拉筋形狀對離心壓縮機排氣蝸殼的性能影響*

王金生 張 龍 張鵬剛 韓 亮 譚佳健 李健偉

（沈陽鼓風機集團股份有限公司）

0 引言

目前，離心壓縮機技術(shù)正朝著以創(chuàng)新設(shè)計的方式來提高機組性能的方向發(fā)展。計算流體動力學（CFD）在離心壓縮機部件設(shè)計的評估和優(yōu)化中起著重要作用[1]。擴壓器和排氣蝸殼等靜止部件對離心壓縮機整體性能等方面有較大的影響[2]，擴壓器的主要作用是將葉輪出口氣體的動能有效轉(zhuǎn)化為壓力能[3]，排氣蝸殼的作用則是收集擴壓器后的氣體[4]。排氣蝸殼內(nèi)的流場較復雜[5]，影響排氣蝸殼性能的因素較多，包括：擴壓器高度[6]，蝸舌半徑和蝸殼寬度[7]等。當需要設(shè)計滿足特定工況條件的排氣蝸殼或存在非標準幾何尺寸結(jié)構(gòu)時，排氣蝸殼的CFD分析顯得尤為重要[8]。

針對部分具有較大高度的無葉擴壓器的離心壓縮機機組，為了保證機組的強度，需要在擴壓器內(nèi)安裝拉筋。拉筋起著支撐擴壓器前后隔板的作用，然而位于流道中的拉筋必然會影響擴壓器內(nèi)氣流的流動狀態(tài)，進而影響排氣蝸殼的性能，而這種性能影響是不能通過已有簡化的二維分析方法評估的，需要采用CFD手段進行全三維流場分析。國內(nèi)外有關(guān)離心壓縮機擴壓器內(nèi)拉筋對排氣蝸殼性能影響的研究相對較少，Patri[9]等人研究了拉筋的周向位置以及對比計算兩種形狀的拉筋對排氣蝸殼的影響，為了簡化計算，計算模型只包括擴壓器和排氣蝸殼，而省去了葉輪部分。計算結(jié)果表明，拉筋周向位置的微小改變和截面形狀的變化，可能對排氣蝸殼的性能有較大的影響。

本文主要利用CFD方法研究了三種帶拉筋結(jié)構(gòu)的離心壓縮機整級模型的三維流動，分析多工況下排氣蝸殼的總壓損失系數(shù)及整級多變效率等參數(shù)的變化，說明不同拉筋形狀對排氣蝸殼及整級氣動性能的影響。

1 計算方法

1.1 幾何描述

以某離心壓縮機機組的末級為研究對象，包括三元閉式葉輪、無葉擴壓器、拉筋以及排氣蝸殼。拉筋靠近擴壓器出口，總數(shù)為7。擴壓器出口直徑定義為D4，擴壓器進口直徑定義為D2，其中擴壓器出口高度D4/D2=2.4，排氣蝸殼出口延長至3倍法蘭直徑處，以保證出口的氣流流動相對均勻，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic view of the calculation model structure

本文研究了三種不同截面形狀的拉筋對排氣蝸殼性能的影響，即圓形、鍵形和橢圓形拉筋。拉筋中心處直徑定義為Dsp，三種方案的直徑一致，其中Dsp/D2=2.13，沿圓周方向均勻布置。為了達到相同的強度，需保證三種拉筋的軸向橫截面的面積相同。本文中圓形拉筋的直徑為80mm；鍵形拉筋的前后尾緣直徑是48mm，總長是115mm；橢圓形拉筋的長軸長為138mm，短軸長為46mm。鍵形和橢圓形拉筋的安裝角需與設(shè)計點100%工況的當?shù)刂芟蚱骄鶜饬鹘窍嗥ヅ?。拉筋的布置方式與周向位置如圖2所示。

圖2 原型和三種拉筋結(jié)構(gòu)的幾何模型示意圖Fig.2 Schematic view of the prototype and three spacers'model structure

為了便于后文的討論，規(guī)定了四種模型的簡稱，其中，無拉筋結(jié)構(gòu)的整級模型稱為原型，帶圓形拉筋結(jié)構(gòu)的整級模型稱為拉筋1，帶鍵形拉筋結(jié)構(gòu)的整級模型稱為拉筋2，帶橢圓形拉筋結(jié)構(gòu)的整級模型稱為拉筋3。

1.2 數(shù)值求解方法

采用NUMECA系列軟件的IGG模塊進行排氣蝸殼、擴壓器和拉筋的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，葉輪使用Autogrid5模塊自動劃分網(wǎng)格，考慮排氣蝸殼非周期性影響，葉輪采用全通道網(wǎng)格，所有網(wǎng)格均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，第一層壁面距離為0.01mm，保證壁面y+值小于10。本文的重點是分析拉筋的幾何形狀對排氣蝸殼的影響，因此在拉筋附近區(qū)域?qū)W(wǎng)格進行了細化，如圖3所示。

