离心压缩机进口导叶 相干的数值研究
压缩空气储能系统用多级离心压缩机进口导叶调节策略研究
Adjustment Strategy of Inlet Guide Vane of MultistageCentrifugal Compressor Applied in CAES *Kai-xuan Wang 1,2Zhi-tao Zuo 1,2,3Qi Liang 1Wen-bin Guo 1Ji-xiang Chen 1,2Hai-sheng Chen 1,2,3,*(1.Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Science;2.University of Chinese Academy of Science;3.National Energy Large Scale Physical Energy Storage Technology R&D Center (Bijie))Abstract：In the process of compressed air energy storage system working,the internal pressure of the gas storage device continues to rise,which requires the compressor to work in a wide pressure ratio range.High efficiency variable operating condition is the core requirement of compressors in compressed air energy storage system.In order to achieve this design goal,it is necessary to adopt appropriate adjustment methods and adjustment strategies.The adjustable inlet guide vane is simple in structure,can be operated in the working process,and can be automated by the servo device,which is one of the most suitable adjustment methods for the compressor in the compressed air energy storage system.This paper takes a 4-stage centrifugal compressor in compressed air energy storage system as the research object,and establishes a performance prediction method suitable for the multi-stage centrifugal compressor under varying working conditions.The performance curve of the single-stage centrifugal compressor is obtained by numerical simulation,and the performance superposition program of the stage is written to obtain the performance curve of the whole machine.The performance data of multistage centrifugal compressor is fitted to polynomial function by least square method,and the adjustable inlet guide vane adjustment strategy program is established by genetic algorithm with isentropic efficiency as optimization objective,inlet guide vane opening as optimization variable and outlet pressure or flow of the whole machine as constraint conditions.Keywords：Inlet Guide Vane Adjustment;Multistage Centrifugal Compressor;Adjustment Strategy摘要：压缩空气储能系统在储能过程中，储气装置内部压力不断升高，这要求压缩机在较大压比范围内工作。
离心压缩机进口导叶流场的数值模拟
文章编号: 1005—0329(2008)08—0012—04设计计算离心压缩机进口导叶流场的数值模拟温选锋,袁民建,谭佳健(西安交通大学,陕西西安 710049)摘 要: 使用NUMEC A计算软件,针对一个带有径向进气吸气室及可调进口导叶的离心压缩机级,在几个不同的进口导叶开度下,对压缩机级内部的三维粘性可压缩定常流动进行了非轴对称条件下的全通道数值模拟,并将计算所得到的在导叶全开状态下的级性能与该压缩机已有的级性能实验结果相比较,证实了数值模拟结果满足工程分析的精度要求。
然后给该压缩机级更换了一种新的可调进口导叶,在完全相同的条件下对该压缩机级再次进行数值模拟,并分析了导叶更换对压缩机级性能产生的影响。
最后,在进口导叶与叶轮之间选择了5种不同的轴向距离,在轴向进气及流动轴对称的简化条件下对该压缩机级分别进行了单通道数值模拟,对进口导叶与叶轮之间的最佳距离进行了初步探讨。
数值模拟结果表明,用新导叶取代原导叶对级性能影响不大,主要原因是更换导叶并没有改变导叶产生预旋的作用,增大导叶的预旋作用可能是离心压缩机在变工况调节运行中实现节能的更有效途径。
另外,原导叶与叶轮之间只有0.2倍导叶弦长的距离,从安全可靠性和气动性能等方面综合考虑,建议该距离加大到1.5倍导叶弦长更为合适。
关键词: 离心压缩机;进口导叶;数值模拟中图分类号: TK471.82 文献标识码: ANu m er i ca l S i m ul a ti on of the Flow F i eld for I n let Gu i de Vane i n Cen tr i fuga l Com pressorW E N Xuan2feng,Y UAN M in2jian,T AN J ia2jian(Xi′an J iaot ong University,Xi′an710049,China)Abstract: By using the NUMEC A commercial s oft w are,the32D steady comp ressible viscous fl ow in a whole inlet stage with ra2 dial inlet volute and I G V s is nu merically si m ulated at the nonaxisy mmetric conditi paris on of the stage perf or mance be2 t w een the p resent calculati on and the p revi ous one when I G V s is in full2open positi on confir m s that the p resent si m ulati on result is fit f or the engineering app licati on.Additi onally,nu merical si m ulati on is carried out for other I G V s at the sa me conditi on t o study the influence of I G VS on the stage perfor mance.Moreover,in order t o find out the app r op riate axial distance bet w een the I G V s and i m peller,five different cases are chosen and the single channel nu merical si m ulati on f or the comp ress or stage is res pectively conducted under