二级增压系统高压级压气机内部流场的计算与分析

山西中北大学 祁博武

引言

叶轮作为高压级压气机中唯一作功的元件，其内部流动状态直接影响着整个高压级压气机的性能。气体进入叶轮后，一方面要随着叶轮旋转，另一方面气体要通过由叶轮叶片构成的通道流动，而气体在流道中产生的流动损失是复杂的物理现象，因此，对叶轮内部的流动情况进行分析是十分重要的。

1 高压级压气机叶轮的内部流动分析

高压级压气机叶轮内部的实际流动通常是粘性三元流动并伴随有强烈的二次流。本文主要对叶轮内部不同叶高时的截面以及叶轮轮毂面、叶轮轮缘面进行了分析。

图1 50000[Rev/min]不同叶高Blade-to-Blade截面静压和流速分布

对比不同叶高的静压分布可以看出，不同叶高处Blade-to-Blade截面的静压分布情况类似，进入叶轮的气体，沿着叶轮入口向叶轮出口的方向压力呈现增加的趋势，在叶轮入口处，靠近轮缘侧的压力最小，轮毂侧最大；在叶轮主叶片前缘吸力面侧出现压力下降的现象，形成一个显著的低压区。

对比不同叶高的流速分布可以看出，进入叶轮的气体，由叶轮入口向出口流速呈现出增加的趋势，在叶片吸力面侧靠近尾缘区流速显著降低。

从图2中可以看出，叶轮入口处，气流在轮缘处的流速大于轮毂处的流速，轮缘的静压小于轮毂的静压；叶轮出口处，静压沿周向分布不均匀；气流在轮缘处流动杂乱，在主流叶片前缘区流速明显降低。

图2 50000[Rev/min]工况下轮毂面的流速和静压图

2 蜗壳的内部流动分析

蜗壳作为高压级压气机的固定元件，充分地利用气体的动能提高气体的压力，将气体引入压气机后面的进气管道中。

2.1 蜗壳内部不同周向截面上速度分布

本文在蜗壳内部选取了5组不同的周向截面，在蜗壳内壁面处选取4个呈十字对称的平面。图3给出了蜗壳内部5个不同位置，其中平面1为蜗壳的出口面。

图3 蜗壳周向截面分布图

图4 蜗壳不同周向截面的速度流线图

从图4中可以看出，在蜗壳入口处，靠近轮毂侧的气流速度要高于轮缘侧，这是由于叶轮流道出口旋涡的延续，这些旋涡的存在使得蜗壳入口处流通面积变窄，使得气流在蜗壳入口处靠近轮毂侧的速度较高。

2.2 蜗壳内部的涡量分布

对蜗壳内部气流旋转运动的分析可归结为对涡量的研究。涡量即速度旋度，是一个重要的流体力学量，涡量标志着流体的旋转，即：

图5 蜗壳同周向截面质量平均涡量

图5可以发现，由于气体从蜗壳喉部附近进入蜗壳时便开始旋转，截面5有很高的涡量值，经过最靠近喉部的平面1后，质量平均涡量值下降明显。

2.3 蜗壳内部不同周向截面上总压恢复系数分布

在绝能流动中摩擦等损失越大，过程的不可逆性越大，总压的下降也越大。通常用总压恢复系数来表示总压下降的程度，即：

图6 蜗壳不同周向截面的总压恢复系数分布图

从总体上看，在蜗壳入口处，靠近轮缘侧的损失要远远大于轮毂侧，发现蜗壳截面内形成漩涡的地方，其总压恢复系数均偏低。

3 结论

本文主要对高压级压气机的内部流场进行了研究，分别分析了高压级压气机叶轮和蜗壳的内部流动情况。

首先，对叶轮中不同叶高的Blade-to-Blade截面以及轮毂、轮缘面上的流速分布和静压分布进行了研究，认为靠近轮缘侧的气体流动方向混乱，十分不稳定；在叶轮主叶片吸力面的尾缘区靠近轮缘侧出现尾迹流。

其次，对蜗壳进行了内部流场分析，从蜗壳内部的横向截面和周向截面两方面入手分别对其速度、静压、涡量以及总压恢复系数进行研究。结果表明：①从蜗壳进口向出口气体流速逐渐降低，气体静压逐渐增加；在蜗壳内部，其半径小的地方气流速度大，半径大的地方气流速度小，即越靠近压气机中心轴线的地方速度大，当蜗壳轮廓的曲率变化比较大时，其气流速度会比较小；在蜗壳入口处，靠近轮毂侧的气流速度要高于轮缘侧。②气体从蜗壳喉部附近进入蜗壳时开始旋转，其质量平均涡量值逐渐下降，下游流道截面内的质量平均涡量值依次减小。③在蜗壳入口处，靠近轮缘侧的损失要远远大于轮毂侧，在蜗壳截面内形成漩涡的地方，其总压恢复系数均偏低。

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