离心压缩机进口导叶_叶轮动静相干的数值研究
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]。
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。
离心压缩机的性能计算与优化方法研究
离心压缩机的性能计算与优化方法研究离心压缩机是一种常见的流体机械设备，广泛应用于空调、供暖、冷冻和工业生产等领域。
在设计和运行离心压缩机时，性能的计算和优化至关重要。
本文将就离心压缩机的性能计算与优化方法展开研究，以期提供一些有益的指导和建议。
1. 离心压缩机的基本原理和流程离心压缩机是通过离心力将气体或气体与气体混合物的进气流动压缩，并通过出口将压缩气体排出。
其基本原理是离心力和动能转化，通过离心轮、导叶和转子等关键部件相互配合，实现气体的连续压缩。
离心压缩机的运行流程包括气体的吸入、入口导叶的调节、气体的离心压缩、排气口的打开和排气等。
这个流程需要合理的设计和操作，以保证离心压缩机的高效运行和性能。
2. 离心压缩机性能计算的基本参数离心压缩机的性能计算需要考虑多个参数，其中一些参数可以直接测量，而其他参数需要通过计算获得。
以下为离心压缩机性能计算的基本参数介绍：2.1 流量(Q)：指单位时间内通过离心压缩机的气体体积或质量。
2.2 压力比(Pi)：指离心压缩机出口压力与进口压力的比值。
2.3 转速(N)：指离心压缩机旋转的速度，通常以每分钟转数表示。
2.4 压气机效率(ηc)：指离心压缩机在压缩气体过程中的能量利用效率，可以通过测量输入功率和输出功率来计算。
2.5 空气流体属性：包括气体的密度、比热容和粘度等，这些参数对于性能计算和优化至关重要。
3. 离心压缩机性能计算方法离心压缩机的性能计算可以通过试验和理论计算两种方法来实现。
试验方法是通过实际操作离心压缩机并测量相应的参数来获取性能数据，而理论计算方法则是基于离心压缩机的设计参数和运行条件，通过建立数学模型来计算性能。
3.1 试验方法离心压缩机的试验方法是一种直接且可靠的性能计算手段。
通过在实际环境下进行离心压缩机的运行和测试，可以获得基本的性能参数。
试验方法可以通过流量计、压力计和温度计等传感器测量性能参数，并采用现场数据采集系统来记录和处理数据。
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]。
离心压缩机动静干涉信号特征识别方法
离心压缩机动静干涉信号特征识别方法李宏坤; 付井强; 杨树华; 王开宇【期刊名称】《《振动、测试与诊断》》【年(卷),期】2019(039)005【总页数】7页(P1023-1029)【关键词】离心式压缩机; 进口导叶; 离心叶轮; 出口扩压器; 动静干涉【作者】李宏坤; 付井强; 杨树华; 王开宇【作者单位】大连理工大学机械学院大连 116024; 沈阳鼓风机集团股份有限公司沈阳 110023【正文语种】中文【中图分类】TH45; TH452引言离心压缩机具有结构紧凑、压比高和稳定工作范围宽广等优点，在航空航天、能源、化工及冶金等部门应用相当广泛。
离心式压缩机内部进口导叶与离心叶轮、离心叶轮和出口扩压器之间动叶片排相对于静叶片排是旋转的, 动、静叶片排的相对运动造成动、静叶之间的相互干涉，导致内部气流的非定常流动，从而产生动静干涉[1]。
关于动静干涉的研究，目前国内外学者主要采用PIV技术和数值模拟的方法对压缩机内部非定常流动进行流场仿真和试验，主要探讨尾迹和动叶间干涉的机理，而对于动静干涉信号特征识别方法研究较少。
周莉等[2]对0°和30°不同预旋角度下离心压缩机进口导叶/叶轮的动静相干进行了非定常数值模拟研究。
杨策等[3]通过非定常流场计算，对某离心压缩机叶片排间的确定性相互干涉现象进行了研究，并提出了导流叶片尾迹摆动机理。
Krain[4]使用双焦距激光测速仪(L2FV)对离心式叶轮出口/叶片扩压器入口区域的速度、压力进行了测量。
Inoue[5]使用热线探针和压力传感器对叶片扩压器内的速度和壁面静压进行了非定常测量。
吴亚东等[6]采用 PIV 实验技术获得了静子尾迹与动叶相互干涉的流场，探讨了尾迹和动叶干涉的机理。
柳阳威等[7]采用定常和非定常数值模拟技术，研究了某跨声离心压气机级内的复杂流动，分析了叶轮与径向扩压器之间的非定常相互作用。
除此之外，近十年来国内外一些学者还对离心泵、压缩机等叶轮机械动静干涉的相关机理以及效应进行了一系列数值模拟仿真和实验[8-12]，但并没有提出通过信号测试和时频域分析从而有效识别动静干涉信号特征的方法。
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第22卷第10期2007年10月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVo l.22No.10Oct.2007文章编号:1000 8055(2007)10 1715 07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:V211 15 文献标识码:A收稿日期:2006 09 17;修订日期:2006 12 20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(1978 ),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 interactionin a centrifugal compressor stageZH OU Li 1,XI Guang 2,CAI Yuan hu 1(1.School of Pow er and Energy,No rthw estern Po lytechnicalUniversity,Xi'a n 710072,China;2.Schoo l o f Energy and Pow er Engineering,Xi'a n Jiaotong University,Xi'a n 710049,China)Abstract:Numerical simulations on the unsteady inlet guide vane (IGV) impeller inter actio n w er e performed under different prew hirl angles.T he main facto rs to IGV impeller in teraction w ere also discussed to analyze the influence of unsteady flo w effect upo n flo w field of impeller.T he results show that the impeller flow s periodically under larg e negative