离心压缩机三元叶轮的数值分析

2012-06-07 01:30罗桂山史学增

船舶 2012年3期

罗桂山周翔史学增

（1.海军驻上海704所军事代表室上海200031；

2.中船重工集团第704研究所上海 200031）

0 引言

在船用领域，制冷机组可能长期运行在低负荷工况。因此，在制冷压缩机的设计中必须考虑全工况（尤其是小流量）下的运行特性。离心压缩机比螺杆及活塞压缩机有着更加宽广的调节范围，离心压缩机需要重点研究的核心部件是叶轮。离心三元叶轮的内部流动是复杂的三维粘性流动，凭借现有的试验手段要很难测量其中流场的细微结构。

计算流体力学（CFD）是基于计算机技术的一种数值计算工具，用于求解流体的流动和传热问题。CFD计算相对于实验研究具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点。

本文运用Numeca公司研发的CFD软件，对一台自研制冷离心压缩机的三元叶轮进行内部三维粘性流场的数值模拟，并预测其性能，为压缩机低负荷工况降转速运行提供理论依据。通过变频调节降低转速能改善压缩机低负荷工况下的性能。

1 研究对象

本文研究的叶轮为带分流叶片的全三元闭式叶轮，如图1所示。

图1 叶轮外形图

该叶轮相关几何参数如表1所示。

表1 叶轮几何参数表

2 数值分析

2.1 网格生成

叶片的计算网格采用Numeca软件的Autoblade模块生成，计算网格如图2所示。

图2 计算网格

整个流场网格数量为610 736个，划分为12个区域。其中包括4块主流区域，2块长叶片近壁面区域，2块短叶片近壁面区域，长叶片进出口区域和短叶片进出口区域。相邻两个区域在边界处网都是匹配的。为加速收敛，采用隐式残差平均法和三层完全多重网格技术，先在最粗的一层网格上开始迭代计算，然后延拓到较密的一层网格上，把上一级计算得到的结果作为下一级计算的初场，节省了计算时间与迭代次数。

2.2 边界条件

假定气体进口总压349 600 Pa，进口总温278.15 K，进口湍流粘性0.000 01 m2/s，出口给定质量流量，固壁面给定无滑移、绝热边界条件，进出口延伸段壁面给定滑移、绝热边界条件。

2.3 数值计算方法

本文采用Fine计算程序对不同流量工况进行计算。Fine采用多重网格的计算技术，并有多种对流项差分格式和湍流模型，可对流体机械内部定常、非定常，可压缩、不可压缩湍流流动进行精确计算。本文选择三维Turbulent Navier-Stokes方程组及Sparlart-Allmaras湍流模型，时间项采用4阶Runge-Kutta法迭代求解，定常流动。工质选择可压缩R134a，CFL数值取3，迭代步数为5 000步，收敛残差取10-6。全局残差收敛史如图3所示。

图3 全局残差收敛史

2.4 数值模拟结果及分析

模拟结果运用CFView后处理模块分析。

2.4.1 叶轮固定转速7 950 r/min，轴向进气入口无预旋

叶轮的总－总等熵效率和总压比的预测结果如图4、图5所示。

图4 叶轮总压比图

图5 叶轮等熵效率图

当流量减少，叶轮压比增加。开始增加很快，当流量减少到3.5 kg/s时，压比增加的速度放缓。叶轮的等熵效率随流量增加而增大，当流量增加到4 kg/s时，等熵效率达到最大值；当流量增大到6 kg/s时，总压比和等熵效率急速下降。

当流量为1.5 kg/s时，叶轮中间叶高截面相对速度流线和熵分布如图6所示。

图6 1.5 kg/s流量下中间叶高截面流动和熵分布

从图中可以看出，在长叶片的吸力面前部和短叶片的压力面后部存在明显分离区。当流量增加到4 kg/s时，叶轮中间叶高截面相对速度流线和熵分布如图7所示。此时流线光顺，主流场无分离区。

图7 4 kg/s流量下中间叶高截面流动和熵分布

如图8所示，4 kg/s流量下吸力面的静压高于压力面，吸力面的静压在短叶片前缘处稍微有所下降。此处叶片数由9片变成18片，叶轮阻塞系数增大，流动损失较大，压力面和吸力面的静压总体趋势仍然是沿着流道逐渐增加的。当流量继续增大，叶轮的流动损失加速增大，等熵效率逐渐下降。当流量增大到6 kg/s时，总压比和等熵效率急速下降，此时叶轮对气体做功全部克服流动损失，出现“阻塞现象”。