the axial sucti on and axisy mmetric conditi on.These nu merical results indicate that changing I G V s has little effects on the regulati on perf or mance,since it has little effects on the functi on of the vane’p rer otati on.Enhancing the effect of vane’p rer otati on is likely t o be one of the effective ways t o save energy at off2design conditi on.The result als o suggests that the op ti m al distance bet w een the I G V s and i m peller should be1.5ti m es vane chord2length,rather than the original0.2ti m es,is a comp r om ise bet w een safety,reliability and aer odynam ic perf or mance.Key words: centrifugal comp ress or;inlet guide vane;nu merical si m ulati on1 前言大多数离心压缩机都是在一定工况范围内工作。
离心压缩机的流量调节范围
离心压缩机的流量调节范围一、进口导叶调节进口导叶调节是通过改变压缩机进口流体的流动方向和速度，从而改变压缩机的流量和压力的一种方法。
进口导叶的调节范围通常在90°到180°之间，可以实现对流量的大范围调节。
然而，进口导叶调节也存在一定的缺点，如导致流体在进口处产生较大的冲击和噪声，同时调节过程中流体的压力和温度也会发生变化。
二、出口导叶调节出口导叶调节是通过改变压缩机出口流体的流动方向和速度，从而改变压缩机的流量和压力的一种方法。
出口导叶的调节范围通常在0°到90°之间，可以实现对流量的小范围调节。
出口导叶调节的优点在于其对流体的压力和温度影响较小，同时调节过程中流体的流动状态也较为稳定。
然而，出口导叶调节也存在一定的缺点，如需要精确控制导叶的角度和位置，否则可能导致流体在出口处产生较大的冲击和噪声。
三、变频调节变频调节是通过改变压缩机的电机转速，从而改变压缩机的流量和压力的一种方法。
变频调节的范围较广，可以从零到最大流量进行连续调节。
变频调节的优点在于其对流体的压力和温度影响较小，同时可以实现无级调速，使得压缩机能够在不同的工况下运行更加稳定。
然而，变频调节也存在一定的缺点，如需要使用变频器等电力电子设备，导致成本较高。
四、气体旁路调节气体旁路调节是通过将一部分气体从压缩机出口处旁路回压缩机进口处，从而改变压缩机的流量和压力的一种方法。
气体旁路调节的范围较广，可以从零到最大流量进行连续调节。
气体旁路调节的优点在于其对流体的压力和温度影响较小，同时可以实现快速响应和灵活控制。
然而，气体旁路调节也存在一定的缺点，如需要精确控制旁路气体的流量和压力，否则可能导致压缩机运行不稳定。
五、液力耦合器调节液力耦合器调节是通过改变液力耦合器的输出转速，从而改变压缩机的流量和压力的一种方法。
液力耦合器调节的范围较广，可以从零到最大流量进行连续调节。
液力耦合器调节的优点在于其对流体的压力和温度影响较小，同时可以实现无级调速和灵活控制。
离心压缩机可调进口导叶研究综述离心风机可调进口导叶研究
{国际贸易}离心压缩机可调进口导叶研究综述离心风机可调进口导叶研究2.2调节效率理想的可调进口导叶不仅仅需要有较宽的调节范围，还要求有较高的效率，即较低的损失。
从其调节原理来看，它既有预旋效应，又有节流效应。
当压缩机负荷变化不大即导叶安装角较小时，预旋效应占主导地位，如果导叶叶型设计较好，具有良好的气动性能，这样其产生的损失就较小。
西安交通大学空气动力实验室的进气预旋试验还表明，在导叶安装角较小的调节范围内(～)，与无预旋相比，最高级效率值变化并不大，效率曲线的形状及平坦程度也相差无几，具有较高的调节效率。
而当负荷变化大，即导叶安装角较大时，节流效应占主导地位，这时就同节流调节一样，调节效率就较低。
另外，当导叶安装角较大时，在可调进口导叶的前缘会产生较大的冲击损失，且气流通过导叶产生预旋后，气流方向与叶轮叶片进口安装角不一致，也会产生冲击损失，导致效率降低。
值得指出的是，采用可调进口导叶负预旋调节时，理论上可以提高离心式压缩机的压力和流量，但却能导致叶轮进口气流相对速度的马赫数增大，从而增大损失。
因此，采用负预旋调节时，调节范围应有一定的限度[6，7]。
3结构参数对可调进口导叶性能的影响3.1通道几何形状对性能的影响3.1.1柱状环形通道Swain[8]使用DawesCFD程序BTOB3D实现了对可调进口导叶柱状环形通道性能的数值研究，但其忽略了在不同导叶安装角下叶顶间隙的变化和内壁的影响，随后Coppinger和Swain使用CFXTASC-flow进行数值分析得到了比较准确的结果，指出可调进口导叶系统柱状环形通道的3个不利之处[9]。
（1）在导叶安装角较大时，进气通道中心存在一个明显的泄漏区域，这个区域将会导致产生轴向射流。
（2）在中等导叶安装角(～)时，叶顶处打开了一个间隙区域，这个间隙导致损失增大。
（3）在导叶安装角较大时，气流通过导流叶片时会出现很大的压降，而在叶顶相对其转轴是悬臂的，这将导致叶片承受较大的弯矩。
离心压缩机可调进口导叶研究综述9
离心压缩机可调进口导叶研究综述北京航天同成伟业商贸有限公司。
摘要：综述了国内外对离心式压缩机可调进口导叶的研究状况，概括性地分类介绍了目前研究热点中取得的成绩和面临的问题，并对相关问题进行了探讨。
关键词：离心式压缩机可调进口导叶综述1 引言大多数离心式压缩机在实际运行时都是在一定工况范围内工作，仅在一个工况点运行的情况较少。
所以，除提高设计点的效率之外，提高离心式压缩机的调节性能也是节约能源的有效途径之一。
离心式压缩机常用的调节方法有进出口节流、可调进口导叶调节、可调叶片扩压器调节和变转速调节等。
其中，可调进口导叶调节是通过改变叶轮进口导叶的安装角从而改变气流预旋的调节方法。
与变转速调节相比，这种调节方式虽然效率较低，但在某些方面有自己的特色，如：系统结构相对比较简单，可以在不停车的条件下进行调节，利用伺服机构还可实现自动化。
因此，具有广阔的应用前景与研究价值。
可调进口导叶在20世纪50年代初就已经用于风机调节[1]，到80年代后期，国外对离心式压缩机可调进口导叶开始了比较全面的理论和试验研究，取得了较大的进步。
而国内的研究普遍要晚于国外，总体水平与国外尚有一定差距。
目前，国内外学者对离心式压缩机可调进口导叶的研究主要集中在可调进口导叶的调节性能、相关结构参数对导叶性能的影响、可调进口导叶与叶轮非定常相干作用、可调进口导叶的常见故障及处理等方面。
2 可调进口导叶的调节性能通常，评价可调进口导叶性能的主要标准有两个：一是调节范围的大小；二是调节效率的高低。
调节效率是指整个调节范围内或某一规定调节范围内的平均效率。
2.1 调节范围西安交通大学空气动力实验室曾对一个离心式压缩机级进行了进气预旋试验，得出了预旋角分别为,21-,17-,0,10+时的级性能曲线。
试验表明，当正预旋增加时，thh下降，能量头曲线()fψϕ=就向左下方移动；当负预旋增大时，thh增大，能量头曲线()fψϕ=就向右上方移动，从而使稳定工况范围扩大[2]。
离心压缩机进口导叶叶型的进一步研究
进进 口导 叶 的设 计 ， 开发 出高效 、 高可靠 性 的质量
流量 调节装 置 是我 国压缩 机行业 急需 解决 的关键
技 术之一 ， 对 于提 高我 国压缩 机设计 技术 ， 提升 企
业 竞争力 具 有重 要 的意 义 ， 同时 对 于节 能 减 排 具 有 重大 的现 实意义 。
２ ０ ＊ ． ０ 。 、 ２ ０ 。 、 ４ ０ 。 和６ ０ 。 ） 下 进行 数 值 模 拟嗍 。 由
于本 文是 在文献 ［ ３ ］ 的基 础 上 对 导 叶 的叶 型做 进
一
步的研究 和 改进 ， 所采用 的计 算模 型 、 计算 方法
为提 高离 心压 缩机 进 口导 叶 的质 量 流量调 节 能力 ， 对 导叶 叶 型 的改 进 是其 中一 种 比较 有 效 的
进 一步 的研究 和 改 进 ， 改 进 的结 果 使 导 叶的 调 节 能 力进 一步增 强 。
设 计技 术 比较 落后 ， 进 口导 向 叶片 调 节 质量 流 量
的能 力不 够 ， 导 致 在 冬季 由于 气量 过 剩 而 排空 浪
费掉 ， 最多 的 时 候 要 排 空 高 达 ３ ０ 的气 量 ， 国 际