pre w hirl ang le.In such case,the w ake o f IGV outlet,especially the lar ge size vor tice form ed behind IGV,w as the key factor to strong unsteady flow in the dow nstream impeller inlet.The unsteady influence of IGV w ake invo lved only a part o f im peller passag e (abo ut 30per cent of the blade cho rd),and the potential repercussion o f the impeller rang ed fro m IGV trail edge to 20percent of the chord.Both the passing fr equency and rotating frequency o f the blade have influence on the unsteady flow in IGV.Key words:aerospace pro pulsio n sy stem;prew hirl ang le;IGV im peller interaction;w ake;passing frequency o f the blade;r otating frequency o f the 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,不仅引起气动性能恶化片共振,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[1 2].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 Stokes方程组.计算中采用了Baldw in Lom ax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Rung e Kutta 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.离为3030r/min,进口体积流量为2.75m3/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413381,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Table1 Geometric data of the centrifugalcompressor stage进口导叶叶轮进口直径d i/mm222222进口叶片高度h i/mm103.91出口直径d o/mm422796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 Str ucture mesh of the centr ifugal compressor 3 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F ig.2 Va riation of the velocityw ith time at m id pitch3 2 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33 3%叶片弧长处,而在进口导叶轮盘附近,其影响范围增大到23 3%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 o nthe impeller blade3 2 2 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1717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 pr essure distributi o n the IG V v ane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F ig.5 A x ial velo city distr ibution alo ng the spanwise3 2 3 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[6 7].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1718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FFT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353.5H z,1060 H z,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1060H z,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 V ariat ion of ax ial thrust with t ime图7 扭矩随时间步长的变化图F ig.7 V ar iatio n o f axial to rque w ith time1719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 Energ y intensity distr ibut ion of the ax ial t hrust图9 扭矩能量谱强度的分布Fig.9 Ener gy intensity distr ibutio n of the tor que4 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] W hitfield A,Abdullah A H.Performan ce of a centrifugalcompressor with h igh in let prewh irl[J].AS M E Journal of T urb om achinery,1998,120(2):487 493.[2] Rodgers C.Centrifugal compr ess or inlet guide vanes for1720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in creased surge margin[R].ASM E paper,90 GT 158. 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