圖3 三種拉筋模型的網(wǎng)格局部放大圖Fig.3 Enlarged view of the grid of three spacer models

本文的三維定常流場計算分析是在Fine/Turbo模塊上進行的，選取S-A湍流模型，使用多重網(wǎng)格技術(shù)加速計算收斂。計算中，壁面設(shè)定為無滑移絕熱壁面，忽略所有輪阻損失以及密封的影響。介質(zhì)選擇常溫常壓的理想空氣，選用的邊界條件給定為進口氣流的總溫（T0=293K）和總壓（p0=98 100Pa），以及出口氣流的質(zhì)量流量（m=3.1kg/s）。

2 計算結(jié)果及分析

為了分析拉筋的形狀對排氣蝸殼的性能影響，首先計算了無拉筋的整級模型，并以此作為基準，隨后計算三種帶拉筋的整級模型，將其計算結(jié)果與基準進行對比，分離出拉筋的存在對排氣蝸殼性能的影響。

分別提取了設(shè)計點100%流量工況的四種模型的擴壓器內(nèi)不同高度位置的周向平均氣流角，圖4顯示了不同模型擴壓器的周向平均氣流角沿流動方向的分布情況，清楚地表明了擴壓器內(nèi)的氣流角均沿著氣流流動的方向逐漸增加的趨勢。橫坐標是以葉輪出口直徑為基準的不同截面位置的無量綱高度。對于原型，氣流角從擴壓器進口處的26°變化到擴壓器出口處的33°，氣流角的變化比較平緩。而當拉筋存在于擴壓器流道中，拉筋附近的氣流角會發(fā)生明顯變化。拉筋2和3模型的氣流角的分布與原型的氣流角分布比較接近，而拉筋1模型中拉筋附近的氣流角有突然較大的變化，其擴壓器出口的氣流角達到45.7°，意味著圓形拉筋對擴壓器內(nèi)氣體流動的影響更大。

圖4 擴壓器內(nèi)不同高度截面氣流角分布Fig.4 Flow angle distribution at different height sections in diffuser

圖5 為四種模型相同位置的局部流線放大圖，從圖5中可以看出，原型擴壓器內(nèi)的氣流流動比較均勻且順暢，三種拉筋模型均存在低速旋渦區(qū)，其中圓形拉筋的尾部出現(xiàn)較大的渦流區(qū)，導致尾跡損失，使擴壓器和排氣蝸殼的性能下降，而橢圓形拉筋的尾部幾乎不存在渦流區(qū)，對氣流流動的影響相對較小。

圖6和圖7展示了四種模型設(shè)計點100%流量工況，排氣蝸室不同截面的總壓比和靜壓比的分布狀況。排氣蝸室不同角度截面的位置示意圖如圖8所示。三種帶拉筋結(jié)構(gòu)的排氣蝸室內(nèi)各截面的壓力值均較無拉筋結(jié)構(gòu)有所下降，曲線的變化趨勢基本相同。原型和拉筋2和3的總壓峰值位于180°截面，而拉筋1的總壓峰值位于135°截面，四種模型的靜壓峰值均出現(xiàn)在90°截面。拉筋1各截面的壓力值比原型下降2%左右，其偏差最大；拉筋2和3各截面的壓力值比原型下降約0.5%，表明拉筋1對排氣蝸殼內(nèi)的氣流流動影響更大。

圖9顯示了相同高度的擴壓器中心截面的無量綱速度矢量分布，從圖中可以清晰地看出，拉筋1模型的低速尾跡區(qū)范圍最大，表明其擴壓器和排氣蝸殼內(nèi)的氣流流動狀態(tài)所受影響最大，而橢圓形拉筋對流場影響相對較小。受排氣蝸殼周向不對稱的影響，不同周向位置的拉筋的尾跡也略不相同。

圖5 設(shè)計點的無量綱速度流線Fig.5 Streamlines at design point(DP)in the scroll colored by non-dimensional velocity

圖6 排氣蝸室各截面的總壓比分布Fig.6 Total pressure ratio distribution in exit scroll

圖7 排氣蝸室各截面的靜壓比分布Fig.7 Static pressure ratio distribution in exit scroll

圖8 排氣蝸殼不同角度截面的位置示意圖Fig.8 Schematic view of the location of the exit scroll's different cross-sections

