不同类型扩压器下离心式压缩机级性能的数值模拟与试验研究

刘 军，张旭朋，席会杰

(金通灵科技集团股份有限公司，江苏 南通 226000)

1 引言

离心压缩机作为一种提高气体压力的通用设备，广泛应用于冶金、电子、造船、食品医药、石油化工、纺织化纤以及污水处理等非常重要的工业领域[1-2]。近年来随着我国基础工业的快速发展，资源和环境等因素开始制约工业化进程，节能、减排是当今世界，特别是发展中国家工业发展的主线。我国在20世纪90年代就提出了要走技术含量高、环境污染少、资源消耗低、经济效益好、人力资源优势能够得到充分体现和发挥的新型工业化道路。而离心压缩机在工业领域耗能巨大，应该要引起社会各界的重视。因此，设计高技术水平的离心压缩机是当务之急，提高离心压缩机实际运行效率，对经济发展，降低能源消耗，节能环保，走新常态的工业化道路将会产生重要的影响。

众所周知，离心压缩机的通流部件设计和气动设计相当复杂，其内部流动也难以预测，如果气动设计和结构设计不合理或者动静元件不匹配，会导致压缩机级的性能和级的效率降低。常出现的情况有二次流和分离流，另外还有叶片尾迹流、边界层内的流动、叶轮和叶尖动静面之间的泄漏以及旋转失速和喘振等，在这些流动现象的共同作用影响下，离心压缩机内部的气动结构及传热特性就显得异常复杂[3-4]。由于复杂流动和各种影响因素又相互作用，因此研究和设计难度显而易见。

多年以来，研究和设计人员是通过优化设计叶轮来提高离心压缩机的性能，但忽略了非常重要的静止元件，就是扩压器和蜗壳，这些静止部件都存在着能量的损失。对于这些静止部件特别是扩压器，其内部流动更加复杂，所以非常有必要对扩压器进行深入的研究和探索[6]。

2 研究对象

研究对象是某高压比离心压缩机，该压缩机叶轮为扭转叶片，采用无叶扩压，蜗壳是非对称蜗壳。叶片和扩压器的主要几何参数见表1。叶轮的三维模型图如图1所示，其为半开式三元流后弯叶轮[5]。

表1 叶轮和扩压器主要几何参数

图1 叶轮的三维模型图

3 叶片扩压器的数值模拟和分析

叶片扩压器可以在不降低压比的情况下，可以取得一定的增效效果，因此在离心压缩机设计中获得广泛应用。以下对无叶扩压、7叶片扩压器和11叶片扩压器进行了数值模拟及对比，以及通过对离心压缩机内流场的分析探讨叶片扩压器对离心压缩机性能的影响及其作用机理[7-11]。

3.1 性能曲线对比

采用NUMCA软件对无叶扩压器、7叶片扩压器和11叶片扩压器的离心压缩机级进行数值模拟，可以得到处理后的性能曲线。图2为无叶扩压器、7叶片扩压器和11叶片扩压器性能曲线的对比图。

图2 无叶扩压器器、7叶片扩压器和11叶片扩压器性能曲线对比

由图2可见，相比于无叶扩压器，有叶片扩压器可以获得良好的效果，压缩机级的静压比在整个工作范围内得到明显提高，设计点附近的多变效率也在一定程度上得到了提升，但在偏离设计点较远的区域(即近喘振点和近堵塞点区域)，有叶片扩压器反而会使压缩机级的多变效率下降，但7叶片扩压器的多变效率下降趋势比11叶片扩压器的多变效率下降趋势有所缓和。从整体情况来看，7叶片扩压器效果较好，其设计点静压比提高了12.63%，多变效率提高了0.71%。

3.2 设计点流场分析

图3是设计点无叶扩压器、11叶片扩压器和7叶片扩压器的叶轮子午面熵值云图。

图3 设计点子午面熵值云图

由图可见，在叶轮轮盖侧和扩压器通道内熵值明显较大。与无叶扩压器相比，带叶片扩压器内的熵值有所减小，这是由于扩压器叶片的导流作用，使叶轮出口的气流沿着扩压器叶片的方向流动，缩短了气流流程，从而损失减小，其中7叶片扩压器的熵值最小。所以采用叶片扩压器处理方案后，设计点效率相比于无叶扩压器有所提高。

