不同葉型葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)性能影響的數(shù)值模擬

賴晨光，曾宏強(qiáng)，莊 嚴(yán)，陳永燕，周毓婷

（重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院；b.化學(xué)化工學(xué)院，重慶400054）

不同葉型葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)性能影響的數(shù)值模擬

賴晨光a，曾宏強(qiáng)a，莊 嚴(yán)a，陳永燕a，周毓婷b

（重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院；b.化學(xué)化工學(xué)院，重慶400054）

不同葉型葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)的性能影響差別很大。首先，用數(shù)值模擬的方法研究了4種葉型葉片擴(kuò)壓器的氣體流動(dòng)，得到不同葉片擴(kuò)壓器的流場(chǎng)和壓力分布規(guī)律，初步對(duì)比這4種葉片擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓效果。然后，對(duì)包含4種葉型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，綜合分析了這4種不同擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：采用翼型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)綜合性能最好。

葉片葉型；擴(kuò)壓器；離心壓縮機(jī)；數(shù)值模擬

近年來(lái)，小型高轉(zhuǎn)速離心式壓縮機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)小流量、高轉(zhuǎn)速的離心壓縮機(jī)進(jìn)行過理論及實(shí)驗(yàn)研究［1－3］。葉輪和擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)形式是影響壓縮機(jī)工作性能和高效運(yùn)行的重要因素。葉輪的高速旋轉(zhuǎn)使得葉輪出口氣流對(duì)擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流產(chǎn)生很大影響，這也決定了壓縮機(jī)內(nèi)的三維、非定常、復(fù)雜的氣流特性［4］。在離心風(fēng)機(jī)中，葉輪出口處氣流的動(dòng)能約占葉輪對(duì)氣體做功的20%～50%，為了將這部分動(dòng)能高效地轉(zhuǎn)化為壓力能，并提高風(fēng)機(jī)的整機(jī)效率，通常的辦法是在葉輪的下游安裝合適的擴(kuò)壓器［5］。離心壓縮機(jī)的擴(kuò)壓器一般分為葉片式和無(wú)葉式兩種。采用無(wú)葉擴(kuò)壓器可使離心壓氣機(jī)具有較寬的工作流量范圍，但工作效率較低。采用葉片式擴(kuò)壓器的工作流量范圍有所下降，但具有較高的工作效率。林彤等［6］對(duì)采用無(wú)葉擴(kuò)壓器、葉片擴(kuò)壓器以及串列葉片擴(kuò)壓器的車用增壓器離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析，提出采用串列式葉片擴(kuò)壓器可以改善葉片擴(kuò)壓器流量范圍減小的問題。王志恒等［7］采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口安裝角和葉片型線對(duì)其性能的影響。

本文主要對(duì)包含有4種不同葉型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，然后對(duì)比分析了不同葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)性能的影響。

1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

本研究設(shè)計(jì)的葉片擴(kuò)壓器的4種葉片型式分別是直板型、圓弧型、楔型、翼型。模型在CATIA軟件中建立。擴(kuò)壓器入口直徑為82 mm，擴(kuò)壓器出口直徑為104 mm。葉片數(shù)量為11，葉片高度為4.55 mm，葉片安裝角都為25°，并保證葉片的弦長(zhǎng)相等。葉片擴(kuò)壓器幾何模型示意圖如圖1所示。

圖1 4種葉片擴(kuò)壓器幾何模型示意圖

4種不同擴(kuò)壓器分別和相同的葉輪、蝸殼組合成4種離心壓縮機(jī)模型。其中，葉輪模型是在專業(yè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械建模軟件Blade－Gen中建立的，蝸殼是在CATIA中建立的。葉輪進(jìn)口輪轂直徑為16 mm，進(jìn)口輪蓋直徑為42.8 mm，葉輪出口直徑為59.2 mm。葉輪葉片采用的是帶分流后彎葉片型式，葉片后彎角設(shè)計(jì)為45°［8］。離心壓縮機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為12萬(wàn)r／min，設(shè)計(jì)入口流量為0.115 kg／s。為了使進(jìn)入葉輪的氣體更加平穩(wěn)，在葉輪的前端增加了進(jìn)口段。圖2是匹配平板型擴(kuò)壓器離心壓縮機(jī)的網(wǎng)格示意圖。離心壓縮機(jī)劃分為3個(gè)計(jì)算域：進(jìn)口段、葉輪段、擴(kuò)壓器蝸殼段。其中，葉輪段為旋轉(zhuǎn)域，用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法進(jìn)行模擬，進(jìn)口段和擴(kuò)壓器蝸殼段為靜止域。在ICEM CFD軟件中對(duì)4種離心壓縮機(jī)模型劃分非結(jié)構(gòu)化三角形面網(wǎng)格和四面體體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量均控制在300萬(wàn)左右，網(wǎng)格質(zhì)量都在0.2以上。

