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:　A

Nu 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 pressor

W 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 on

1　前言

大多数离心压缩机都是在一定工况范围内工作。提高离心压缩机的调节性能是一条节约能源的有效途径[1]。应某企业要求,对一台带有可调进口导叶的离心压缩机级进行内部流动的数值模

收稿日期:　2007—09—12　修稿日期:　2008—05—22

拟,分析变换导叶叶型对级性能的影响。由于该压缩机级叶轮叶片进口处曾出现过疲劳断裂问题,所以本文采用数值分析方法对进口导叶与叶轮之间的最佳轴向距离进行了初步探讨。

2　数值计算方法及其可靠性分析

2.1　数值计算方法

计算采用Navier-St ockes方程和时间推进法求解,湍流模型为Spalart-A ll m aras模型,离散格式采用中心差分格式。进口边界条件为给定总温、总压及进口气流方向,在出口边界给定质量流量。全通道计算中动静界面之间使用冻结转子法处理,计算网格总数为1143万。

2.2　数值计算方法的可靠性分析

按照企业提供的设计工况点(导叶全开,质量流量为40.147kg/s)进行数值模拟,然后将该流量下计算出的压缩机级压比、级效率与企业提供的实验值进行比较。由表1可见,数值模拟结果可以满足工程分析的精度要求。

表1　径向进气条件下数值模拟值与实验值比较项目级压比级效率数值模拟值1.6885.14%实验值1.61285.6%

相对误差4.2%0.54%

3　径向进气条件下离心压缩机整级全通道数值模拟

3.1　离心压缩机级的主要结构及有关参数

主要通流部件有径向进气吸气室、进口导叶(14只可调叶片)、叶轮、扩压器、弯道和回流器,如图1所示。

进口导叶叶片角度分别调节到0°、+20°、+ 40

°位置,其中叶片为0°时是导叶全开的位置,不同的导叶开度对应不同的流量。表

2给出本文数值模拟的工况点,包括进口导叶的叶片角度及其对应的质量流量

。

表2　不同进口导叶叶片角度所对应的质量流量

导叶进口安装角

(°)

0+20+40+60

流量值(kg/s)40.14736.13228.10320.085 3.2　更换进口导叶对离心压缩机级调节性能的影响

图1　离心压缩机的结构示意

原导叶与新导叶的叶型示意如图2所示。

(a)　原导叶最大弦长处叶型

(b)　新导叶最大弦长处叶型

图2　2种导叶在最大弦长处的叶型示意

数值模拟的结果如表3所示。可以看出,更换导叶对压缩机级的压比和效率影响不大。

表3　不同导叶开度下的级压比、级效率导叶进口安装角0°+20°+40°级压比

原导叶1.681.641.58

新导叶1.681.651.58

级效率(%)

原叶型85.1484.2978.75

新导叶85.1684.7778.18

4　进口导叶与叶轮间最佳轴向距离的数值分析

4.1　导叶与叶轮之间轴向距离对离心压缩机级调节性能的影响

文献[2]通过轴流压缩机试验,指出在0.68叶轮叶片弦长时,可以明显地减小尾迹区。为初步探讨离心压缩机进口导叶与叶轮之间的轴向距离对性能的影响,针对研究的离心压缩机级(采用原导叶),在进口导叶与叶轮之间选择了5个不同的轴向距离,并用原导叶最大弦长的倍数来表示(见表4),其中0.2倍弦长是原压缩机级中