山西中北大學(xué) 祁博武

引言

葉輪作為高壓級(jí)壓氣機(jī)中唯一作功的元件，其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)直接影響著整個(gè)高壓級(jí)壓氣機(jī)的性能。氣體進(jìn)入葉輪后，一方面要隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，另一方面氣體要通過(guò)由葉輪葉片構(gòu)成的通道流動(dòng)，而氣體在流道中產(chǎn)生的流動(dòng)損失是復(fù)雜的物理現(xiàn)象，因此，對(duì)葉輪內(nèi)部的流動(dòng)情況進(jìn)行分析是十分重要的。

1 高壓級(jí)壓氣機(jī)葉輪的內(nèi)部流動(dòng)分析

高壓級(jí)壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)通常是粘性三元流動(dòng)并伴隨有強(qiáng)烈的二次流。本文主要對(duì)葉輪內(nèi)部不同葉高時(shí)的截面以及葉輪輪轂面、葉輪輪緣面進(jìn)行了分析。

圖1 50000[Rev/min]不同葉高Blade-to-Blade截面靜壓和流速分布

對(duì)比不同葉高的靜壓分布可以看出，不同葉高處Blade-to-Blade截面的靜壓分布情況類似，進(jìn)入葉輪的氣體，沿著葉輪入口向葉輪出口的方向壓力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在葉輪入口處，靠近輪緣側(cè)的壓力最小，輪轂側(cè)最大；在葉輪主葉片前緣吸力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)壓力下降的現(xiàn)象，形成一個(gè)顯著的低壓區(qū)。

對(duì)比不同葉高的流速分布可以看出，進(jìn)入葉輪的氣體，由葉輪入口向出口流速呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，在葉片吸力面?zhèn)瓤拷簿墔^(qū)流速顯著降低。

從圖2中可以看出，葉輪入口處，氣流在輪緣處的流速大于輪轂處的流速，輪緣的靜壓小于輪轂的靜壓；葉輪出口處，靜壓沿周向分布不均勻；氣流在輪緣處流動(dòng)雜亂，在主流葉片前緣區(qū)流速明顯降低。

圖2 50000[Rev/min]工況下輪轂面的流速和靜壓圖

2 蝸殼的內(nèi)部流動(dòng)分析

蝸殼作為高壓級(jí)壓氣機(jī)的固定元件，充分地利用氣體的動(dòng)能提高氣體的壓力，將氣體引入壓氣機(jī)后面的進(jìn)氣管道中。

2.1 蝸殼內(nèi)部不同周向截面上速度分布

本文在蝸殼內(nèi)部選取了5組不同的周向截面，在蝸殼內(nèi)壁面處選取4個(gè)呈十字對(duì)稱的平面。圖3給出了蝸殼內(nèi)部5個(gè)不同位置，其中平面1為蝸殼的出口面。

圖3 蝸殼周向截面分布圖

圖4 蝸殼不同周向截面的速度流線圖

從圖4中可以看出，在蝸殼入口處，靠近輪轂側(cè)的氣流速度要高于輪緣側(cè)，這是由于葉輪流道出口旋渦的延續(xù)，這些旋渦的存在使得蝸殼入口處流通面積變窄，使得氣流在蝸殼入口處靠近輪轂側(cè)的速度較高。

2.2 蝸殼內(nèi)部的渦量分布

對(duì)蝸殼內(nèi)部氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分析可歸結(jié)為對(duì)渦量的研究。渦量即速度旋度，是一個(gè)重要的流體力學(xué)量，渦量標(biāo)志著流體的旋轉(zhuǎn)，即：

圖5 蝸殼同周向截面質(zhì)量平均渦量

圖5可以發(fā)現(xiàn)，由于氣體從蝸殼喉部附近進(jìn)入蝸殼時(shí)便開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，截面5有很高的渦量值，經(jīng)過(guò)最靠近喉部的平面1后，質(zhì)量平均渦量值下降明顯。

2.3 蝸殼內(nèi)部不同周向截面上總壓恢復(fù)系數(shù)分布

在絕能流動(dòng)中摩擦等損失越大，過(guò)程的不可逆性越大，總壓的下降也越大。通常用總壓恢復(fù)系數(shù)來(lái)表示總壓下降的程度，即：

圖6 蝸殼不同周向截面的總壓恢復(fù)系數(shù)分布圖

從總體上看，在蝸殼入口處，靠近輪緣側(cè)的損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪轂側(cè)，發(fā)現(xiàn)蝸殼截面內(nèi)形成漩渦的地方，其總壓恢復(fù)系數(shù)均偏低。

3 結(jié)論

本文主要對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，分別分析了高壓級(jí)壓氣機(jī)葉輪和蝸殼的內(nèi)部流動(dòng)情況。

首先，對(duì)葉輪中不同葉高的Blade-to-Blade截面以及輪轂、輪緣面上的流速分布和靜壓分布進(jìn)行了研究，認(rèn)為靠近輪緣側(cè)的氣體流動(dòng)方向混亂，十分不穩(wěn)定；在葉輪主葉片吸力面的尾緣區(qū)靠近輪緣側(cè)出現(xiàn)尾跡流。

其次，對(duì)蝸殼進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)分析，從蝸殼內(nèi)部的橫向截面和周向截面兩方面入手分別對(duì)其速度、靜壓、渦量以及總壓恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：①?gòu)奈仛みM(jìn)口向出口氣體流速逐漸降低，氣體靜壓逐漸增加；在蝸殼內(nèi)部，其半徑小的地方氣流速度大，半徑大的地方氣流速度小，即越靠近壓氣機(jī)中心軸線的地方速度大，當(dāng)蝸殼輪廓的曲率變化比較大時(shí)，其氣流速度會(huì)比較?。辉谖仛と肟谔?，靠近輪轂側(cè)的氣流速度要高于輪緣側(cè)。②氣體從蝸殼喉部附近進(jìn)入蝸殼時(shí)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，其質(zhì)量平均渦量值逐漸下降，下游流道截面內(nèi)的質(zhì)量平均渦量值依次減小。③在蝸殼入口處，靠近輪緣側(cè)的損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪轂側(cè)，在蝸殼截面內(nèi)形成漩渦的地方，其總壓恢復(fù)系數(shù)均偏低。

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