圖2 匹配平板型擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)的網(wǎng)格示意圖

2 4種葉片擴(kuò)壓器流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

由于葉輪做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，葉輪出口處的氣流與擴(kuò)壓器葉片相互作用，使得壓縮機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況較為復(fù)雜。為了更清楚地描述氣體在擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，并對(duì)比不同葉片擴(kuò)壓器對(duì)流場(chǎng)的影響，首先在Fluent軟件中單獨(dú)對(duì)4種葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行了數(shù)值模擬。

在Fluent中的邊界條件設(shè)置：入口設(shè)為壓力入口，入口總壓為153.6 kPa，氣流入口角與葉片安裝角相同為25°，入口總溫設(shè)為360 K；出口設(shè)為壓力出口，出口靜壓為145 kPa，回流總溫設(shè)為410 K。湍流模型選為Realizable k－ε模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，流場(chǎng)求解器基于couple算法。

求解收斂后，將Fluent中的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD－POST進(jìn)行后處理。首先，在CFD-POST軟件中建立一個(gè)法向?yàn)閆軸的平面截面，位置處于50%葉高處。然后，依次查看對(duì)比該截面的壓力云圖、速度矢量圖，最后，計(jì)算擴(kuò)壓器出口和進(jìn)口的壓比。

圖3是4種葉片擴(kuò)壓器的50%葉高截面的壓力云圖對(duì)比。

圖3 4種葉片擴(kuò)壓器50%葉高截面壓力云圖對(duì)比

由以上4種不同葉型葉片擴(kuò)壓器的靜壓云圖對(duì)比可以看出：4種不同葉片擴(kuò)壓器的內(nèi)部靜壓從擴(kuò)壓器入口到出口都是不斷增大的，特別是從葉片擴(kuò)壓器入口到喉口位置靜壓恢復(fù)較快，但是，在進(jìn)入葉片擴(kuò)壓器流道以后，其靜壓恢復(fù)比較緩慢。4種葉片擴(kuò)壓器在入口和喉口處的靜壓以及靜壓恢復(fù)系數(shù)見表1。

表1 擴(kuò)壓器的靜壓及靜壓恢復(fù)系數(shù)比較

從圖3以及表1分析得出，翼型葉片擴(kuò)壓器從入口位置到喉口位置的靜壓恢復(fù)相對(duì)于其他3種葉片擴(kuò)壓器更快，擴(kuò)壓器性能相對(duì)較好。

圖4～7是4種葉片擴(kuò)壓器的葉片50%葉高處平面截面的速度矢量圖。

圖4 直板型葉片擴(kuò)壓器截面速度矢量圖

圖5 圓弧型葉片擴(kuò)壓器截面速度矢量圖

圖6 楔型葉片擴(kuò)壓器截面速度矢量圖

圖7 翼型葉片擴(kuò)壓器截面速度矢量圖

由以上4幅不同葉型葉片擴(kuò)壓器速度矢量分布圖對(duì)比分析得出：楔型葉片擴(kuò)壓器在葉片尾緣出現(xiàn)較大的渦流區(qū)，導(dǎo)致尾跡損失和氣流分離損失，容易使擴(kuò)壓器的性能下降；平板型葉片擴(kuò)壓器在吸力面出現(xiàn)氣流低速區(qū)，導(dǎo)致氣體分離損失和附面層損失；圓弧型葉片擴(kuò)壓器在葉片后半部分壓力面上出現(xiàn)了較明顯的氣流低速區(qū)，并且沿?cái)U(kuò)壓器流道方向低速區(qū)不斷擴(kuò)大，容易導(dǎo)致氣流分離損失和附面層損失；翼型葉片擴(kuò)壓器在葉片尾部幾乎不存在渦流區(qū)，氣流與葉片表面貼合良好，葉片吸力面和壓力面不存在氣體分離現(xiàn)象。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：3種葉片擴(kuò)壓器中翼型葉片擴(kuò)壓器性能最好。4種擴(kuò)壓器的壓比對(duì)比如表2。