收 稿 日期 ：２ ０ １ ５ 一 Ｉ Ｉ 一 １ ２ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ １ ． ２ ６ ．
（ １ ９ ６ ２） 作者简介： ］ ￣ 力 机 械 及 工 程
－
和参 数 的设 定 等均 与文献 ［ ３ ］ 完 全相 同 。 在文献 ［ ３ ］ 中， 分 析 了直叶 型的相 对厚度 和弯
…
…
一
、
流 体 机械 及 工 程 等 ．Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｃ ｈ ｕ ｎ ｊ ｉ ＠ｄ ｌ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
进口导叶／叶轮／扩压器非定常相干的数值研究
摘
要： 在非 零进 口导 叶预 旋 角度 下 ， 采用非 定 常的方 法对进 口导 叶／ 叶轮 ／ 扩压 器三部 件之 间非定
常相 干进 行 了数值模 拟 ， 究 了进 口导叶／ 研 叶轮／ 压 器三部件 之 间动静 相 干的机 理 。结果表 明 ， 扩 叶
轮 由于受进 口导 叶尾 流和 扩 压 器势反 冲效应 的双 重非定 常影 响 ， 叶轮 受非 定 常影 响 最小 的 区域 出 现在叶 片 ５ 孤 长 附近 ， ０ 最大 的非 定常 影响 出现 在叶轮 和 扩压 器之 间 的动静 交界 面上 。 当离心压 缩机前 带有进 口导 叶预旋 时 ， 扩压 器 受前 面两部件 的 同时影响 ， 扩压 器 叶 片上的 非定 常变化 沿流向
的相干非定 常流动 ， 如文 献 ［ ，］ １ ２ 。而 已有进 口可 调 导 叶方 面的工作 主要 着 眼于采 用进 口可 变导 叶改变 来 流预旋 条件 ， 以提 高机器 的 总体气 动性 能 ， 如文献
［ ，］ 目前有关进口导叶尾流尤其是大尺寸分离涡 ３４ 。
团与 叶轮 及扩压器 相 干非定 常作 用机 制 的认识 还相 当粗 浅 ， 展离 心压 气 机 进 口导 叶 与 叶轮 及 其 叶 片 开 扩 压器 之间 的相 干非 定 常 作用 机 理 的研究 ， 可为 提 高 大型离 心压缩机 的设计 和 运行 可靠 性提供 理论 基
比较均 匀。
关
键
词 ： 口导 叶 ， 进 叶轮 ， 压 器 ， 扩 非定 常影 响
文献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ：０ ０２ ５ （０ ７ ０ —６ ５０ １ ０ — ７ ８ ２ ０ ） ５０ ２ — ５
中图分类号 ： ３ ． Ｖ２ １ ３
叶轮机 械 内部 ， 静 叶片排 之 间相对 运动所 引 动／ 起 的非定 常性 会 影 响机 器 的效 率 、 况 范 围 和运 行 工 稳定性 等气动 性能 。径 流式 叶轮机 械 方面 的研究 工
进口导叶对离心风机预旋作用的探索
此 时流 量增加 较快 ， 流量 产 生反预 旋作 用 ， 因此风
机 的功 耗继续 增 加 ， 电流增 大 ， 当进 口导叶 开到某
一
差距 ， 进 口导 叶 反旋 作 用 时 ， 同等载 荷 工 况 下 ， 风 机 温 升较 高 ， 压 升较 大 ， 电机 电流较 高 ， 而进 口导 叶在正 旋 作 用 下 虽 然 压 升 较 反 旋 时 下 降 １ ０～
因此 ， 进 口导 叶正 旋 作 用 时风 机 的 功 耗 较反 旋 作用 时低 ， 但 进 口导 叶反 旋 作用 可 以获 得较 高 的压力 及较 大 的流量 。 ２ ． ２ 进 口导 叶 正 、 反 旋 状 态 对 风机 系 统 机 械性 能 的影 响分 析 当进 口导 叶正 旋 作用 时 ， 风机 系 统 在 小 流量
位置时（ 部 分资料 显示 为 ３ ０ ％一 ４ ０ ％） ， 风机 流
量 与进 口导 叶 的双 重 反 预旋 作 用 达 到最 大值 ， 此 时风机 的 电流 最 大 ， 功 耗最 大 。但 是 随 着 前 导 向
继续 开 大 ， 风 机 流量与 前导 向 的双 重作 用减 弱 ， 风
机 的 电流 略有下 降 ， 功 耗亦 略有下 降 。
１ ５ ｋ Ｐ ａ 左右 ， 但 电流下 降 ２ ０ ０～ ２ ５ ０ Ａ左右 ， 电机 功 率 大 幅度下 降 ， 在 满 足 本 厂 生 产 系统 工 艺 指 标 的 前 提下 ， 大 幅度节 省 了电机 功率 。 ２ ． １ 进 口导 叶正 、 反 旋 状 态对 风 机 系 统性 能参 数 的影 皇 析 根 据欧 拉方 程式 Ｈ Ｔ＝（ ／ ／ ￣ ２ Ｔ ２ Ｔ 一／ ／ ， Ｉ Ｔ ＇ ） ／ ） ／ ｇ （ １
某离心式压缩机可调进口导叶叶型研究
均为 Ｈ－ Ｉ 型， 网格 总数 为 １ ６ ０ ０万 左 右 。子 午 通
道和 整级 网格如 图 １ 、 ２所示 。
１ 研 究 对 象 及 数 值 计 算 方 法
１ ． １ 研 究对 象 图１ 子午通 道 示意 图
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈ ｏ ｆ ｍｅ ｒ ｉ ｄ ｉ ｏ ｎ ａ １ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ
第 ｌ ２卷 第 ２期
２ ０ １ ３年 ６月
热 科 学 与 技 术
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｔｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ 【 ． １ ２ ＮＯ ． ２
Ｊ ｕ ｎ ．２ Ｏ １ ３
摘要 ：通过 Ｃ Ｆ Ｄ软件 Ｎ Ｕ ＭＥ Ｃ Ａ对带有可调进 口导叶的离心式压缩机的首级进行全通道数值模拟。通过
改 进 导 叶 叶 型 以 满足 离 心 压 缩 机 流 量 调 节 性 能 的要 求 。结 果 表 明 ， 与 原 始 叶 型 相 比 新 叶 型 的 耗 功 情 况 和 效 率 变化不大 ， 但 调 节 范 围扩 大 ； 弯叶型的流量调节能力高 于直叶 型， 而且 导 叶 弯度 越 大 ， 调 节 范 围越 大 。 选 取 合
文 章 编 号 ：１ ６ ７ １ — ８ ０ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ １ ３ １ — ０ ４
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ — ８ ０ ９ ７ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ０ ７
某 离 心 式 压 缩 机 可调 进 口导 叶 叶型 研 究
离心式压缩机性能参数相似设计计算（论文资料）
离心式压缩机性能参数相似设计计算李富成步群/东北大学钮惠祥/盛虹集团有限公司摘要:介绍了离心式压缩机完全相似条件,主要性能参数、其关系方程、无因次数及无因次方程,相似设计计算公式及使用方法。
关键词:离心式压缩机;性能参数;设计计算中图分类号:TH452文献标识码:B文章编号:1006-8155(2008)01-0023-05The Similar Design and Calculation Method for Performance Parameter of Centrifu gal C ompressorsAbstract:This paper introduces the total similar conditions of centrifug al compressors and the main performance parameter,relation equation, dimensionless number and dimensionless equation.And the sim ilar design and calculation equation and its using method are also specified in this paper.Key words:centrifugal compressor;performance parameter;design and calculation0引言离心式压缩机性能参数相似设计计算是最简便、最快速、最可靠的设计计算方法。
采用这种方法可省时、省力。
为此,笔者以相似理论为基础结合离心式压缩机实际情况,推出一套离心式压缩机性能参数相似设计计算公式和计算方法。
离心式压缩机有单级与多级。
多级离心式压缩机由若干级串联而成。
本文着重讨论单级离心式压缩机性能参数相似设计计算。
为了讨论方便,只研究离心式压缩机模型与实物之间相似问题。
离心压缩机可调进口导叶研究综述离心风机可调进口导叶研究
