盧傅安 孫玉瑩 李 云 伊洪麗 周 慧 孫 博

（沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)股份有限公司）

預(yù)旋整流柵對90°彎管流動均勻性及離心壓縮機性能影響的試驗研究

盧傅安 孫玉瑩 李 云 伊洪麗 周 慧 孫 博

（沈陽鼓風(fēng)機集團(tuán)股份有限公司）

本文在離心壓縮機進(jìn)口前加旋繞式整流柵，通過PIV可視化試驗，研究預(yù)旋整流柵對90°彎管出口流道及離心壓縮機性能影響。結(jié)果表明：在90°彎管前安裝旋繞式整流柵能有效改善彎管后流動的均勻性。當(dāng)離心壓縮機運行在較小馬赫數(shù)下，安裝整流柵時，離心壓縮機效率基本保持不變或者略有降低。當(dāng)離心壓縮機運行在較大馬赫數(shù)下，安裝有右旋整流柵時，離心壓縮機的效率得到提高；安裝左旋整流柵時，離心壓縮機效率略有提高同時和壓比得到較大幅度的提高。

離心壓縮機；90°彎管；整流柵；性能；流動均勻性

0 引言

90°彎管廣泛應(yīng)用于透平機械的各種機組中，90°彎管內(nèi)部的流動和直管中的流動現(xiàn)象大不相同，大量的學(xué)者對90°彎管內(nèi)部的流動進(jìn)行了研究。Humphrey[1]采用laser-Doppler熱線風(fēng)速儀對90°矩形截面彎管內(nèi)部的流動進(jìn)行測量。尚虹等人[2]采用CTA熱線風(fēng)速儀和五孔探針對90°圓截面彎管內(nèi)三維紊流場進(jìn)行了實驗研究。發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)的能量損失主要發(fā)生在彎管內(nèi)側(cè)壁附近。謝龍等人[3]對90°圓形彎管內(nèi)部流場進(jìn)行PIV測量及POD分析發(fā)現(xiàn)，消除或減弱外側(cè)壁面附近的大尺度渦結(jié)構(gòu)將有利于流體輸運平穩(wěn)性能在整體上的提高。江山等人[4]采用RNG k-ε湍流模型對90°彎管內(nèi)流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)實驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明RNG k-ε湍流模型對具有二次流的湍流流動具有較好的模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。樊洪明[5]等對方形截面彎管進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點考察二次流的變化，流體流經(jīng)彎道時，貼附壁面形成2個對稱的渦流區(qū)。丁玨等[6]同樣采用RNG k-ε湍流模型對90°彎管內(nèi)流動進(jìn)行了數(shù)值模擬并研究了來流方向?qū)?0°彎管內(nèi)流場結(jié)構(gòu)和流動特性的影響。發(fā)現(xiàn)來流攻角逐漸增大時，90°彎管橫截面的二次流從兩個對稱主渦變成只有一個主渦。溫良英[7]等對彎管內(nèi)流體流動進(jìn)行了模擬計算研究，發(fā)現(xiàn)彎管截面內(nèi)壓力分布不均勻，壓力與離心力相互平衡，與速度相關(guān)聯(lián)。李杰等人[8]采用數(shù)值模擬和試驗測試的方法研究了彎管內(nèi)部的流動的非均勻性，發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)部的速度分布不均勻。他們采用了一種整流裝置改善了彎管后的流動。

目前，離心壓縮機的設(shè)計方法主要有效率法、流道法和?；ㄈN。世界上主流的壓縮機廠商均采用模化法進(jìn)行設(shè)計。?；ǖ幕A(chǔ)是高效率的模型級。一般來說模型級的設(shè)計和試驗均假設(shè)模型級進(jìn)氣流動是均勻的。而許多的離心壓縮機組由于受安裝空間的限制，進(jìn)氣管道一般包含1個、2個甚至多個90°彎頭。氣體流過這些彎頭時容易產(chǎn)生流動分離。而流動的分離通常會引起管道的振動，使得管路系統(tǒng)產(chǎn)生很大的噪聲。同時流動的分離還引起彎頭下游及離心壓縮機葉輪進(jìn)口處氣體流動的不均勻。進(jìn)而嚴(yán)重影響了離心壓縮機的運行狀態(tài)及性能。

為了改善氣體經(jīng)過彎頭后的不均勻流動，避免流體在彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)流動分離等非定常流動現(xiàn)象，通常需要一定的整流裝置對流場進(jìn)行梳理。相對于安裝于彎道內(nèi)的導(dǎo)葉葉柵，安裝在彎道前的整流柵，其加工和安裝更為容易，因此其也是離心壓縮機、鼓風(fēng)機等風(fēng)機類產(chǎn)品進(jìn)口前常用的整流裝置[9]。

