豬場負壓風機用CFD研究離心壓縮機葉頂間隙對內部流場的影響離心

摘要：采用商用軟件NUMECAL中FINE/TURBO模塊對低速大尺度離心壓縮機(LSCC)在不同間隙條件下的內部流場進行了數值模擬。給出了壓縮機葉輪出口處的通流速度分布以及不同截面二次流矢量、二次流流線等計算結果。結果表明：葉頂間隙的大小與泄漏流動的強度和通道內的尾跡區位置分布密切相關，泄漏流動與通道渦的相互作用嚴重影響了通道內的流場分布。

0引言
在離心壓縮機葉輪中，因為葉頂間隙的存在，葉頂間隙泄漏就不可避免。但葉頂間隙泄漏流動的復雜性和試驗手段的限制以及現代計算機和計算技術的發展，已經使數值模擬成為研究葉輪內部復雜流動的重要且有效的工具。近年來，各國的學者對葉頂間隙泄漏流動的機理和模型進行了大量的理論分析，但大部分研究對象都是軸流壓縮機內部的間隙泄漏流動，而對離心壓縮機內部的間隙泄漏流動的研究工作報道則相對少一些。因為離心壓縮機內部流動的幾何邊界和動力學條件更為復雜，使得壓縮機葉頂間隙泄漏流動比較復雜[1-3]。這種泄漏流動和葉片通道里面的二次流動的相互作用極大地影響了離心壓縮機的性能和內部流場。因此，對葉頂間隙對壓縮機內部流場的影響進行深入的分析研究顯得十分必要。本文就對同一葉輪在3種不同間隙時所產生的泄漏流動與這些通道渦的相互作用對流場的影響進行了數值計算，對葉頂間隙泄漏進行了較為詳細地比較分析。
1研究對象和數值方法
研究的對象為低速大尺寸離心壓縮機(Low-SpeedLarge-ScaleCentrifugalCompressor)，它是美國航空航天局研究中心在1983年為進行葉輪機械的基礎研究專門建立的試驗裝置[8]。試驗葉輪為半開式后向葉輪，共有20個長葉片，出口角是55°。進口直徑為870mm,進口葉片高度為218mm,出口直徑為1524mm,出口寬度為141mm。葉輪進口到出口的葉頂間隙為2.54mm。為研究不同葉頂間隙對壓縮機流場的影響，對3種不同的葉頂間隙進行了計算，這3種間隙分別為0%、50%、100%倍的設計間隙,該葉輪的設計間隙為2.54mm。
采用NUMECA中Augogrid生成結構化網格，其中葉片尾緣為鈍頭結構，尾緣部分采用單獨的網格塊，葉頂間隙采用蝶形網格。主通道在流向、徑向、周向的網格數分別為129×73×61，尾緣網格塊周向網格數分別為33×73×13，設計頂部間隙布置13個網格點，50%頂部間隙布置7個網格點。在壁面及前后緣加密，整個計算區域網格約為65萬左右。圖1為計算網格示意圖：（a）為子午面網格；（b）為三維網格示意圖。為表示清楚，網格點顯示采用隔點顯示，且在三維網格示意圖中沒有顯示機殼面網格。使用Bladwin-Lomax代數模型，使用中心差分格式對空間進行離散，時間推進選用四階顯式Runge-Kutta方法。計算時使用三重“V型”網格循環，CFL數取3。在計算過程中給定壓縮機進口和出口邊界條件，進口給定總溫、總壓和絕對氣流角，出口給定壓縮機的質量流量和背壓。對固體壁面取用不滲透、無滑移和絕熱的
邊界條件。


（a）子午面網格示意圖（b)三維網格示意圖

圖1網格拓撲結構
2計算結果及分析

2.1出口通流速度



圖3給出了設計流量下葉輪出口附近J=167測量面上（圖2為各個測量截面位置示意圖），3種不同大小的間隙條件下計算得到的通流速度Cm/U2分布,Cm為流體的子午速度,U2為出口葉頂速度153m/s。圖片中各截面左邊為壓力面PS，右邊為吸力面SS。圖3a為試驗測量的通流速度分布圖，其余均為計算所得通流速度分布圖；圖3b為100%間隙；圖3c為50%間隙；圖3d為0%間隙。對照圖3a和圖3b，看出計算與試驗數據吻合較好，能真實地反映實際流動。在這一截面上，間隙的大小對尾跡的發展影響非常明顯
：當葉頂間隙為零時，尾跡區位于吸力面和輪蓋的角區，占據區域很小，等值線速度分布比較均勻。隨著間隙的增大，尾跡區沿著輪蓋向壓力面擴大，特別是100%間隙條件下，尾跡區占據通道頂部20%葉高的區域，而且在輪蓋處形成密集的等值線分布，這些等值線在輪蓋中間段有明顯的突起。從計算結果看出，在葉片的壓力面和吸力面也形成密集的邊界層，這種密集的邊界層對通流速度等值線在流道中心區域的曲率變化有很大的影響[7]。