{国际贸易}离心压缩机可调进口导叶研究综述离心风机可调进口导叶研究2.2调节效率理想的可调进口导叶不仅仅需要有较宽的调节范围，还要求有较高的效率，即较低的损失。
从其调节原理来看，它既有预旋效应，又有节流效应。
当压缩机负荷变化不大即导叶安装角较小时，预旋效应占主导地位，如果导叶叶型设计较好，具有良好的气动性能，这样其产生的损失就较小。
西安交通大学空气动力实验室的进气预旋试验还表明，在导叶安装角较小的调节范围内(～)，与无预旋相比，最高级效率值变化并不大，效率曲线的形状及平坦程度也相差无几，具有较高的调节效率。
而当负荷变化大，即导叶安装角较大时，节流效应占主导地位，这时就同节流调节一样，调节效率就较低。
另外，当导叶安装角较大时，在可调进口导叶的前缘会产生较大的冲击损失，且气流通过导叶产生预旋后，气流方向与叶轮叶片进口安装角不一致，也会产生冲击损失，导致效率降低。
值得指出的是，采用可调进口导叶负预旋调节时，理论上可以提高离心式压缩机的压力和流量，但却能导致叶轮进口气流相对速度的马赫数增大，从而增大损失。
因此，采用负预旋调节时，调节范围应有一定的限度[6，7]。
3结构参数对可调进口导叶性能的影响3.1通道几何形状对性能的影响3.1.1柱状环形通道Swain[8]使用DawesCFD程序BTOB3D实现了对可调进口导叶柱状环形通道性能的数值研究，但其忽略了在不同导叶安装角下叶顶间隙的变化和内壁的影响，随后Coppinger和Swain使用CFXTASC-flow进行数值分析得到了比较准确的结果，指出可调进口导叶系统柱状环形通道的3个不利之处[9]。
（1）在导叶安装角较大时，进气通道中心存在一个明显的泄漏区域，这个区域将会导致产生轴向射流。
（2）在中等导叶安装角(～)时，叶顶处打开了一个间隙区域，这个间隙导致损失增大。
（3）在导叶安装角较大时，气流通过导流叶片时会出现很大的压降，而在叶顶相对其转轴是悬臂的，这将导致叶片承受较大的弯矩。
带可调进口导叶离心压缩机的性能分析
图1
带可调进口导叶的离心压缩机示意图 图2 压比 流量性能曲线
Fig 1 Sketch of a centrifugal compressor with adjustable guide vanes
2
数值模拟
本文采用商业计算软 件 NUMECA 来分析 带可 3. 2
Fig 2
Pressure rat io f low volume performance curve
( 上海交通大学 机械与动力工程学院, 叶轮机械研究所 , 上海 200030) 摘 要: 以数值模拟的方式对某带可调进口导叶的离心压缩机级内部流动进行了分析研究 。 对计
算得到的性能曲线及相对速度矢量图的分析表明 , 进口导叶正旋绕时性能曲线向小流量区移动, 负 旋绕时向大流量区移动; 经最高效率点进入小流量区后效率下降较快 ; 在进口导叶大安装角情况 下, 在大的流量范围内导叶区域均存在显著分离, 大流量时短叶片吸力面前部有回流区, 小流量时 长叶片吸力面上发生分离 。图 8 参 7 关键词: 动力机械工程 ; 离心压缩机; 可调进口导叶; 性能曲线 ; 安装角 中图分类号 : TK474. 82 文献标识码: A
Performance Analysis of a Centrifugal Compressor with Adjustable Inlet Guide Vanes
XIAO Jun , GU Chuan -gang , SHU Xin -wei , GAO Chuang ( Institute of Turbo - machinery, School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiaotong University, shanghai 200030, China) Abstract: The flow inside a certain centrifugal compressor stage, equipped with adjustable guide vanes, has been investigated by numerical simulation. The performance curve and relative velocity s vectograph, obtained by calculation, shows that the performance curve shifts towards smaller flow volume in case the guide - vanes are turned in the positive direction and towards larger flow volume if turned negative; the efficiency drops relat ively quick after having passed the point of maximum efficiency and entering the region of smaller flow volume; obvious flow separation exists in the region of large flow volume, guide vanes set with a large installation angle cause back flow regions to appear in front of splitter suction surfaces for large flow volume, while flow separat ion occurs on suction surfaces of the long blades under smaller flow conditions. Figs 8 and refs 7. Keywords: power and mechanical engineering; centrifugal compressor; adjust able guide vane; performance curve; installation angle
毕业论文 离心压缩机的进出口调节
毕业论文离心压缩机的进出口调节本次报告的主题是毕业论文“离心压缩机的进出口调节”。
离心压缩机是一种非常重要的工业设备，广泛应用于空气压缩、石油化工、冷冻空调和制冷等领域。
在离心压缩机的使用过程中，进出口调节是不可或缺的一环，本文将从离心压缩机的工作原理入手，对其中进出口调节的实现方式进行详细的介绍。
一、离心压缩机的工作原理离心压缩机的工作原理是利用离心力将气体压缩。
在压缩机中，气体进入中心轴向的进气管道，并且预先设定好的叶轮将气体分散到叶轮的每个叶片处。
随着叶轮的旋转，气体在离心力的作用下向外扩散，经过导叶的引导，扩大的气体被导入到压缩腔室内，再经过腔体和叶轮的挤压和绕流，将气体压缩成高压状态。
最终经过出口管道排出。
二、离心压缩机的进出口调节方式离心压缩机的进出口调节主要是为了调节流量，增加或减少气体的进入量。
其目的是保证压缩机的稳定运作，提高能量效率。
目前，离心压缩机的进出口调节方式有以下几种：（一）闸板调节方式闸板调节是通过设置在进气管或出气管上的闸门来调节进出口的流量，它的原理是通过改变进出口的面积来增加或减少气体的进出。
这种方式调节操作简便，但是存在调节精度不高、泄漏损失大等缺点。
（二）变频调节方式变频调节通过调节离心压缩机的电机转速，从而实现进出口流量的调节。
这种方式具有调节范围大、调节精度高、能耗低等优点，但是价格较高，对设备的要求也较高。
（三）机械调节方式机械调节方式主要是通过调节叶轮来改变进出口的流量。
这种方式操作灵活，调节精度高，但是需要联动控制液压、机电等多个系统，并且对设备维护和保养的要求也较高。
三、总结通过以上分析，我们可以看出不同的进出口调节方式各有优缺点，具体使用需要根据实际需要进行选择。
在实际使用中，我们要结合离心压缩机的实际情况和要求，选择最适合的进出口调节方式，从而提高设备的运行效率和稳定性。
离心压缩机内进口导叶后面流场的实验研究
离心压缩机内进口导叶后面流场的实验研究
周莉;蔡元虎
【期刊名称】《实验流体力学》
【年(卷),期】2008(022)001
【摘要】在不同的进口导叶预旋角度下对一单级离心压缩机级进口导叶后面的流场进行了测量,分析了进口导叶预旋角度对流动及性能的影响.结果表明:在适当的流量工况下,选择不同方式的进口导叶预旋,可以使得压缩机级的运行得到优化.-20°预旋角是在设计扩压器进口安装角下使压缩机运行最理想的工况.由于叶轮旋转的影响,以及非对称形状的蜗壳在叶轮进口形成的不均匀的流场,使得在进口导叶零预旋时,叶轮进口的流动具有预旋,其同轴向的夹角约为10°.当体积流量减小时,由叶轮旋转和蜗壳形状引起的预旋角度也相应的减小.