表2 4種葉片擴(kuò)壓器壓比

由表2可以看出，翼型葉片擴(kuò)壓器的壓比最高，而圓弧型葉片擴(kuò)壓器的壓比最小。

由以上分析可得：

1）對(duì)比發(fā)現(xiàn)翼型葉片擴(kuò)壓器的通流面積最大，流場(chǎng)均勻性最好。

2）通過對(duì)比壓力云圖發(fā)現(xiàn)翼型葉片擴(kuò)壓器壓力變化最均勻，從入口位置到喉口位置靜壓恢復(fù)相對(duì)于其他3種葉片擴(kuò)壓器較快，擴(kuò)壓器性能較好。

3）通過對(duì)比速度矢量圖發(fā)現(xiàn)翼型葉片擴(kuò)壓器在尾部幾乎不存在渦流區(qū)，氣流在葉片表面附著良好，沒有氣流分離現(xiàn)象，而其他3種葉片擴(kuò)壓器在尾部都存在不同程度的尾跡損失和氣體分離損失，能量損失較翼型葉片擴(kuò)壓器大。

3 帶葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)數(shù)值模擬分析

為了對(duì)比不同葉型葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)性能的影響，分別將4種葉型葉片擴(kuò)壓器和同一個(gè)葉輪和蝸殼組合進(jìn)行數(shù)值模擬分析。平板型擴(kuò)壓器、葉輪、蝸殼組合后的離心壓縮機(jī)如圖2所示。

在Fluent軟件中采用Realizable k－ε湍流模型，可以較好地模擬旋流和強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等［9］。入口設(shè)為流量入口，一共計(jì)算了5個(gè)工況點(diǎn)，從低于設(shè)計(jì)流量到高于設(shè)計(jì)流量變化依次為0.075，0.095，0.115，0.135，0.155 kg／s。其中設(shè)計(jì)流量為0.115 kg／s，設(shè)計(jì)葉輪轉(zhuǎn)速為12萬(wàn)r／min。出口設(shè)為壓力出口，出口靜壓大小為1 820.385 kPa。本次模擬主要是對(duì)比匹配4種不同葉型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)在同一葉輪轉(zhuǎn)速下，不同入口流量所對(duì)應(yīng)的壓比和效率。

壓比指的是離心壓縮機(jī)出口壓力與入口壓力之比。表3是4種不同離心壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量流量的壓比。為了方便，把匹配直板型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)簡(jiǎn)稱1型；匹配圓弧型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)簡(jiǎn)稱為2型；匹配楔型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)簡(jiǎn)稱為3型；匹配翼型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)簡(jiǎn)稱為4型。后面的表4標(biāo)注和表3一樣。

表3 4種離心壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)不同流量的壓比

圖8可以更直觀地表達(dá)離心壓縮機(jī)壓比與流量的關(guān)系。

圖8 離心壓縮機(jī)壓比與流量關(guān)系曲線

由表3及圖8可以看出：4種葉型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)的壓比隨流量變化的趨勢(shì)基本是一致的，除了匹配楔型擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)在流量為0.155 kg／s下有個(gè)突然的升高，其他都是在設(shè)計(jì)流量為0.115 kg／s時(shí)壓比達(dá)到最大。這是由于在設(shè)計(jì)工況下，沖角大都在0°附近，氣流的情況與葉柵的幾何形狀最協(xié)調(diào)，流動(dòng)損失最小。尤其是翼型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)，在設(shè)計(jì)工況下相對(duì)其他離心壓縮機(jī)的壓比都要高，這說明翼形葉片有較好的導(dǎo)流作用。至于楔型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)在流量為0.155 kg／s時(shí)壓比相對(duì)升高，可能是由于較小流量時(shí)楔型葉片擴(kuò)壓器的尾跡損失較嚴(yán)重，而增加流量大大減少了楔型葉片擴(kuò)壓器的尾跡損失。

離心壓縮機(jī)全壓是指靜壓和動(dòng)壓的代數(shù)和。對(duì)于離心壓縮機(jī)的全壓效率采用公式η＝其中：Q是進(jìn)入離心壓縮機(jī)的質(zhì)量流量［10］；M是葉輪所受扭矩；ω是葉輪角速度。表4是計(jì)算的幾種離心壓縮機(jī)在不同質(zhì)量流量下對(duì)應(yīng)的全壓效率。