本文在離心壓縮機進(jìn)口前加旋繞式整流柵，通過可視化試驗研究旋繞式整流柵對90°彎頭出口流道及離心壓縮機性能的影響。

1 彎頭整流柵的試驗研究

本文選取內(nèi)徑為316mm的90°彎頭作為研究對象。整流柵的主要幾何尺寸及安裝參數(shù)如表1所示。

表1 彎頭整流柵的主要幾何尺寸及安裝參數(shù)表Table 1 Main geometric and mounting parameters of elbow fence

為了考慮整流柵的預(yù)旋方向?qū)﹄x心壓縮機性能的影響，設(shè)計了左、右兩種旋向的整流柵。其中左旋整流柵為葉片沿著進(jìn)氣方向向左邊扭曲，右旋則是整流柵葉片沿著進(jìn)氣方向向右側(cè)扭曲。加工后的整流柵如圖1和圖2所示。

圖1 左旋整流柵圖Fig.1 Left preswirl fence

圖2 右旋整流柵圖Fig.2 Right preswirl fence

1.1 整流柵對彎頭后管道對稱截面流動均勻性的影響

為了研究整流柵對管道內(nèi)部流動均勻性的影響，對在有彎頭整流柵和無彎頭整流柵兩種情況下，流體經(jīng)過彎頭后的管道對稱面的流動進(jìn)行測量。本次流動測量采用粒子成像測速儀(PIV)。試驗現(xiàn)場照片如圖3～5所示。PIV試驗選用的示蹤粒子為霧化油滴顆粒(硅樹脂油)，該粒子質(zhì)量輕，具有較佳的流場跟隨性，是常規(guī)空氣流場速度測量中推薦使用的示蹤粒子之一[10],因此本PIV試驗測試精度較高。

圖3 集流器進(jìn)口噴油圖Fig.3 Oil jetting into the inlet of collecting facility

圖4 有機玻璃管安裝位置圖Fig.4 The location of PMMA tube

圖5 粒子成像測速（PIV）系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖Fig.5 Site layout of PIV

由于本試驗采用PIV的最大測量范圍約為10mm× 10mm。試驗的流場具有較強的非定常特性，因而不能通過不同部位測量結(jié)果的直接疊加來獲得彎頭后整片區(qū)域的流動分布。本試驗管道的內(nèi)徑為316mm，為了使得測量區(qū)域超過半個管道內(nèi)徑，本試驗測試了兩個截面的速度分布。本試驗測量的兩個截面位置及大小如圖6和圖7所示。截面1的坐標(biāo)系定義如圖7左邊坐標(biāo)系所示。截面2的坐標(biāo)系定義如圖7右邊坐標(biāo)系所示。

圖6 試驗裝置及測量位置示意圖Fig.6 Sketch of test facility and measuring location

圖7 測試位置及坐標(biāo)系位置圖Fig.7 Location of measurement and coordinate system

1.2 整流柵對彎頭后管道對稱截面流動均勻性的影響的結(jié)果及分析

圖8～11是離心壓縮機進(jìn)口接左旋整流柵時，進(jìn)口管道流速為15m/s時某時刻的流場測試結(jié)果。圖8和圖10可以看出各管道流速為15m/s下，無整流柵時，截面1和截面2處的流動具有較強的非定常性。而加左旋整流柵后，截面1和截面2處的流動不管是大小還是方向均變得較為均勻。由于離心壓縮機進(jìn)口接右旋整流柵時，結(jié)論一致，這里不一一列出。

由于有無整流柵時，截面1和截面2具有類似的結(jié)論。為了簡化篇幅，圖12～17只列出其它進(jìn)口管道流速下有無整流柵時截面1上某一時刻的速度分布。從圖12～17可以看出，在其它流速下，整流柵同樣可以使得彎頭后面的流動更加均勻。

圖8 無整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.8 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖9 有整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.9 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖10 無整流柵時，截面2上某時刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.10 Velocity distributions at section 2 without fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖11 有整流柵時，截面2上某時刻的速度分布圖（管道流速為15m/s）Fig.11 Velocity distributions at section 2 with fence（flow velocity in the tube is 15 m/s）

圖12 無整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為20m/s）Fig.12 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 20 m/s）

圖13 有整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為20m/s）Fig.13 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 20m/s)

圖14 無整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為25m/s）Fig.14 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 25 m/s)

圖15 有整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為25m/s）Fig.15 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 25 m/s）

圖16 無整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為30m/s）Fig.16 Velocity distributions at section 1 without fence（flow velocity in the tube is 30 m/s）

圖17 有整流柵時，截面1上某時刻的速度分布圖（管道流速為30m/s）Fig.17 Velocity distributions at section 1 with fence（flow velocity in the tube is 30 m/s）

