口马赫数值。从图中可以看出方案A的总压恢复系数最高，方案C最低。说明随着无叶扩压段长度的增加，叶片扩压器性能逐渐降低，流动逐渐恶化。

图3 总压恢复系数特性图

2.2 无叶扩压段流动特征研究

1) 进口条件对无叶扩压段的影响

绝对速度气流角由径向速度Vr和周向速度Vt2个参数共同决定。

图4为无叶扩压段内子午流道速度与静压分布云图。从图中可知在主流区内径向速度沿程先减小后增大，周向速度则单调减小，静压单调增大。径向速度由于附面层逐渐增厚，流道面积减小使其逐渐加速。在附面层区内可知进口径向速度逐渐增大，之后逐渐减小，静压在进口处增大之后逐渐减小。这是由于数值计算给定进口总压和壁面无滑移条件，导致在进口固壁处速度很小，静压极大，形成顺压梯度，使得径向速度在此加速。因此进口无叶段长度的选择应大于该气流角减小区域的长度，来消除进口边界条件的影响。

图4 子午流道速度与静压分布云图

2) 进口状态与结构尺寸对无叶扩压段影响研究

图5和图6分别为3种进口状态50%和3%叶高下气流角随半径变化的曲线。由图5可知不同状态对主流内气流角影响并不大，由图6可知附面层内气流角随工作状态变化趋势相同，开始时气流角变化曲线值相差不大，随着半径的增大差异不断增大。

由此可知，对于同一个无叶扩压段，进口工作状态的改变，主流内气流角变化规律基本相同，气流角变化不受进口工作状态改变的影响。

图5 50%叶高下主流气流角分布曲线

图6 3%叶高下附面层气流角分布曲线

图7和图8分别为不同进口半径的无叶延伸段主流和附面层内气流角沿流向变化曲线，图例表示进口半径与出口半径值。从图7可知，在流动上游一定距离内气流角分布曲线完全重合，气流角在距进口0.01m时开始逐渐下降，同时3种方案开始出现差别，但差异很小。从图8可知，在气流角沿程先增大，后减小，再逐步增大。上游流动一定距离内3种方案气流角变化曲线基本重合，随着流向气流角不断增大。

取不同流道长度分别为28mm和40mm的方案，保证出口半径相同但进口半径不同进行对比。图9为两种方案的主流内气流角变化曲线，从图中可知两者在距进口一定距离内曲线重合，但是气流角减小过程中开始出现差距，但差值仍然很小，大约1°。

图7 主流气流角沿流向分布曲线

图8 附面层气流角沿流向分布曲线

图9 两种方案的主流气流角分布曲线

综上，不同进口半径时，不论无叶扩压段长度是否相同，气流角的变化规律都一致，不受进出口半径尺寸和进口流动状态的影响。

2.3 无叶段长度确定准则

由2.1小节可知进口延伸段长度的选取需要保证进口延伸段的出口处气流角与进口差别不大且分布较为均匀。由2.2小节可知其仅随气流流动距离发生变化。

图10和图11分别为主流内和附面层内气流角随半径的变化曲线。由图10可知在通道长度为14mm以内，主流气流角与设计值68°上下相差在±0.5°范围内，可认为主流气流角保持不变。由图11可知选取附面层气流角差别<2°以内，此时通道长度为14mm。由2.2节1)可知边界条件对气流角的影响主要集中在附面层内，且当气流角开始增加时说明流动已流出边界条件的影响区域，由此可知图11中气流角开始增大时通道长度为7mm。综上，无叶扩压段长度的选取应在7～14mm内，扩压段长度采用本文中保持不变的等值高度进行无量纲化，则无叶段无量纲长度为0.47～0.93。

图10 主流气流角随半径变化的曲线

图11 附面层气流角随半径变化的曲线

3 结语

本文采用NUMECA数值软件计算研究了无叶扩压段长度对叶片扩压器流场的影响，并根据气流角变化确定了其长度范围，研究发现：

1) 无叶扩压段长度对叶片扩压器流场产生很大影响。无叶段越长，气流流入叶片时气流角变化越大，叶片扩压器性能越低。

2) 无叶扩压段内气流角变化在主流区内先增大后减小，在附面层区内受边界条件影响先减小后增大。但气流角变化不受进口马赫数和结构尺寸影响。

3) 无叶扩压段长度适应范围选定在进口附面层受边界条件影响范围之外，且主流气流角与进口相差不大的区域，无量纲长度范围为0.47～0.93。