圖9是4種葉型葉片擴(kuò)壓器離心壓縮機(jī)的效率與流量關(guān)系曲線。

4種葉型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)效率隨著質(zhì)量流量的增大都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)流量時(shí)效率達(dá)到最大。當(dāng)流量較小時(shí)，氣流的分離沖擊損失增加很快，因此效率不高。當(dāng)質(zhì)量流量大于設(shè)計(jì)流量后，隨著流量的增大，氣流與離心壓縮機(jī)相作用的摩擦損失和沖擊損失都會(huì)增大，因此效率將下降較快。從效率與流量的關(guān)系曲線也可以看出：翼型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)流量及大于設(shè)計(jì)流量的工況中，效率相對(duì)于其他3種類型要明顯更高，這也同樣說明了翼型葉片較好的導(dǎo)流作用。

表4 4種離心壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)不同流量的壓比

圖9 離心壓縮機(jī)效率與流量關(guān)系曲線

圖10 是在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速12萬(wàn)r／min和設(shè)計(jì)流量0.115 kg／s工況下的4種離心壓縮機(jī)的靜壓云圖對(duì)比。從圖10可以看出：氣體從葉輪進(jìn)入擴(kuò)壓器、蝸殼，靜壓整體趨勢(shì)是逐漸增加的；在蝸殼喉口處均存在一個(gè)明顯的高壓區(qū)，這可能是由于該處較小的空間內(nèi)積累了較多的高壓氣體所導(dǎo)致的；葉片擴(kuò)壓器內(nèi)的周向靜壓分布并不對(duì)稱，由于進(jìn)口氣流的不均勻性，氣流邊界層的分離總是在一個(gè)或幾個(gè)葉片上首先發(fā)生；發(fā)生氣流分離現(xiàn)象的葉道有效通流面積減小，這使得相鄰葉道的氣流量增加，改變了原來(lái)的氣流方向。氣流分離區(qū)以和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)脫離［11］。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)：翼型葉片擴(kuò)壓器處的靜壓分布相對(duì)其他幾種葉型葉片擴(kuò)壓器處的靜壓分布更均勻，這說明翼型葉片擴(kuò)壓器發(fā)生的旋轉(zhuǎn)脫離的程度較小。

圖10 4種離心壓縮機(jī)的靜壓云圖對(duì)比

4 結(jié)論

1）不同葉型的葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)的性能有很大影響。

2）翼型葉片擴(kuò)壓器相對(duì)其他葉型擴(kuò)壓器可以獲得較好的增壓效果。

3）采用翼型葉片擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)流動(dòng)損失小，在設(shè)計(jì)流量下可以保證更高的效率。

［1］ 冀春俊，肖蕾.小流量離心壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值分析與優(yōu)化［C］／／中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)流體機(jī)械學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)，2004：200－205.

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（責(zé)任編輯劉 舸）

Numerical Investigation on the Influence of Different Vane Type Diffusers on the Perform ance of Centrifugal Compressor

LAIChen-guanga，ZENG Hong-qianga，ZHUANG Yana，CHEN Yong-yana，ZHOU Yu-tingb

（a.College of Vehicle Engineering；b.College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

Diffusers with different types of blades impose very different influences on a centrifugal compressor.Four different vane diffusers are simulated at first，and their flow fields including flow velocities，pressure distributions as well as the comparison of their diffusion effects are investigated.Then the numerical simulations are conducted on centrifugal compressors consisting of these four different vane diffusers，and the overall influence of these four different vane diffusers imposed on theperformance of the centrifugal compressor are analyzed comprehensively，drawing to a conclusion that the centrifugal compressor composed of aerofoil blade embodies best performance.

vane type；diffuser；centrifugal compressor；numerical simulation

TH452

A

1674－8425（2016）12－0042－06

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.007

2016－08－18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305477）；Part of the work was carried out under the Collaborative Research Project of the Institute of Fluid Science，Tohoku University，Japan

賴晨光（1978—），男，博士，教授，主要從事汽車與高速列車空氣動(dòng)力學(xué)以及車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面研究，E-mail：chenguanglai＠cqut.edu.cn；通訊作者曾宏強(qiáng)，碩士研究生，主要從事渦輪壓縮機(jī)流場(chǎng)分析及汽車內(nèi)外流場(chǎng)耦合優(yōu)化研究，E-mail：1109529458＠qq.com。

賴晨光，曾宏強(qiáng)，莊嚴(yán)，等.不同葉型葉片擴(kuò)壓器對(duì)離心壓縮機(jī)性能影響的數(shù)值模擬［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2016（12）：42－47.

format：LAIChen-guang，ZENG Hong-qiang，ZHUANG Yan，et al.Numerical Investigation on the Influence of Different Vane Type Diffusers on the Performance of Centrifugal Compressor［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：42－47.