【总页数】5页(P17-20,45)
【作者】周莉;蔡元虎
【作者单位】西北工业大学动力与能源学院,陕西,西安,710072;西北工业大学动力与能源学院,陕西,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】V211.7
【相关文献】
1.离心压缩机进口可调导叶尾缘吹气数值模拟 [J], 辛建池;王晓放;陈旭东;石海;周路圣;杨树华
2.进口入射角对卧螺离心机内流场的影响 [J], 邱发华;吴蕾
3.导叶对抽真空离心压缩机内流影响的数值研究 [J], 程超;秦国良
4.离心压缩机进口导叶流场的数值模拟 [J], 温选锋;袁民建;谭佳健
5.基于FLUENT的离心式压缩机内部流场的数值模拟研究 [J], 张岳;唐美玲;张凯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
可调进口导叶数据库开发及性能快速预测研究
可调进口导叶数据库开发及性能快速预测研究张鹏刚【期刊名称】《《机电产品开发与创新》》【年(卷),期】2019(032)004【总页数】3页(P12-14)【关键词】可调进口导叶; 离心压缩机; 性能预测【作者】张鹏刚【作者单位】沈阳鼓风机集团股份有限公司辽宁沈阳110869【正文语种】中文【中图分类】TP290 引言多数离心压缩机在实际运行时，都是在一定工况范围内工作，仅在一个工况点运行的情况较少。
除了提高设计点效率外，提高压缩机的调节性能也是节约能源的有效途径之一。
离心压缩机常用的调节方法有变转速调节、进口节流、可调进口导叶（VIGV）调节等。
做为一种重要的调节方式，可调进口导叶常用于电驱压缩机组的调节中[1，2]。
对可调进口导叶的研究分为两个方向：一是通过对导叶叶型研究，以使导叶具有更好的调节性能，流动损失更小、调节范围更宽[3-5]，大多数的研究集中在这个方面。
此外，有部分研发人员研究了导叶性能的预测[6-7]，这部分研究相对较少。
可调进口导叶性能的变化规律，不仅和导叶叶型有关，还与下游模型级的特性密切相关。
对于导叶和不同模型级的组合，变换规律显然是多种多样的。
可采用CFD计算来预测进口导叶不同开度时的性能[4，8]，然而CFD计算周期较长，同时计算的性能与实验测定的性能之间存在一定差导。
如何在设计阶段，快速准确地预测带可调进口导叶压缩机性能，显得十分重要。
本文开发了可调进口导叶数据库，将VIGV性能变换规律存储于数据库中。
编写了性能计算程序，实现带可调进口导叶时压缩机性能的快速预测。
1 数据库开发不同开度时性能曲线族组成了导叶的特性。
可调进口导叶性能曲线，应该通过试验测量手段测得。
然而测试不同条件、不同开度性能曲线，试验成本大且周期长。
出于经济考虑和工程上可行性原因，一般只对指定进口状态、转速下，测量若干开度曲线。
为使宝贵试验数据，能用于预测不同进口状态时性能，将测试得到曲线族拟合为无量纲规律。
离心压缩机进口可调导叶尾缘吹气数值模拟
离心压缩机进口可调导叶尾缘吹气数值模拟辛建池;王晓放;陈旭东;石海;周路圣;杨树华【摘要】为降低叶轮所受动静干涉,提高叶轮的安全性,本文以某带有进口可调导叶的离心压缩机为例,采用数值方法,在导叶中设置吹气槽道,补偿导叶所产生的尾迹影响,针对导叶不同开度以及不同吹气量,分析吹气结构后的叶轮流场及其气动载荷.结果表明:在0°开度下导叶尾缘吹气为2%压缩机总流量时,呈现出无动量亏损型尾迹,叶轮气动载荷降低显著,同时对压缩机外特性影响较低;随着导叶开度增加,导叶壁面分离加大,尾缘吹气效果反而降低.%In order to compensate the wake effect casing by guide vane,the air injection through two channels is ap-plied to the trailing edge. The trailing edge blowing reduces the impact of rotor-stator interaction and further de-creases the aerodynamic load on the following impeller. Thus,it improves the safty of the impeller. Based on nu-merical simulations,this article studies on the effect of the trailing edge blowing structure in a centrifugal compres-sor with variable inlet guide vane. The study analyzes the flow field and aerodynamic load under different guide vane angle during the centrifugal compressor operation. The simulation results show that the trailing edge blowing has a little influence on compressor performance. Under different blowing flows,the flow field shows different wake styles,which include pure wake,weak wake,momentumless wake and jet. When the blowing set 2% of the total flow under 0 degree guide vane angle,the momentumless wake appears,and the aerodynamic load on impellers has been reduced significantly,especially at the middle span of the impellers. With theincreasing of the guide vane an-gle,the wake distribution after the guide vane appears significant difference as the development of wall separation flow. It needs more blowing flow to reach the momentumless wake style,however,the effect has decreased. When the guide vane angle is large than 50 degrees above,the influence of wakes can be ignored.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】6页(P1006-1011)【关键词】离心压缩机;可调导叶;尾缘吹气;气动载荷;数值模拟;运行工况;无动量亏损尾迹【作者】辛建池;王晓放;陈旭东;石海;周路圣;杨树华【作者单位】大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024;大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室,辽宁大连116014;大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024;大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室,辽宁大连116014;大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024;大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室,辽宁大连116014;沈阳鼓风机集团股份有限公司,辽宁沈阳110000;大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024;大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室,辽宁大连116014;大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024;沈阳鼓风机集团股份有限公司,辽宁沈阳110000【正文语种】中文【中图分类】TH452目前，多数工业离心压缩机为了保证多工况运行条件，常选用进口可调导叶装置[1]。