總壓損失系數(shù)、靜壓恢復系數(shù)和多變效率的定義如下所示：

公式中的壓力值和溫度值均為不同截面的質(zhì)量流量平均值，進口參數(shù)取擴壓器進口對應(yīng)的參數(shù)，出口參數(shù)選取排氣蝸殼出口截面的參數(shù)。

如Steglich[10]等人指出，對于相同計算條件，靜壓恢復系數(shù)和總壓損失系數(shù)之和（ξ+Cp）僅是進口/出口幾何形狀的函數(shù)。在本文的計算中，拉筋的存在并沒有改變計算模型的進口/出口幾何形狀，因而沒有改變ξ+Cp的值。見表1，四種結(jié)構(gòu)的排氣蝸殼出口ξ+Cp的值基本相同，從側(cè)面印證本文計算的正確性。對于固定的蝸殼，拉筋的存在必然導致總壓損失系數(shù)的增加，使得出口的靜壓恢復系數(shù)下降。若想減少排氣蝸殼的氣動損失，則需要與靜壓的增加相對應(yīng)。

圖10和圖11分別展示了五種流量（設(shè)計點90%、95%、100%、105%和110%流量）工況下，三種拉筋結(jié)構(gòu)的排氣蝸殼出口的總壓損失系數(shù)和靜壓恢復系數(shù)與原型出口總壓損失系數(shù)的相對差值。從圖10中可以看到，拉筋1的總壓損失系數(shù)相對差值隨質(zhì)量流量的增加而略有增加，拉筋2和3的總壓損失系數(shù)相對差值則隨質(zhì)量流量的增加而明顯地增加，拉筋3引起的損失比拉筋1低約20%，可認為拉筋3的性能比拉筋1高約20%。對于圖11，三種拉筋結(jié)構(gòu)的靜壓恢復系數(shù)相對差值隨質(zhì)量流量的變化趨勢是相同的，均隨質(zhì)量流量的增加而逐漸減小。從計算結(jié)果可以看出，對于大流量工況，拉筋引起的氣動損失更大。

表1 不同排氣蝸殼出口總壓損失系數(shù)與靜壓恢復系數(shù)之和Tab.1 Sum of total pressure loss coefficient and static pressure recovery coefficient at diffenent exit scrolls'outlet

圖.9 擴壓器中心截面無量綱速度矢量分布圖Fig.9 Non-dimensional velocity vector distribution in the central section of the diffuser

圖10 總壓損失系數(shù)的相對變化Fig.10 Non-dimensional mass flow vs relative total pressure loss coefficient

圖11 靜壓恢復系數(shù)的相對變化Fig.11 Non-dimensional mass flow vs relative static pressure recovery coefficient

圖12為五種流量工況條件下，三種拉筋結(jié)構(gòu)的排氣蝸殼出口多變效率與原型的排氣蝸殼出口多變效率的差值（即多變效率降），可以直觀地看出，對于三種拉筋，當進口質(zhì)量流量增加時，拉筋引起的排氣蝸殼的多變效率降均略有增加。排氣蝸殼出口的多變效率降是由拉筋的存在而引起的，通過提取出口多變效率降，可以分離出拉筋對排氣蝸殼性能的影響。計算結(jié)果表明，拉筋2和3引起的排氣蝸殼出口多變效率降小于1%，而拉筋1引起的排氣蝸殼出口多變效率降在3%左右。

圖12 出口多變效率降隨質(zhì)量流量的變化Fig.12 Non-dimensional mass flow vs polytropic efficiency at outlet

3 結(jié)論

本文采用CFD手段研究了拉筋對排氣蝸殼性能的影響。擴壓器中的拉筋是由于強度要求而存在的，三種拉筋的軸向橫截面積雖然相同，但是各自擴壓器內(nèi)的有效通流面積是不同的。拉筋的存在一定程度上影響了擴壓器內(nèi)的氣流流動，進而影響排氣蝸殼的性能。從本文的計算可知，橢圓形拉筋的性能比圓形拉筋的性能高約20%，具有更小的排氣蝸殼出口多變效率降，流場均勻性最好，對排氣蝸殼的性能影響最小。拉筋的軸向截面形狀從圓形到鍵形再到橢圓形的改變有助于在一定范圍內(nèi)將損失最小化。

本文初步研究了拉筋的形狀因素對排氣蝸殼的性能影響，隨后，將進一步研究更先進的具有更小氣動損失的拉筋輪廓形狀，同時研究拉筋的周向和徑向位置的尾跡效應(yīng)，以及由于拉筋的存在而導致的排氣蝸殼中的流動損失機制并探究如何減小損失。這項研究對于此類需帶有拉筋結(jié)構(gòu)的離心壓縮機機組非常重要。