离心式压缩机小流量级分析与优化设计

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1、离心式压缩机小流量级分析与优化设计么立新冀春俊/大连理工大学动力系摘要：对某离心式压缩机小流量级的内部流动情况采用了三维粘性流场进行数值模拟。通过对其整级，特别是无叶扩压器和回流器内部流场进行了分析探讨，提出了无叶扩压器、弯道和回流器的改造方案，使其优化后的级多变效率在各个工况下均有所提高。关键词：离心式压缩机小流量流动模拟中图分类号：TH452文献标识码：B文章编号：1006-8155（2006）03-0018-05FlowAnalysisandDesignOptimizationtosmallflowstageofCentrifugalCompressor

2、Abstract:Numericalsimulationofthethree-dimensionalviscosityflowfieldiscarriedoutoninnerflowfieldtosmallflowstageofcentrifugalcompressor.Basedontheanalysisanddiscussionoftheinnerflowinsidethewholestage,especiallyinthevanelessdiffuserandthereturnchannel，thereformplanofthevanelessdiffu

3、ser,thebendductandthereturnchannelisputforward.Resultsshowthattheincreaseofthepolytropicefficiencyofthestagehasbeenachievedundereachoperationcondition.Keywords:CentrifugalcompressorsmallflowFlowsimulation1引言在离心式压缩机中，从叶轮出来的气流速度相当大，一般可达200～300m/s，扩压器的作用就是把这部分很大的动能转化成为压力能，以便在提高气体压力的同时减

4、弱气流的速度，减少气流在弯道和回流器中的损失。对于后弯或是强后弯叶轮，它占叶轮耗功的25%～40%，小流量离心式压缩机叶轮为强后弯叶轮，尽管它没有径向直叶片占叶轮耗功的比例大，但它的扩压器设计的是否理想对级效率和压比也有很大影响，它在离心式压缩机设计中是与叶轮同样重要的。为了把扩压器的气体引导到下一级去进一步增压，在扩压器后设置了弯道和回流器，气体从扩压器出来后经弯道拐180°弯进入回流器，弯道转弯半径的选取对流动也有一定的影响。回流器的作用是保证下一级叶轮进口轴向进气，但弯道和回流器中的能量损失比较大，弯道和回流器的损失系数对前面为无叶扩压器时要选取较大的值

5、（0.7~1.0），所以对扩压器、弯道、回流器的研究是一项很有必要和有潜力的工作。离心式压缩机小流量模型级的流量系数φ=0.01028，在额定工况下多变效率只有68%，比国际同类水平的离心式压缩机小流量级多变效率低近10个百分点。对此小流量原模型级内部流场进行数值模拟，再对模拟后的内部流场进行分析研究，发现扩压器、弯道、回流器流动损失过大是造成其多变效率低的重要因素之一。据此，本文对原结构采用的无叶扩压器进行了修改，并对弯道形状和回流器叶片型线进行一系列的分析讨论，提高了改进后的整级性能。2原无叶扩压器几何结构特点图1和图2为此小流量模型级整级（叶轮前部加了一

6、段进口段，也就是上一级回流器叶片出口到本级叶轮进口之间的部分）的子午流道和三维造型。从图中看到，它采用的是强后弯闭式叶轮，叶片等厚度，叶片前缘为圆头，尾缘为钝头；无叶扩压器是等宽度（b3=b4=const），且b2＞b3。后面的弯道略有扩张，回流器进口宽度大于扩压器出口宽度。666图1图23计算方法与边界条件为了反映离心式压缩机小流量模型级的扩压器、弯道及回流器内部流场的实际流动情况，应用NUMECA软件对整级内的流动进行了详细的计算分析。离心式压缩机小流量模型级整级的结构比较复杂，虽然叶轮和回流器叶片都是二元设计方法设计的，但内部流动确有明显的三元流动、粘性

7、流动、非定常流动特征，流动分析非常复杂。分析、优化过程应用气流流动的控制方程，包括三维可压缩雷诺平均N-S方程、连续方程、能量方程、理想气体状态方程以及Spalart-Allmart代数湍流模型方程。采用有限体积法对控制方程进行空间离散；采用显式时间推进法求解，并使用有效的多块/多重网格技术提高求解的收敛速度。计算域包括进气道、叶轮、无叶扩压器、弯道及回流器。网格采用多块六面体结构网格。计算时流体工质选择为空气，进口边界条件给出进口速度方向、静温（Tin=298.158K）和进口总压；出口边界给定质量流量和进口总压。阻塞工况计算进口边界条件给出进口速度方向、静

8、温（Tin=298.158K）和进口总