鄭夢子，劉所利，徐燕驥，李斌

（1.上海大學(xué)，機電工程與自動化學(xué)院，上海 201210；2.中國科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；3.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

擴壓器是離心壓氣機的核心部件，其性能和內(nèi)部流動對離心壓氣機級效率、壓比和運行工況范圍等性能有著非常重要的作用。Eckardt和Krain采用實驗方法驗證了Dean等提出的葉輪出口射流-尾跡模型。文獻指出漸縮型通道已被廣泛應(yīng)用于擴壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。殷明霞等對某離心壓氣機子午流道進行改型，指出改型后的離心壓氣機流場較原型有一定程度的改善。海洋等研究表明擴壓器子午流道采用漸縮型結(jié)構(gòu)可以減少離心壓氣機流場損失。本文在離心壓氣機設(shè)計工況下研究了擴壓器子午流道不同出進口寬度比對離心壓氣機性能的影響，這對進一步優(yōu)化離心壓氣機設(shè)計有著重要意義。

1 計算模型和數(shù)值模擬方法

1.1 計算模型

本文研究對象為課題組設(shè)計的高轉(zhuǎn)速、高壓比離心壓氣機，由帶大小葉片的離心葉輪和楔形擴壓器構(gòu)成。在離心壓氣機其它幾何尺寸不變的情況下，保持擴壓器進口寬度不變，改變擴壓器出口寬度，重新優(yōu)化了擴壓器子午流道形狀，使其出進口寬度比分別為1、0．9、0．7、0．6、0．5 和 0．4，其中寬度比 1 為原始模型。

1.2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬采用了NUMECA商用軟件，以雷諾時均的湍流Navier-Stokes方程作為運動方程模型，在時間方向上運用顯式Runge-Kutta方法推進求解，采用中間節(jié)點的有限體積法對Navier-Stokes方程進行空間離散，湍流模型選用Spalart-Allmaras一方程模型。

離心壓氣機的計算域由進口延伸區(qū)、葉輪葉片區(qū)、擴壓器葉片區(qū)及出口延伸區(qū)組成，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將進口延伸區(qū)與葉輪葉片區(qū)看作動葉排，擴壓器葉片區(qū)與出口延伸區(qū)看作靜葉排，然后將動、靜葉排聯(lián)合在一起生成計算域網(wǎng)格，利用動靜混合平面進行葉排間數(shù)據(jù)傳遞，這樣就避免了葉輪與葉片擴壓器分別計算時邊界條件無法準(zhǔn)確給定的缺陷。計算域網(wǎng)格分布如圖1所示，網(wǎng)格總數(shù)120萬。

圖1 離心壓氣機網(wǎng)格分布

數(shù)值模擬在額定工況下進行，進口給定總壓101325Pa，總溫288．15K，軸向進氣；出口平均靜壓，通過調(diào)節(jié)出口靜壓與流量獲得特性曲線；固壁設(shè)置為絕熱、無滑移壁面。

2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

圖2給出了不同寬度比離心壓氣機特性曲線對比，表1為數(shù)值模擬結(jié)果?？梢钥闯觯S著擴壓器出進口寬度比減小，壓氣機堵塞流量減小，這是由擴壓器通流面積減小引起的；當(dāng)擴壓器出口減小過多時，流道內(nèi)粘性作用所占比重加大，粘性損失增加，離心壓氣機各項性能參數(shù)出現(xiàn)先增后減的趨勢；當(dāng)寬度比在0．5附近時，等熵效率和總壓比都較為理想，與原始模型相比，等熵效率高出1．106個百分點，總壓比增加了0．075，擴壓器總壓恢復(fù)系數(shù)增加了0．022。

圖2 不同寬度比特性曲線

表1 數(shù)值模擬結(jié)果

為詳細分析數(shù)值模擬結(jié)果，以下選擇寬度比為1、0．7和0．5這三種情況進行流場對比分析。圖3為不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面靜壓分布，圖4給出了不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面馬赫數(shù)分布?？梢钥闯觯瑲饬髟跀U壓器內(nèi)沿流道方向壓力逐漸增大，且壓力增大過程主要集中在擴壓器葉片前半部分，擴壓器葉片前緣壓力面附近均存在高壓區(qū)，吸力面附近形成低壓區(qū)，不同寬度比時擴壓器內(nèi)靜壓分布無明顯差別。和馬赫數(shù)分布進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，氣流在擴壓器葉片吸力面附近加速，形成局部超音區(qū)的同時靜壓減小導(dǎo)致低壓區(qū)形成，壓力面的靜壓分布并未受此影響。結(jié)合圖5可以看出，氣流在擴壓器內(nèi)沿流道方向速度逐漸減小，寬度比為1時氣流在葉片尾緣附近分離現(xiàn)象較嚴重，形成大范圍的低速區(qū)，造成擴壓器出口氣流流動性較差，隨著擴壓器出口寬度縮小，低速區(qū)逐漸減小，寬度比為0．5時，擴壓器出口流動性較好。

圖3 不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面靜壓分布云圖

圖4 不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面馬赫數(shù)分布云圖

圖5 不同出進口寬度比擴壓器50%葉高截面速度流線

3 結(jié)語

（1）適當(dāng)減小寬度比可提高離心壓氣機性能，但寬度比減小過多會導(dǎo)致粘性作用突出，使粘性損失增加，反而會降低性能。相較于原始模型，當(dāng)寬度比為0．5時，離心壓氣機等熵效率高出1．106個百分點，總壓比增加了0．075，擴壓器總壓恢復(fù)系數(shù)提高了0．022。

（2）隨著寬度比減小，氣流在葉高方向受到擠壓，流動分離受到抑制，葉片尾緣附近回漩渦流逐漸減小，使得低速氣流減少，提高了擴壓器出口流動性和離心壓氣機性能。

（3）對本文所研究的離心壓氣機而言，擴壓器最佳出進口寬度比在0．5附近，具體到實際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮設(shè)備運行工況和加工裝配工藝等多方面因素來選擇最合適的寬度比。

參考文獻：

[1]ECKARDT D． Detailed Flow Investigations Within a High-Speed Centrifugal Compressor Impeller[J]．ASME Journal of Fluids Engineering,1976,98(3):390-402．

[2]KRAIN H． A study on centrifugal impeller and diffuser flow[J]．ASME Journal of Engineering for Power,1981,104(3):688-697．

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[6]海洋．WD095微型燃氣輪機離心壓氣機通流結(jié)構(gòu)性能研究[D]．大連：大連理工大學(xué)葉輪機械及流體工程研究所,2008．