图4是无叶扩压器、11叶片扩压器和7叶片扩压器在设计点的叶轮50%相对叶高展向截面静压云图。

图4 设计点叶轮50%相对叶高展向截面静压云图

由图可见，整体情况下，从进口段到叶轮到扩压器的静压是不断提高的。无叶扩压器叶轮和扩压器通道的静压增大变化明显；采用叶片扩压器处理后，静压增大能力提高，流场变得均匀，但在扩压器叶片前缘和尾缘均有一个小的低速区，相比于无叶扩压器静压比提升。这说明在设计工况点，叶片扩压器处理可以提高压缩机级的扩压能力，减少扩压器通道内的流动损失，一定程度上提高压缩机级效率。

图5、6、7是设计点无叶扩压器、11叶片扩压器和7叶片扩压器的叶轮5%、50%和95%相对叶高展向截面熵值云图。

结合图5、6、7比较分析可见，无论采用无叶扩压器还是叶片扩压器，从叶轮叶根到叶顶，熵值增加，损失增大。再依次对比无叶扩压器、11叶片扩压器和7叶片扩压器处理的每个叶高处熵值，在5%叶高位置，熵值由高到低依次是11叶片扩压器、7叶片扩压器和无叶扩压器；在50%叶高位置，熵值由高到低依次是7叶片扩压器、11叶片扩压器和无叶扩压器；在95%叶高位置，熵值由高到低依次是无叶扩压器、7叶片扩压器和11叶片扩压器。说明在5%叶高位置时，损失由大到小依次是11叶片扩压器、7叶片扩压器和无叶扩压器；在50%叶高位置时，损失由大到小依次是7叶片扩压器、11叶片扩压器和无叶扩压器；在95%叶高位置时，损失由大到小依次是无叶扩压器、7叶片扩压器和11叶片扩压器。但从整体的云图分布来看，熵值分布都较为均匀。

图5 设计点无叶扩压器叶轮5%、50%和95%相对叶高展向截面熵值云图

图6 设计点11叶片扩压器叶轮5%、50%和95%相对叶高展向截面熵值云图

图7 设计点7叶片扩压器叶轮5%、50%和95%相对叶高展向截面熵值云图

4 优选后实物机性能试验

由数值模拟分析可以看出，7叶片扩压器可以获得更好的增效作用，离心压缩机静压比有很大提升，并且在设计点上多变效率也有所提高，因此，将7叶片扩压器作为优选并应用于该离心压缩机，进行性能试验。

4.1 优选后实物机性能试验与CFD数值模拟结果的对比分析

将优选后实物机性能测试结果和CFD模拟结果见图8。由图可知，离心压缩机实物机的试验效率及静压比与数值模拟结果相比均偏低了较多。分析其原因：一方面是由于制造误差造成的，也有可能是由于流道表面粗糙，摩擦损失增大了；另一方面是由于装配误差造成的，再进一步深究也有可能是叶轮轮盖面和与其配合的集流器间隙过大导致的内泄漏和二次流增加的原因。

图8 优选后实物机性能测试和CFD数值模拟对比曲线

图9 优选后实物机性能测试和原实物机性能测试对比曲线

4.2 优选后实物机性能试验结果和原实物机性能试验结果对比分析

优选后实物机性能测试结果和原实物机性能测试结果见图9。由图可知，在设计参数下，7叶片扩压器的多变效率较无叶扩压器多变效率提高约0.67%，静压比提高了9.34%。

5 结论

(1)对设计的2种不同叶片数的叶片扩压器进行了数值模拟，分别获得了性能曲线，通过与无叶扩压器的结果对比，发现叶片扩压器处理在设计点可以获得良好的提升效率的效果。

(2)从压缩机压比提高的角度、以及对其内流场的分析，分析了叶片扩压器处理的增效机理，并对比分析了2种不同叶片数的叶片扩压器对级性能的影响，发现7叶片扩压器可以获得比11叶片扩压器更良好的提升效率的效果，在设计点多变效率提高0.25%。

(3)对设计的7叶片扩压器进行了性能试验，试验结果与带无叶扩压器的级性能进行对比，结果表明：7叶片扩压器能够在一定的工作范围内提高压缩机的多变效率，设计点效率提高0.67%，在偏离设计点较大的情况下效率下降较快，7叶片扩压器在整个工作范围内都能够提高压缩机的静压比，但相比于无叶扩压器，其工作范围减小。