2.2二次流動分析

二次流動不同的定義方法得到的結果也會略有不同。本方法是參照文獻[4]的定義方式，即主流方向定義為機殼面的幾何中心平均方向，二次流的矢量定義在與主流方向垂直的平面內。圖4是3個不同截面在3種不同間隙條件下的二次流的速度矢量和流線。從圖4a中看出，隨著間隙的增大，吸力面的通道渦BVS在向壓力面擠壓，100%間隙時吸力面的通道渦BVS面積明顯比0%間隙的大，但和50%間隙條件下差別不明顯。由圖4b看出，在該截面壓力面通道渦BVP已經形成，但是隨著間隙的增大，泄漏流動的增強，在一定程度上抑制了通道渦BVP在通道頂部向吸力面的發展。這種現象解釋為在機殼附近，由于壁面附面層的粘性和葉頂間隙的泄漏流動，使得流體在通道頂部向壓力面流動。而在通道下半部分，通道渦BVP在壓力梯度作用下向吸力面移動。這個現象在100％間隙條件下非常明顯。在截面(c)中看出,在沒有間隙時，通道渦呈現出一強一弱，通道內的流動有所改善。而在50％設計間隙條件下，通道渦BVP繼續向右移動，將通道渦BVS擠壓到通道右側很小的范圍內。同時在壓力面與機殼角區有一個角渦開始形成。在100％間隙條件下，同50％間隙一樣，通道渦BVS被擠壓到吸力面一側，因為泄漏流動的增強，在通道的頂部形成泄漏渦。對比3組截面看出，前兩組的流線在50%和100%間隙條件下區別并不明顯，而在截面170處3種間隙對二次流動的影響則非常大。這說明在流道前端葉頂間隙的大小對通道渦的影響不是很明顯，而在流道的后部，葉頂間隙的大小對通道渦的影響很大，使流道內的流場變得非常復雜，對整個葉輪的性能有很大的影響。


(a) 無葉頂間隙

( b) 葉頂間隙為設計間隙的1/2

GDF系列離心風機，吸取國外先進技術的基礎上加以改進制成的新型產品，該產品可直接與風管連接，性能好，運行平穩人，噪聲低，結構合理緊湊，安裝方便，是九十年代填補國內空白替代進口產品。

二。型號結構
　　葉輪由多個前向圓弧鋁合金葉片，前盤，后盤組成，均采用機械化模具制作而成，并經靜，動平穩校驗，運轉平穩可靠，具有良好的空氣動力性能。
　　機殼采用鍍鋅鋼板或不銹鋼板，經機械化及模具加工后點焊接而成。結構牢固，合理緊湊。電機支座采用鍍鋅經機械化模具制作成形。
　　電機均用單支撐外旋電機，葉輪固定在電機外殼上，電機支撐端固定在電機支座上，電機支座固定在機殼頂板上，由電機外殼旋轉直接驅動葉輪運轉。
三。風機用途
　　該產品可用于賓館，商場，醫院，影劇院，歌舞廳，禮堂，大專院校和科研單位，以及工業與民用建筑內的通風換氣。
四。使用條件
　　輸送氣體的種類：空氣和其他不自然的。無腐蝕性的，對人體無害的氣體。
　　氣體內的雜質：氣體內不許有粘性物質，所含的塵土及硬顆粒物大于120mg/m3。
　　氣體溫度使用范圍：-20攝氏度-80攝氏度。
　　該系列風機僅使用在室內安裝，并應按樣本主視圖方位安裝，不得上下顛倒安裝，不準側立安裝，否則會影響電機使用壽命。如需裝于室外，必須考慮電機的防雨措施。
五。設計選用說明
　　該管道風機屬前向多翼型離心風機，在相同風量，分壓情況下，其噪聲比軸流風機低的多。本系列風機的風量，風壓，噪聲等參數是根據許多工程實際需要提出的，廣泛適用于公共場所的送，通風工程。
　　在該風機外殼頂面上標有出風方向的箭頭，可避免反向安裝，保證送，通風系列的下正常使用。當被輸送低溫空氣有可能造成機殼和管道外表面結露時，應設計保溫層。風機的噪聲是額定風量，風壓未接風管時距進風口一米處側得的平均數，配有進，通風管，則噪聲將有所衰減。對于噪聲要求較高的場合，應在進，通風管道上配置消聲彎頭或消聲器。風機配用單相（200V）電機的電源接線圖放置在風機電源接線盒內。
　　風機運行時振動小，一般不需采取減振措施。若設計認為有必要，可在風機支承外加減振橡膠或減振彈簧

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