大预旋下离心压缩机进口结构与导叶掠角的改进研究
大预旋下离心压缩机进口结构与导叶掠角的改进研究赵家毅;王志恒;席光;赵阳【摘要】为了解决大预旋下进口导叶诱发流动损失而降低进口预旋调节经济性的问题,将原进口导叶截面中前缘掠角改为相对顶端型线呈前掠,同时将传统衔接进口导叶处进气管道的顶端形状改为锥面.改进结构下进口导叶内部的二次流克服了大预旋下离心力引发的进口轮盘侧的大规模分离状况,改善了叶轮进口段的熵增情况.预旋角分别为+60°、-60°时,改进结构在宽流量范围内可以有效提升离心压缩机多变效率和总压比性能,提升幅值随流量的增大而升高;在工况范围左边界基本保持不变的情况下,改进结构对大预旋下压缩机工况范围右边界的扩展效果明显.该结果表明,改进结构可以有效提升大预旋下压缩机的性能,具有良好的应用前景及推广潜力.%At large pre-swirl,the flow loss induced by the inlet guide vane (IGV) usually degrades the economy of the regulation scheme.Aiming at reducing flow loss at large pre-swirl,the sweep angle at the leading edge of the IGV is changed in forward direction relative to the shroud line.The traditional shape of the shroud of the inlet pipe connecting with the IGV is modified to the cone.The secondary flow initiated within the improved design overcomes the considerable hub flow separation caused by the centrifugal force at the high pre-swirl.The situation of the entropy increase is heightened at the impeller inlet.The new structure efficiently improves the polytropic efficiency and the total pressure ratio of the centrifugal compressor within a wide operation range for the pre-swirl of +60 and-60 degrees.The improvements are enhanced with the increasing flowrate.While the left margin in the operation range remains constant,the right margin obviously widens.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2017(051)011【总页数】7页(P1-6,50)【关键词】离心压缩机;进口导叶;掠角;流动控制【作者】赵家毅;王志恒;席光;赵阳【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK123离心压缩机可以通过进口导叶调节(预旋)的方式使其性能曲线发生偏移,达到在更小或者更大流量下运转的目的。
改变进气通道结构提高离心压缩机进口导叶调节性能
2． 3
数值计算参数设置 以下使用 NUMECA 软件， 进行三维、 粘性、 单
通道、 定常数值模拟。 主要计算参数及边界条件 ［9 ］ 设置如表 1 所示 。
2011 年第 39 卷第 8 期
表1 项目 工质 湍流模型 差分格式 R － S 界面 信息传递方式 叶轮转速 设计流量 入口（ IN 截面） 边界条件 出口（ OUT 截面） 边界条件 主要计算参数及边界条件设置 设置情况 空气， 按理想气体处理 Spalart － Allmaras 中心差分 周向平均耦合法， 保证质量、 动量和能量守恒 9900r / min 4． 291kg / s
Improve the Regulating Performance of Centrifugal Compressor Inlet Guide Vanes by Modifying the Geometry of the Inlet Flow Channel LIU Tianyi1 ，WANG Rui2 ，TAN Jiajian1 ，QI Datong1
［9 ］
2． 2
研究方法
本文对压缩机的进气通道， 即位于 0 截面上 游的通流部分（ 如图 2 所示 ） 进行改进设计； 并以 压缩机性能参数的调节曲线 （ 简称调节曲线 ） 来 作为检验改进效果的基本标准
［3 ， 4， 8 ］
。
中垂线 l1 与 l2 之间的部分为积分区域， 可分别求 得改进前、 后功率调节曲线下方的面积 A 和 A' 。 A 和 A' 分别除以 （ q2 － q1 ） ， 即得到改进前后压缩 q2 ， q1］内的名义平均功率 P AVG 和 机在流量区间［ P' AVG 。P' AVG 相对于 P AVG 降低的比例， 就是名义省 功比 E S ： ES = P AVG － P' AVG A － A' = P AVG A
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第22卷第10期2007年10月航空动力学报Journal of Aerospace Pow erVol.22No.10Oct.2007文章编号:100028055(2007)1021715207离心压缩机进口导叶/叶轮动静相干的数值研究周 莉1,席 光2,蔡元虎1(1.西北工业大学动力与能源学院,西安710072;2.西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049)摘 要:对不同预旋角度下进口导叶/叶轮的相干进行了非定常的数值模拟,讨论了动静相干效应的主要因素,分析了非定常效应对叶轮内流场结构的影响.结果表明,在较大的负预旋角度下,叶轮流动呈现出周期性;造成叶轮内非定常性的主要因素是上游进口导叶的尾迹区,尤其是大尺度分离涡团导致叶轮的进口流动不稳定.导叶尾流的影响只涉及到叶轮通道的一部分(约30%叶片长度),而叶轮的势影响范围从进口导叶尾缘到约20%左右叶片弧长处.叶轮叶片通过频率和叶片旋转频率同时影响着进口导叶内部的非定常流动.关 键 词:航空、航天推进系统;预旋角度;动静相干;尾流;叶片通过频率;叶片旋转频率中图分类号:V211115 文献标识码:A收稿日期:2006209217;修订日期:2006212220基金项目:国家自然科学基金资助(50576073),西北工业大学青年科技创新基金作者简介:周莉(19782),女,河南信阳人,讲师、博士后,主要从事热机气动热力学的研究.Numerical investigation on IGV/impeller interaction in a centrif ugal compressor stageZHOU Li 1,XI Guang 2,CA I Yuan 2hu 1(1.School of Power and Energy ,Nort hwestern PolytechnicalUniversity ,Xi ’an 710072,China ;2.School of Energy and Power Engineering ,Xi ’an Jiaotong University ,Xi ’an 710049,China )Abstract :Numerical simulations on t he unsteady inlet guide