径向相对间距对离心压缩机性能影响的数值模拟研究①

饶 杰 于跃平 胡四兵 黄文俊 常 超 王 枭

(合肥通用机械研究院 合肥通用环境控制技术有限责任公司 压缩机技术国家重点实验室)

离心压缩机压比高、结构紧凑，由于叶轮与扩压器之间的径向间距较小，其变化对压缩机气动性能具有非常大的影响，因此受到了越来越多的关注，国内外一些学者也进行了相应的研究，包括对最佳径向间距的探索和对内部流动机理的研究。

文献[1～3]研究了叶轮与扩压器间距对离心压缩机性能的影响，认为间距变化导致的扩压器进口攻角变化是影响压缩机性能的主要因素。文献[4]研究了叶轮与扩压器之间的非定常气动干涉，研究结果表明，当叶轮与扩压器间距较小时，扩压器的势干扰能减小叶轮的落后角和堵塞，但叶轮内的损失却有所增大。有研究表明当间距减小时，离心压缩机性能将降低，这一结论与轴流压缩机中叶排间距变化的影响恰好相反。文献[5]针对叶片扩压器进口安装角进行了研究，认为它对离心压缩机的性能有较大的影响。从上面的分析可以看出，间距变化对离心压缩机性能的影响较大。

如何选取叶轮与扩压器之间的间距，使离心压缩机达到最佳的匹配，是离心压缩机设计中需要解决的一个重要问题。而准确地反映间距变化的影响，并揭示其中的机理，需要考虑叶轮与扩压器之间的气动干涉，进行全三维非定常研究，其工作量非常大。文献[1～3]的研究均表明，叶轮出口流动不均匀导致的非定常流动对离心压缩机性能的影响较小，而影响最为显著的是间距变化导致的叶轮出口平均气流角的变化。因此，作为一种工程上的简化方法，笔者忽略了叶轮与扩压器之间非定常干涉的影响，而在定常研究的基础上研究了一离心压缩机间距对性能的影响，以尝试提出一种选取离心压缩机最佳径向相对间距的方法。

1 方案及建模

该压缩机为单级离心式压缩机(图1)，由3部分组成：旋转件工作叶轮、径向扩压器和轴向扩压器。其中，工作叶轮采用主叶片+分流叶片的形式，叶片数为13片；径向扩压器叶片有17片，轴向扩压器为55片叶片。图2为压缩机流道示意图。

图1 压缩机模型示意图

图2 压缩机流道示意图

为减小间距变化导致的扩压器进口攻角变化的影响，径向相对间距在调整的同时，径向扩压器的进口安装角也随之调整，以保持径向扩压器的进口气流角不变(图3)。每次修改间距值后都重新建模、划分网格并计算。

图3 径向扩压器型线位置变化示意图

采用CFD软件的网格划分模块对压缩机进行网格建模(图4)，工作叶轮、径向扩压器和轴向扩压器模型均采用H-I-H型结构化网格，叶顶间隙采用蝶形网格，工作叶轮网格数为317 544，径向扩压器132 430，轴向扩压器174 537，总节点数624 511。

数值模拟采用CFD软件包的求解器进行三维定常流场计算。流动方程为Navier-Stocks方程，空间差分采用中心差分格式，湍流模型采用Spalart-Allmaras一方程模型。计算采用全多重网格方法，结合残差光顺方法，以获得较快的收敛速度。

图4 压缩机网格模型

边界条件设定中，进口采用压力远场边界条件，压力设定为标准大气压(101.325kPa)，气流温度为288K；气流沿轴向进气，工作叶轮取设计转速nd= 48750r/min；出口给定静叶叶根处的静压值，以径向平衡方程确定展向静压分布，通过改变出口静压来调整压缩机的工作状态。

2 结果与分析

考虑到工作叶轮后的实际空间大小，并且出口也需要有一段掺混段，选取径向相对间距δ/R取值分别为3%、4%、5%、6%(δ为工作叶轮与径向扩压器之间的间距，R为工作叶轮的半径)进行模拟，图5为不同δ/R下压缩机特性线对比图。对比δ/R分别为3%、4%、5%时的3条曲线，可以看出随着δ/R逐渐增大，效率和压比特性线均逐渐向右偏移；而当δ/R=6%时，与δ/R=5%时比较，效率和压比特性线均向左偏移。相同流量条件下，当径向相对间距δ/R=5%时，效率和压力均明显高于其他所计算的相对间距，由此可以得出，对于本台压缩机，间距变化对离心压缩机性能有较大的影响；应存在一个最佳δ/R，该条件下的压缩机特性线相对于其他δ/R值最靠右，压缩机性能最优。

