分流叶片长短与位置对离心压气机性能的影响分析

分流叶片长短与位置对离心压气机性能的影响分析
摘要：文章首先对离心压气机性能受分流叶片长短和位置的影响课题研究的目的、意义和课题研究的方法作了介绍；然后利用数值模拟程序OTMB/CFD分析了分流叶片不同长短及不同轴向位置对离心压气机模拟级内三维粘性流场及级性能的影响，得出随分流叶片长度的增加叶轮内部平均泄漏损失逐渐减小和对叶轮内部低速区具有一定的抑制作用的规律。

关键词：离心压气机；数值仿真；分流叶片；性能
随着工业技术的发展，离心压气机得到了越来越广泛的应用。

因此离心压气机的发展受到了越来越多的关注。

为提高离心压气机的性能，一些专家学者对离心压气机进行了研究，采用了许多办法。

目前国内外的一些高性能的离心式压气机广泛采用了带分流叶片的形式。

实践证明分流叶片的使用可以有效控制附面层，改善流场，提高压气机性能。

李良明根据自己提出的任定准正交面法对带分流叶片的离心压气机叶轮进行了三元流场计算，得出了与实验一致的结果。

1981年H.Krain对带分流叶片的离心叶轮进行了研究，为后来的数值模拟工作提供了有用的实验数据；1988年屠仁涌对一带分流叶片的离心叶轮进行了研究，文中给出了带分流叶片的离心叶轮流场的解题思路，并通过对一具有详细几何参数的离心压气机B型叶轮进行了数值模拟，得出了分流叶片结构对叶轮内部流场的影响。

1992年，Hiroyuki MIYAMOTO等人用五孔探针分别对带有分流叶片的闭式离心叶轮内部流场进行了详细测量，并将测量得到的速度场及压力场分布同无分流叶片的闭式及半开式离心叶轮进行了比较，得出了一些有益结论。

文章在以上工作的基础上，利用数值模拟程序OTMB/CFD分析了分流叶片不同长短及不同轴向位置对离心压气机模拟级内三维粘性流场及级性能的影响规律。

为便于说明，将长叶片吸力面与分流叶片压力面间的通道称为通道1，将长叶片压力面与分流叶片吸力面的通道称为通道2。

1算例简介
1.1数值计算方法
文章采用任意曲线坐标系下三维可压缩Navier-stokes方程，代数紊流模型，H型网格。

方程按有限差分法进行空间求定常解。

为加快其收敛速度，采用局部时间步长和隐式残值光顺技术。

1.2计算网格
网格生成采用嵌入式H型网格，可生成带多排分流叶片的轴流/离心压气机
转静子三维叶片通道网格。

为减少流场计算所需时间，首先考虑减少网格节点数。

有叶尖间隙和激波等复杂流态的叶片通道稳态流场计算，网格节点数最好达到30,0000，至少需10,000节点。

优化过程是一个比较过程，只要计算结果相对准确。

或者说对于不同的流场，稀网格计算结果与密网格的差值方向一致就不会影响寻优结果。

文献[1]采用50,000和2,3000两种网格节点数对离心叶轮进行寻优，所得结果相同。

文章采用流动方向，轴向，径向60*50*25（约75000个节点）进行流场计算，叶片参数如表1所示。

1.3边界条件
为研究分析分流叶片长短与轴向位置的影响（图1），叶轮采用了相同的叶片造型，同样的盘盖型线。

相同叶片数（15个长叶片，15个分流叶片），叶轮的工作条件也都相同，假设气流轴向进气，进口边界条件给定流动角和滞止状态参数，其进口总温，总压分别为Tin*=288 k,Pin*=101 325 Pa,出口边界条件给定出口静压为250 000 Pa，转子旋转角速度为-3 900 r/s。

内外环壁及叶片表面均为无滑移绝热壁面。

1.4软件可靠性验证
为验证文章算法的可靠性，文章对离心叶轮进行了流场计算，该离心工作轮具有现代叶轮的高效率，高压比，高转速等特性，H.Krain 对其进行了仔细的试验研究并公布了其试验数据。

图2为流量在m=3.4~4.6 kg/s范围内，计算效率与实测值吻合较好（计算值低大约0.7%），但流量大于设计流量时，计算效率与实测值差大约在2.5%左右，总体来看，流量小于设计流量压比和效率预测比流量大于设计流量精度高。

图3为接近喘振边界（m=3.4 kg/s）,设计流量(m=4.0 kg/s)和接近堵塞边界（m=4.6 kg/s），三种流量下外环壁面平均静压实验与计算值的比较，表明在设计转速下在压气机整个工作范围内，文章计算都能准确预测环壁面静压分布。

由以上计算与实测值的比较分析，对于离心工作轮流场，文章采用软件可以较准确模拟。

2分析与结论
2.1不同分流叶片起始位置时压气机流场分析
为了分析分流叶片的起始位置对离心叶轮内部流场的影响，我们首先分析了分流叶片不同起始位置时，叶轮内部泄漏流体流速分布。

如图4给出了不同起始位置长叶片叶尖处泄漏流沿径向速度分布，由图可见随着分流叶片长度的增加，长叶片泄漏流速降低，但在分流叶片长度达到0.65长叶片长度时，增加分流叶片长度，泄漏流流速下降幅度明显降低，图4为长短叶片平均泄漏流量，可以看出随着分流叶片长度的增加，平均泄漏流量的发展趋势与泄漏流速图一致。

图4为不同起始位置时，分流叶片两个通道出口截面处流体流速分布，由图可见随分流叶片长度的增加，通道1内随分流叶片长度的增加，长叶片吸力面侧的低速区面积逐渐降低，然后增加；通道2内随分流叶片长度的增加分流叶片吸
力面侧的低速区面积逐渐增大。

表明分流叶片的增长对低速区有一定的抑制作用，但随着分流叶片长度的增加，摩擦损失逐渐增大，从而导致通道1内低速区面积先减少然后增加，从图4的性能曲线也反映了这点，分流叶片长度为0.6时叶轮效率最高。

2.2分流叶片不同轴向位置时叶轮内部流场分析
由以上叙述我们了解了分流叶片的起始位置对叶轮内部流场影响规律。

现在我们对流叶片轴向位置对叶片通道内流场的影响进行对比。

为此，我们分别模拟了分流叶片轴向位置分别为0.5,0.3,0,-0.3,-0.5时叶片通道内的流场情况。

图4反映了当分流叶片逐渐向吸力面一侧平移时，通道1内长叶片吸力面侧低速区面积逐渐减小，而在通道2内，分流叶片吸力面一侧的低速区面积曾增大趋势；图3中为分流叶片处于不同轴向位置时的叶轮平均泄漏损失，当分流叶片处于中间位置时平均泄漏损失量最小。

如图为分流叶片取不同轴向位置时压气机的性能曲线，由图可知当分流叶片处于中间位置时叶轮效率最高。

2.3结论
随分流叶片长度的增加叶轮内部平均泄漏损失逐渐减小；分流叶片长度的增加，对叶轮内部低速区具有一定的抑制作用；
参考文献：
[1] Denton, J. D.Dawes, W. N. Computational Fluid Dynamics for Turbomachinery[J].Proc. Instn. Mech. Engrs,PartC，1999, (3).
[2] 胡骏等，航空叶片机原理[M].北京：国防工业出版社，2005.
[3] 朱自强,应用计算流体力学[M].北京：北京航空航天大学出版社.1998.
[4] 梁德旺.工程流体力学[M].北京：机械工业出版社，1999.
[5] 韩占忠.FLUENT：流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京.工业大学出版社，2004.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。