離心壓縮機三元葉輪的數(shù)值分析

羅桂山 周 翔 史學(xué)增

（1.海軍駐上海704所軍事代表室 上海200031；

2.中船重工集團第704研究所 上海 200031）

0 引 言

在船用領(lǐng)域，制冷機組可能長期運行在低負荷工況。因此，在制冷壓縮機的設(shè)計中必須考慮全工況（尤其是小流量）下的運行特性。離心壓縮機比螺桿及活塞壓縮機有著更加寬廣的調(diào)節(jié)范圍，離心壓縮機需要重點研究的核心部件是葉輪。離心三元葉輪的內(nèi)部流動是復(fù)雜的三維粘性流動，憑借現(xiàn)有的試驗手段要很難測量其中流場的細微結(jié)構(gòu)。

計算流體力學(xué)（CFD）是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值計算工具，用于求解流體的流動和傳熱問題。CFD計算相對于實驗研究具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優(yōu)點。

本文運用Numeca公司研發(fā)的CFD軟件，對一臺自研制冷離心壓縮機的三元葉輪進行內(nèi)部三維粘性流場的數(shù)值模擬，并預(yù)測其性能，為壓縮機低負荷工況降轉(zhuǎn)速運行提供理論依據(jù)。通過變頻調(diào)節(jié)降低轉(zhuǎn)速能改善壓縮機低負荷工況下的性能。

1 研究對象

本文研究的葉輪為帶分流葉片的全三元閉式葉輪，如圖1所示。

圖1 葉輪外形圖

該葉輪相關(guān)幾何參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪幾何參數(shù)表

2 數(shù)值分析

2.1 網(wǎng)格生成

葉片的計算網(wǎng)格采用Numeca軟件的Autoblade模塊生成，計算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格

整個流場網(wǎng)格數(shù)量為610 736個，劃分為12個區(qū)域。其中包括4塊主流區(qū)域，2塊長葉片近壁面區(qū)域，2塊短葉片近壁面區(qū)域，長葉片進出口區(qū)域和短葉片進出口區(qū)域。相鄰兩個區(qū)域在邊界處網(wǎng)都是匹配的。為加速收斂，采用隱式殘差平均法和三層完全多重網(wǎng)格技術(shù)，先在最粗的一層網(wǎng)格上開始迭代計算，然后延拓到較密的一層網(wǎng)格上，把上一級計算得到的結(jié)果作為下一級計算的初場，節(jié)省了計算時間與迭代次數(shù)。

2.2 邊界條件

假定氣體進口總壓349 600 Pa，進口總溫278.15 K，進口湍流粘性0.000 01 m2/s，出口給定質(zhì)量流量，固壁面給定無滑移、絕熱邊界條件，進出口延伸段壁面給定滑移、絕熱邊界條件。

2.3 數(shù)值計算方法

本文采用Fine計算程序?qū)Σ煌髁抗r進行計算。Fine采用多重網(wǎng)格的計算技術(shù)，并有多種對流項差分格式和湍流模型，可對流體機械內(nèi)部定常、非定常，可壓縮、不可壓縮湍流流動進行精確計算。本文選擇三維Turbulent Navier-Stokes方程組及Sparlart-Allmaras湍流模型，時間項采用4階Runge-Kutta法迭代求解，定常流動。工質(zhì)選擇可壓縮R134a，CFL數(shù)值取3，迭代步數(shù)為5 000步，收斂殘差取10-6。全局殘差收斂史如圖3所示。

圖3 全局殘差收斂史

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果運用CFView后處理模塊分析。

2.4.1 葉輪固定轉(zhuǎn)速7 950 r/min，軸向進氣入口無預(yù)旋

葉輪的總－總等熵效率和總壓比的預(yù)測結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 葉輪總壓比圖

圖5 葉輪等熵效率圖

當流量減少，葉輪壓比增加。開始增加很快，當流量減少到3.5 kg/s時，壓比增加的速度放緩。葉輪的等熵效率隨流量增加而增大，當流量增加到4 kg/s時，等熵效率達到最大值；當流量增大到6 kg/s時，總壓比和等熵效率急速下降。

當流量為1.5 kg/s時，葉輪中間葉高截面相對速度流線和熵分布如圖6所示。

圖6 1.5 kg/s流量下中間葉高截面流動和熵分布

從圖中可以看出，在長葉片的吸力面前部和短葉片的壓力面后部存在明顯分離區(qū)。當流量增加到4 kg/s時，葉輪中間葉高截面相對速度流線和熵分布如圖7所示。此時流線光順，主流場無分離區(qū)。

圖7 4 kg/s流量下中間葉高截面流動和熵分布

如圖8所示，4 kg/s流量下吸力面的靜壓高于壓力面，吸力面的靜壓在短葉片前緣處稍微有所下降。此處葉片數(shù)由9片變成18片，葉輪阻塞系數(shù)增大，流動損失較大，壓力面和吸力面的靜壓總體趨勢仍然是沿著流道逐漸增加的。當流量繼續(xù)增大，葉輪的流動損失加速增大，等熵效率逐漸下降。當流量增大到6 kg/s時，總壓比和等熵效率急速下降，此時葉輪對氣體做功全部克服流動損失，出現(xiàn)“阻塞現(xiàn)象”。

圖8 4 kg/s流量下長葉片中間葉高壁面壓力分布

如圖9所示，壓力面和吸力面的靜壓在短葉片前緣處都有明顯下降。

圖9 6 kg/s流量下長葉片中間葉高壁面壓力分布

綜上所述，葉輪的最佳運行工況的質(zhì)量流量應(yīng)該在3～5 kg/s之間。

如圖10、11所示，6 kg/s流量工況相對4 kg/s流量工況，子午面相對馬赫數(shù)分布非常不均勻。在短葉片前緣附近，由于流道截面積突然收縮，流道形狀劇烈變化［1］，存在明顯高速區(qū)。

圖10 4 kg/s流量下子午面平均相對馬赫數(shù)等值線圖

圖11 6 kg/s流量下子午面平均相對馬赫數(shù)等值線圖

2.4.2 低負荷工況降轉(zhuǎn)速

當制冷機組低負荷運行、蒸發(fā)器蒸發(fā)量減少、壓縮機進入小流量工況（如圖12所示的子午面相對流線），此時葉片頂部出口和進口都存在明顯分離區(qū)，葉輪的效率很低，可能進入喘振工況。通過變頻調(diào)節(jié)降低壓縮機轉(zhuǎn)速能改善葉輪內(nèi)部氣流流態(tài)，葉輪分離區(qū)消失、流線光順、效率提高，如圖13所示。

圖12 7 950 r/min子午面平均相對流線分布

圖13 4 000 r/min子午面平均相對流線分布

3 結(jié) 論

（1）轉(zhuǎn)速不變、流量減少、葉輪壓比增加，開始增加很快，當流量減少到某值時，壓比增加的速度放緩。葉輪的等熵效率隨流量增加而增大，流量增加到最大值后下降；

（2）短葉片前緣存在高速區(qū)，此處氣體摩擦損失相對較大；

（3）在低負荷工況下，變頻調(diào)節(jié)降低壓縮機轉(zhuǎn)速能有效改善氣體流態(tài)，提高效率。

［1］劉瑞韜，徐忠.葉片數(shù)及分流葉片位置對壓氣機性能的影響［J］.工程熱物理學(xué)報，2004（2）：223-225.