1.3 整流柵對離心壓縮機級性能的影響

為了評價整流柵對離心壓縮機級性能的影響，對加整流柵前后的離心壓縮機性能也進(jìn)行了測試，彎頭出口距離葉輪進(jìn)口距離為389mm，約為1.1倍管道外徑。試驗結(jié)果如圖18～20所示。本文的效率均除以對應(yīng)馬赫數(shù)下的最高效率。

圖18 效率隨流量變化曲線圖Fig.18 Efficiency versus flow coefficient

圖19 能頭隨流量變化曲線圖Fig.19 Head as a function of flow coefficient

圖20 壓比隨流量變化曲線圖Fig.20 Pressure ratio as a function of flow coefficient

從圖18～圖20可以看出，當(dāng)機器馬赫數(shù)為0.65時，安裝左旋整流柵時，壓縮機效率基本保持不變，而安裝有右旋整流柵時，壓縮機效率略有小幅下降，而其能頭和壓比卻比無整流柵時有所提高。當(dāng)機器馬赫數(shù)為0.85時，當(dāng)流量系數(shù)小于0.06，即對應(yīng)的管道流速小于35m/s時，安裝有左旋整流柵比沒有安裝整流柵的效率略有提高，高效點大約提高6‰，小流量時效率提高超過1%。當(dāng)管道流速大于35m/s時，安裝有右旋整流柵比沒有安裝整流柵的效率略有提高。與沒有安裝整流柵時相比，離心壓縮機整機的能頭提高1%～4%，壓比約提高1%。

總的來說，在較小馬赫數(shù)，整流柵使得離心壓縮機性能基本保持不變或者說略有降低。出現(xiàn)這種情況主要有兩個原因：一方面，機器馬赫數(shù)較小時，葉輪的總壓升較小，此時，整流柵增加的總壓損失對離心壓縮機整機效率影響較大。另一方面，機器馬赫數(shù)較小時，整流柵產(chǎn)生的預(yù)旋對葉輪進(jìn)口氣流角的影響較大，導(dǎo)致葉輪進(jìn)口存在較大的正沖角或負(fù)沖角，這將較大程度的降低離心壓縮機的效率。而當(dāng)機器馬赫數(shù)較大時，這兩方面的負(fù)面影響將減小。因而在較高馬赫數(shù)下，右旋整流柵能提高壓縮機的性能，而左旋整流柵能在壓縮機性能略有提高的前提下，較大幅度的提高離心壓縮機的能頭和壓比。

2 結(jié)論

本文研究旋繞式整流柵對90°彎管流動均勻性及離心壓縮機性能的影響。結(jié)論如下：

1）90°彎管前安裝旋繞式整流柵能有效改善彎管后流動的均勻性。

2）在較小機器馬赫數(shù)時，整流柵使得該離心壓縮機性能基本保持不變或者說略有降低。

3）在較高機器馬赫數(shù)下，右旋整流柵能提高該壓縮機的性能，而左旋整流柵能在該壓縮機性能略有提高的前提下，較大幅度的提高該離心壓縮機的能頭和壓比。

[1]Humphrey J A C.Turbulent flow in a square duct with st rongcurvature[J].Fluid Mechanics,1981,103:443-463.

[2]尚虹，王尚錦，席光，等.90°圓截面彎管內(nèi)三維紊流場試驗研究[J].航空動力學(xué)報，1994，9(3)：263-266.

[3]謝龍，靳思宇，王玉璋，等.閥體后90°圓形彎管內(nèi)部流場PIV測量及POD分析[J].實驗流體力學(xué)，2012,26（3）：21-25.

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Experimental Study of the Influence of a Preswirl Fence on the 90°Elbow Flow Uniformity and the Centrifugal Compressor Performance

Fu-an Lu Yu-ying Sun Yun LiHong-li YiHui Zhou Bo Sun
（Shenyang Blower Works Group Corporation）

In this paper,PIV visualization experiments are performed in which a preswirl fence is mounted upstream of the inlet of a compressor to determine the influence of the preswirl fence on the 90°elbow flow uniformity and the centrifugal compressor performance.The results show that if the preswirl fence is installed in front of the 90°elbow it can effectively improve the uniformity of the flow downstream of the elbow.When the centrifugal compressor is operated at low Mach number based on the rotor tip speed,its efficiency remains unchanged or decreases slightly when either a left or right preswirl fence is installed.When the centrifugal compressor runs at high Mach number,its efficiency increases when the right preswirl fence is installed,and its efficiency slightly increases with a substantial increase in head and pressure ratio when a left preswirl fence is installed.

centrifugal compressor;90°elbow;fence;performance;flow uniformity

TH452；TK05

：1006-8155-(2017)01-0065-07

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0008

2016-06-25 遼寧 沈陽 110869