vane (IGV )2impeller inter 2action were performed under different prewhirl angles.The main factors to IGV 2impeller in 2teraction were also discussed to analyze t he influence of unsteady flow effect upon flow field of impeller.The result s show t hat t he impeller flows periodically under large negative pre 2whirl angle.In such case ,t he wake of IGV outlet ,especially t he large size vortice formed behind IGV ,was t he key factor to st rong unsteady flow in t he downstream impeller inlet.The unsteady influence of IGV wake involved only a part of impeller passage (about 30per 2cent of t he blade chord ),and t he potential repercussion of t he impeller ranged from IGV t rail edge to 20percent of t he chord.Bot h t he passing f requency and rotating frequency of t he blade have influence on t he unsteady flow in IGV.K ey w ords :aero space prop ulsion system ;p rewhirl angle ;IGV 2impeller interaction ;wake ;passing frequency of t he blade ;rotating f requency of t he blade 离心压气机进口导叶与叶轮相干非定常作用非常强烈,而且作用机理也很复杂,解决不好,不航 空 动 力 学 报第22卷仅引起气动性能恶化,而且更严重时还会引起叶片共振,导致叶轮叶片疲劳破坏的严重事故.由此可见,离心压气机与其进口可调导叶之间的相干非定常作用,已成为影响现代离心压气机装备安全可靠性的重大问题.但是,目前关于离心压气机与其进口可变导叶之间相干非定常流动的研究报道很少.这方面的工作主要着眼于采用进口可变导叶改变来流预旋条件,以提高机器的总体气动性能,如文献[122]. 影响动/静相干非定常作用力的因素并非仅仅是转速与导叶叶片数的函数,而与非定常流动的结构,特别是变工况条件下导叶尾缘出现的大尺度分离涡团有重要关系.开展离心压气机进口导叶与叶轮之间的相干非定常作用机理的研究,掌握导叶尾迹及大尺寸分离涡团对叶轮叶片产生非定常激振的规律,是提高大型离心压缩机的设计和运行安全性必须进行研究的关键科学问题.本文对0°,30°进口导叶负预旋角度下的进口导叶/叶轮的非定常相干进行了计算,研究了进口导叶与叶轮之间的动静相干的机理.1 数值计算方法1.1 基本控制方程及数值算法 本文数值计算采用Numeca软件包,求解三维非定常Navier 2Stokes 方程组.计算中采用了Baldwin 2Lomax 的混合长度理论模型来求得紊流粘性系数.应用格子中心有限体积法,空间差分采用中心差分格式.时间项采用四阶Runge 2Kutta 法迭代求解.计算中使用全多重网格方法,结合隐式残差光顺方法及当地时间步长法,以获得最快的收敛速度[3].1.2 边界条件 计算中给定了整个级的进出口条件.在进口导叶进口给定总温、总压及绝对气流角;在叶轮出口给定出口静压.上下游延伸部分的周向边界采用周期性边界条件.对于固体壁面,取不可渗透、无滑移及绝热壁面边界条件.定常计算中采用混合平面直接在交界面上对参数进行周向平均,非定常流计算则利用滑移界面方法在界面上插值以进行参数的传递.2 计算模型 以某一离心压缩机级(进口导叶和叶轮)为研究对象,对其级环境下的流动进行了数值模拟.离心压缩机级的主要几何参数见表1.叶轮的转速为3030r/min ,进口体积流量为2.75m 3/s.为了使计算所用各叶片排的通道数尽量少,把叶轮的叶片数由20调整到21,进口导叶的叶片数由12改变至14.这样根据区域缩放的原则,计算在3个叶轮通道和2个进口导叶通道内进行.每个通道的网格数均为41×33×81,其中沿流向有81个计算站,周向有33个计算站,展向有41个.交界面位于动静部件中间的位置上.本文把叶轮通过两个进口导叶通道所用的时间作为一个周期,在进行非定常计算时,每个周期内设定50个物理时间步,分别对应50个不同的叶轮周向位置(相对于进口导叶),每个物理时间步下进行30次的虚拟时间步的内迭代.计算所采用的三维网格如图1所示.表1 离心压缩机级的主要几何参数T able 1 G eometric d ata of the centrifugalcompressor stage进口导叶叶轮进口直径d i /mm 222222进口叶片高度h i /mm 103.91出口直径d o /mm 422796出品叶片高度h o /mm43.8叶片数n1220图1 离心压缩机级的三维计算网格图Fig.1 Structure mesh of the centrifugal compressor3 计算结果及分析3.1 0°进口导叶预旋角度下的导叶/叶轮的非定常相干 首先对0°进口导叶预旋角度下的进口导叶/叶轮的相干进行了非定常计算.由于进口导叶的细长形状,其尾涡比方柱、圆柱绕流更难出现.文6171 第10期周 莉等:离心压缩机进口导叶/叶轮动静相干的数值研究献[4]计算表明,当零攻角时,流动并没有分离,无尾涡出现.图2给出了叶轮中间栅距处相对速度沿展向的分布图随时间变化的趋势,图中清楚的表明了在0°预旋角度下的进口导叶对叶轮的非定常影响基本上不存在,叶轮内的流动几乎是定常的.因而有必要研究较大负预旋角度下进口导叶/叶轮的非定常相干,探讨非定常相干的成因.图2 中间栅距处速度随时间变化的分布图Fig.2 Variation of the velocitywith time at mid 2pitch312 30°进口导叶负预旋角度下的导叶/叶轮的非定常相干3.2.1 不同截面位置处叶轮叶片表面的静压分布图 图3给出了叶轮叶片表面在轮盘附近、中间叶高和轮盖附近瞬态静压分布的变化包线.可以明显地看出,在叶轮通道的前半部分(约30%叶片长度),尤其靠近前缘处,由于进口导叶尾流的非定常影响,叶轮叶片表面的瞬态静压的非定常变化范围比后半部分大,叶轮通道后半部分的静压变化幅值很小,流动几乎呈定常性.靠近叶轮轮盘和轮盖附近,叶轮叶片受进口导叶尾流的非定常影响更加敏感.在沿叶轮叶高方向的各个截面,同叶轮叶片压力面相比,吸力面的静压变化幅度相对增大,这同文献[5]的结果相当吻合.同样的,为了研究叶轮对上游进口导叶的势反冲影响,图4给出了进口导叶叶片表面在不同叶高处瞬态静压分布的变化包线,同时还给出了尾缘附近静压幅值变化较大处的局部放大图.从图中可以看出叶轮对进口导叶的势反冲影响的范围从进口导叶的轮盖到轮盘,沿叶高方向不断的增大.在进口导叶轮盖附近,叶轮的势影响范围从进口导叶尾缘到3313%叶片弧长处,而在进口导叶轮盘附近,其影响范围增大到2313%叶片弧长处.在进口导叶的前半部分,静压值在各个时间步下几乎不发生改变.在图中仍然可以看出进口导叶吸力面所感受到的叶轮的势反冲影响范围比压力面大.从以上分析中可以看出,进口导叶和叶轮的非定常相干的最大值主要集中在进口导叶尾缘和叶轮的进口前缘处.图3 叶轮叶片表面瞬态静压的变化包线Fig.3 Static pressure distributi onthe impeller blade31212 不同叶高处的轴向速度分布图 由于进口导叶的偏转,流动在进口导叶的翼型后方出现流动分离,流场内存在分离涡团.为了分析进口导叶尾流对叶轮内流动的影响,图5给出了叶轮转过6/25周期角位置时进口导叶/叶轮在不同叶高处轴向速度分布图.由图可知,在进口导叶通道内,沿叶高方向在进口导叶的背腹面上轴向速度出现了负值,即出现了涡团.