帶無葉擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)失速現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究.pdf

1、失速和喘振是離心壓縮機(jī)中常見的非定常流動(dòng)現(xiàn)象，它限制機(jī)器的穩(wěn)定工作范圍，影響運(yùn)行的可靠性，在機(jī)組的設(shè)計(jì)和調(diào)試中是實(shí)現(xiàn)各級(jí)匹配的重要障礙，并在過渡態(tài)和非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行中導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。研究和掌握其非定常流動(dòng)特性，對(duì)提高離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)效率、擴(kuò)大其穩(wěn)定運(yùn)行工作范圍、提高運(yùn)行的安全和可靠性意義重大。 實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬是研究葉輪機(jī)械內(nèi)部流場的兩種基本方法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類先進(jìn)的測量技術(shù)的不斷出現(xiàn)，如熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀，

2、為實(shí)驗(yàn)研究提供了新的測量工具；同時(shí)計(jì)算機(jī)性能的飛速提高和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的日趨完善，基于求解三維粘性Navier-Stokes方程的數(shù)值模擬方法為葉輪機(jī)械內(nèi)部流場的研究提供了強(qiáng)大的手段。本文正是通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究小流量下離心壓縮機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)現(xiàn)象。 本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下： 1．根據(jù)國家通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)，搭建了性能測試試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)加工實(shí)驗(yàn)部件，對(duì)實(shí)驗(yàn)用低速離心壓縮機(jī)進(jìn)行性能測

3、試，得到了空氣動(dòng)力學(xué)性能曲線，確定離心壓縮機(jī)失速測量的工況點(diǎn)。 2．使用高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器成功測量了實(shí)驗(yàn)用低速離心壓縮機(jī)在小流量下詳細(xì)的內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)，對(duì)其旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進(jìn)行了分析。研究結(jié)果認(rèn)為當(dāng)失速發(fā)生時(shí)，存在一個(gè)周向擾動(dòng)的失速團(tuán)，相對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)角速度為0.52。 3．使用PIV系統(tǒng)成功測量了實(shí)驗(yàn)用低速離心壓縮機(jī)在小流量下詳細(xì)的內(nèi)部流場。在近后蓋板側(cè)4個(gè)不同時(shí)刻下的相對(duì)速度矢量圖和徑向速度等值線圖完整地描述了葉片旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)

4、展變化過程。鎖相平均后的試驗(yàn)結(jié)果表明，在葉片吸力面?zhèn)?，所有的小流量下均出現(xiàn)了流動(dòng)分離，形成了完整的分離渦。在國內(nèi)外首次采用PIV系統(tǒng)測量得到在無葉擴(kuò)壓器子午面上的整場流動(dòng)，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)位于擴(kuò)壓器進(jìn)口后蓋板附近和擴(kuò)壓器出口前蓋板附近各出現(xiàn)了一個(gè)流動(dòng)分離區(qū)，擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)顯著類“S”型。 4．基于分布式網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算硬件平臺(tái)，使用商業(yè)CFD計(jì)算軟件CFX結(jié)合出口氣腔模型，通過求解三維雷諾平均的Navier-Stokes方程組，對(duì)實(shí)

5、驗(yàn)低速離心壓縮機(jī)小流量下的失速流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。盡管實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的靜壓波動(dòng)的幅值存在一定的差異，但是經(jīng)離散傅立葉變換得到的失速頻率非常吻合。分離渦的結(jié)構(gòu)定性的與實(shí)驗(yàn)測量瞬時(shí)流場非常接近，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性。 5．基于以上數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)美國Honeywell公司渦輪增壓器用高速離心壓縮機(jī)小流量下的失速現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬中采用全流道(不加蝸殼)和全場(加蝸殼)兩種計(jì)算網(wǎng)格。對(duì)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，離心

6、壓縮機(jī)的蝸殼對(duì)壓縮機(jī)失速流動(dòng)的影響是非常顯著的，蝸殼在壓縮機(jī)失速中扮演了諧振管的作用，衰減了無葉擴(kuò)壓器產(chǎn)生的流動(dòng)不穩(wěn)定并在蝸殼中形成了駐波的結(jié)構(gòu)。在高速離心壓縮機(jī)測量的失速區(qū)域，全場數(shù)值計(jì)算得到的失速頻率遠(yuǎn)低于全流道數(shù)值計(jì)算得到的失速頻率。使用全場數(shù)值計(jì)算得到了明顯的壓力和質(zhì)量流量的振蕩，該振蕩具有大約4倍于蝸殼周向特征長度的波長，且振蕩的幅值隨壓縮機(jī)質(zhì)量流量的減小而增加。 6．在全流道和全場數(shù)值計(jì)算中都發(fā)現(xiàn)，葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)分

7、離明顯地影響了無葉空間及無葉擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)。全流道數(shù)值計(jì)算顯示在失速周期中隨著質(zhì)量流量的減小，無葉擴(kuò)壓器內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)，只在靠近無葉擴(kuò)壓器前蓋板進(jìn)口處出現(xiàn)了徑向逆流區(qū)。但是全場數(shù)值計(jì)算顯示在失速周期中隨著質(zhì)量流量的減小，不僅在擴(kuò)壓器前蓋板進(jìn)口附近流場出現(xiàn)徑向逆流區(qū)，而且在擴(kuò)壓器后蓋板出口附近流場也出現(xiàn)了徑向逆流區(qū)。擴(kuò)壓器前蓋板進(jìn)口處的徑向逆流區(qū)可歸因于壓縮機(jī)葉輪流道內(nèi)部二次流的影響，而擴(kuò)壓器后蓋板出口處的徑向逆流區(qū)可歸因于蝸殼內(nèi)的

8、影響。 7．在失速周期中，在所有的時(shí)刻下蝸殼流道的截面上，流動(dòng)均形成了一個(gè)的旋渦，旋渦中心流動(dòng)損失較大，總壓較小。在蝸殼出口直管段由于渦流速度明顯減小和旋渦自身的不穩(wěn)定，在小流量下容易發(fā)生破裂，導(dǎo)致蝸殼出口的截面中心區(qū)域通流速度均出現(xiàn)逆流，此逆流為壓縮機(jī)失速特征的表現(xiàn)。在失速條件下截面中心的渦心成對(duì)地破裂成反向旋轉(zhuǎn)的更小的旋渦。蝸殼出口部分的失速可能是維持蝸殼內(nèi)部駐波結(jié)構(gòu)的能量源。 8．當(dāng)質(zhì)量流量在0.7kg/s的頻譜分