为了便于对比不同间距的流动，取设计点附近相同反压时的计算工况进行分析。图6为不同间距下压缩机转、静子叶中截面静压分布对比，其中，横坐标为子午流线距离比值，叶片进口为0，叶片出口为1。

图5 压缩机特性线对比

图6 叶中截面静压分布对比

图6中显示，静压升主要集中在工作叶轮和径向扩压器两个部件内完成。工作叶轮进口段主要起导流作用，同时也具有一定的增压能力；后半段是分流叶片区域，属于扩压段，主要作用就是扩压，静压在这一区间迅速上升，形成较大的逆压梯度。通过静压分布对比，明显可以发现δ/R的变化对静压升的变化影响很小，只有在工作叶轮内，随着δ/R的减小，静压升有所增加，而且δ/R越小，增加的幅度越显著。

图7显示的是不同径向相对间距下压缩机转、静子进、出口截面总压变化，其中，横坐标代表压缩机转、静子进出口截面：1为工作叶轮出口截面，2为径向扩压器进口截面，3为径向扩压器出口截面，4为轴向扩压器进口截面，5为轴向扩压器出口截面。纵坐标pi*/p1*为总压比，其中pi*为i截面的总压，i=1，2，3，4，5。

图7 压缩机转、静子进、出口截面总压变化

总体上，当δ/R较小时，总压分布对δ/R的变化较为敏感，增加至一定值时，总压分布的变化就越来越不明显，δ/R=5%和δ/R=6%两者的总压变化曲线几乎重合。这说明，径向相对间距越小，间距变化对压缩机的影响就越显著；径向相对间距越大，则影响就越弱。

从截面1至截面2，由于尾迹掺混损失小，δ/R=3%的总压损失最小，随着径向相对间距的增加，总压损失也随之增加。截面2～3之间，径向相对间距越小，总压损失则越大；截面3～4和截面4～5，总压变化较小。由此可以得出，不同间距下，总压损失的变化集中在工作叶轮出口到径向扩压器出口之间。其中，径向扩压器对间距的变化尤为敏感。

截面1到截面2之间，径向相对间距小，距离短，掺混损失也较小，因此δ/R=3%时的总压损失最小；到δ/R=5%时，截面掺混基本均匀，径向相对间距再增大，掺混损失也只是略微有增加，对下游流场的影响十分有限，因此δ/R≥5%以后，径向相对间距变化带来的影响是越来越小。截面2到截面3之间，δ/R=3%时，由于径向相对间距较小，气流到达径向扩压器进口时掺混不够，使得径向扩压器进口的速度分布相对不够均匀，气流在径向扩压器内的分离损失相比较就更大一些，因此总压损失也最大。

图8中更加清楚地显示了气流在通过径向扩压器和轴向扩压器后的总压损失情况。显然δ/R=3%时的损失系数最大，而δ/R=5%和δ/R=6%时压缩机各截面的损失系数基本相同。

图8 损失系数变化

综上所述，间距增大时，叶轮和扩压器间距内的损失增加，但同时叶轮出口气流与扩压器之间向最佳匹配点靠近，导致扩压器内损失减小，因此，存在一个最佳相对间距，使得压缩机的性能最优。对于笔者研究的压缩机，径向相对间距δ/R=5%时性能为最优，总压损失也最小，相对而言是较为合理的取值。

3 结论

3.1径向相对间距对离心压缩机性能有较大的影响，且径向相对间距越小，间距变化对压缩机性能的影响就越显著。

3.2当径向相对间距增大时，间距内的损失增加，但由于叶轮与扩压器的间距向最佳匹配点靠近，导致扩压器内的损失减小，因此，存在一个最佳间距。

3.3通过定常的分析，也能初步确定离心压缩机的最佳径向相对间距，对于笔者所分析的压缩机，其最佳径向相对间距为5%。

3.4文中的工作是在定常条件下进行的，更为准确地选取最佳的径向相对间距，需要进一步考虑叶轮与扩压器之间的非定常干涉。

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