轴向速度从进口导叶的前缘沿流向到叶轮叶片前缘处逐渐呈辐射状而减小,在中间叶高处的轴向速度最大.在7171航 空 动 力 学 报第22卷图4 进口导叶叶片表面瞬态静压的变化包线Fig.4 Static pressure distributi on the IGV vane叶轮通道内轮盘的截面上(图5(a)),轴向速度在叶轮前缘附近的吸力侧形成高速区,在叶高中部高速区(图5(b))出现在通道中部,而靠近轮盖处(图5(c))则出现在叶轮前缘附近的压力侧,且在吸力侧附近轴向速度还出现负值.在叶轮中部以后,速度基本上不再发生变化,沿流向有比较均匀的分布.从上述不同叶高处轴向速度沿流向的分布可以看出,进口导叶的尾流强烈的影响着沿轴向的速度分布,同0°导叶预旋角度相比,30°导叶偏转使得叶轮进口的流场分布更加不均匀,从轮盘到轮盖,叶轮通道内的轴向速度高速区的位置从吸力侧向压力侧迁移.但由图可知,进口导叶的尾流并不能影响着整个叶轮通道的流动范围,在进入叶轮通道不久后,速度基本上不再发生变化.图5 不同叶高处轴向速度的分布图Fig.5 Axial velocity distribution along the spanwise 31213 轴向推力和扭矩的分布 进口导叶用于控制流量,其对压缩机在部分负载下的工况有益.在实验中可以观察到由于压缩机内部流场的非定常性而引起的进口导叶振动[627].为了减小振动并提高压缩机的可靠性,本文对进口导叶和叶轮上的轴向推力和扭矩进行了分析.轴向推力和扭矩的数学表达式分别为 轴向推力 F(t)=∑Sf・n z 扭矩 T(t)=∑Sr×f 其中F(t)为在时间t时的轴向推力,T(t)为在时间t时关于转轴的扭矩.f为时间t时作用在8171 第10期周 莉等:离心压缩机进口导叶/叶轮动静相干的数值研究局部面上某一元素点上的力,r 为某一元素点距转轴的距离,S 为进口导叶或叶轮叶片的面积. 由于计算所用的两个进口导叶通道和三个叶轮通道的叶片在三维空间中处于不同的位置,轴向推力和扭矩分别在x ,y 和z 方向上得到分量,总的轴向推力和扭矩可以看作是推力和扭矩矢量的模.|F (t )|=F (t )2x+F (t )2y+F (t )2z 其中F (t )x ,F (t )y ,F (t )z 分别为在时间t 时作用在叶片上轴向推力在x ,y 和z 方向上的分量.|T (t )|=T (t )2x+T (t )2y+T (t )2z 其中T (t )x ,T (t )y ,T (t )z 分别为在时间t 时作用在叶片上扭矩在x ,y 和z 方向上的分量. 图6和图7中分别给出了在一个周期中作用在进口导叶两个叶片和叶轮三个叶片上轴向推力和扭矩随时间的分布图,相应的频谱分析的能量谱强度如图8和图9所示.由于本文计算的对象是两个进口导叶通道和三个叶轮通道,转过三个叶轮通道所用的时间记为一个周期.从图6和图7中可以看出进口导叶上的轴向推力和扭矩在一个周期内发生三次显著的周期性变化,而作用在叶轮叶片上的轴向推力和扭矩在一个周期内则发生两次有规律的变化.还可以从图中看出,作用在进口导叶两个叶片上的轴向推力和扭矩随着时间步的推进不断的向下进行周期性的漂移,而且两个进口导叶叶片的推力和扭矩不但有相位上的偏差,而且在幅值上也差别较大,导叶2的幅值大于导叶1的幅值.但作用在三个叶轮叶片上的推力和扭矩仅在相位上存在滞后,幅值上几乎完全相等.在相应的FF T 分析图中,可以看出在进口导叶在导叶2上的能量谱强度小于导叶1,而且存在两个峰值,分别对应的频率为353.5Hz ,1060Hz ,即除了有叶片通过频率外,还存在叶片旋转频率.但在叶轮叶片上的能量谱强度分布图中,三个叶轮叶片几乎完全重合仅存在一个峰值,所对应的频率为1060Hz ,为叶片的通过频率.图6 轴向推力随时间步长的变化图Fig.6 Variation of axial thrust with time图7 扭矩随时间步长的变化图Fig.7 Variation of axial torque with time9171航 空 动 力 学 报第22卷图8 轴向推力能量谱强度的分布Fig.8 Energy intensity distribution of the axialthrust图9 扭矩能量谱强度的分布Fig.9 Energy intensity distribution of the torque4 结 论 本文对进口导叶/叶轮的动静相干非定常流动进行了数值模拟,并详细分析了其内部的流场,主要结论如下: (1)0°预旋角度下的进口导叶对叶轮的非定常影响基本上不存在,叶轮的流动几乎是定常的;(2)在较大的负预旋角度下,叶轮流动呈现出周期性,而造成叶轮内非定常特性的主要因素是由于叶轮转过进口导叶的不同位置时,导叶尾流尤其是大尺寸分离涡团导致叶轮的进口是不稳定的.动静相干效应导致了叶轮进口流动条件较大的变化,因此对叶轮内部的流动产生了很大的影响.而出口流态则显示出并不是叶轮通道内的所有流动都具有非定常性,导叶尾流的影响只涉及到叶轮通道的一部分(约30%叶片长度),这是因为尾流被掺混均匀了;(3)叶轮对进口导叶的势反冲影响的范围从进口导叶的轮盖到轮盘,沿叶高方向不断的增大.叶轮的势影响范围从进口导叶尾缘约到20%左右叶片弧长处;(4)作用在进口导叶两个叶片上的轴向推力和扭矩随着时间步的推进不断的向下进行周期性的漂移,而且还存在相位和幅值上的偏差.但作用在三个叶轮叶片上的推力和扭矩仅在相位上存在滞后,幅值上几乎完全相等.在进口导叶上的能量谱强度存在两个峰值,分别对应的频率为叶片通过频率和叶片旋转频率.但在叶轮叶片上的能量谱强度分布图中,仅存在一个叶片的通过频率.参考文献:[1] Whitfield A ,Abdullah A H.Performance of a centrifugalcompressor wit h high inlet prewhirl [J ].ASME Journal of Turbomachinery ,1998,120(2):4872493.[2] Rodgers C.Centrifugal compressor inlet guide vanes for0271 第10期周 莉等:离心压缩机进口导叶/叶轮动静相干的数值研究increased surge margin[R ].ASME paper ,902GT 2158.[3] Shu C W ,Osher S.Efficient implementation of essentiallynon 2oscillatory shock 2capturing schemes [J ].Journal of Computational Physics ,1989,83(l ):32287.[4] 席光,周莉,王尚锦.离心压气机进口导叶尾涡非定常发展的数值研究[J 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XI Guang ,ZHOU Li ,WAN G Shangjin.Numerical analy 2sis of t he unsteady confined wakes behind t he inlet guide vanes of centrifugal compressors[J ].Journal of Engineer 2ing Thermophysics ,2003,24(6):9582960.[5] Manwaring S R.Rotor blade unsteady aerodynamic gustresponse to inlet guide vane wakes [J ].Journal of Turbo 2machinery ,1997,115(1):1972206.[6] Michael M C.Effect of suction elbow and inlet guide vaneson flow field in a centrifugal compressor stage[R ].ASME Paper ,GT 22002230376.[7] Michael M C.Unsteady flow around suction elbow and in 2let guide vanes in a centrifugal compressor[R ].ASME Pa 2per ,GT 22004253273.1271。