王松岭， 孔 禹， 张 磊

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

无叶扩压器半径比对内部流动影响的研究

王松岭， 孔 禹， 张 磊

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

无叶扩压器是离心压气机的重要部件，研究其内部流场掌握其流动特点，对于提升扩压器性能及了解失速诱发具有重要意义。采用三维数值模拟方法以更准确真实地展示不同宽比的小型离心压气机无叶扩压器内部流场的演化规律。采用Ansys 15.0软件对离心压气机进行了模型设计，网格划分和数值模拟并对模拟结果进行分析。结果表明：半径比的改变对流场的流动特性影响较小而对压气机的流动稳定性影响较大，半径比越小稳定性越高；失速发生的标志是只有当回流区延伸至扩压器出口处；静压升系数在失速先兆的发生时刻出现最大值。

离心压气机； 无叶扩压器； 数值模拟； 流场分析； 旋转失速

0 引言

离心压气机作为提高气体压力的通用机械广泛应用于各个行业，主要由离心叶轮、扩压器、集气管道组成。无叶扩压器由于结构简单，运行范围稳定而使用广泛。压气机系统在小流量工况下运行容易出现不稳定流动现象如失速、喘振等，而相较于叶轮失速扩压器失速引起的危害更大。文献[1,2]对于离心压气机无叶扩压器内的旋转失速演化；文献[3-5]对于失速团的数目和结构以及抑制措施进行了数值模拟和实验；文献[6]假定扩压器内部流动为二维不可压缩，分析了扩压器进口的射流-尾迹扰动。结果显示，径向速度扰动衰减较快且主要受入口流量的影响。文献[7]研究了低速离心压缩机无叶扩压器内部流场和壁面压力波动，并通过频谱分析确定了失速起始点和失速频率。结果表明，随着流量系数的减小，径向速度和周向流动角逐渐减小，但是流量的减小对失速频率的影响却很小。

在早期的研究中学者发现三维的边界层不稳定是导致失速产生原因，文献[8，9]先后建立了无叶扩压器旋转失速的三维不可压缩和可压缩模型，结果表明扩压器失速的临界流动角受扩压器半径比和径向速度沿扩压器宽度方向的分布影响。文献[10]对涡轮增压器的无叶扩压器内流场进行了详细研究，呈现了失速发展的过程，随着流量的减小无叶扩压器内回流不断加强，并不断向各个方向扩展延伸，最终从近壁面处局部失速演变为全周失速。本文利用三维数值模拟计算耦合离心叶轮的无叶扩压器模拟，探究大宽比扩压器的半径比对流动特性的影响，完善人们对无叶扩压器的认识，这对于改善风机性能具有重要的意义。

1 压气机计算模型

1.1几何模型和网格划分

本文研究的离心压气机利用ansys15.0平台中VistaCCD模块设计离心叶轮，Gambit设计无叶扩压器并改变半径比，选择理想大气作为流体介质，图1(a)为离心叶轮，(b)为1.5倍扩压器模型示意图，表1为设计参数。

图1 1.5倍半径比离心压气机模型

采用TurboGrid模块进行网格划分，选择拓扑分流叶片结构，自动生成结构化网格。单流道入口段网格为19 074，流道网格21 420。叶轮单流道网格模型及网格细节如图2所示。

为了减小网格数量带来的计算误差，本文分别对1.5倍半径比离心压气机进行网格无关性验证，如图3所示离心叶轮的网格分别为250万，280万，310万，350万，根据模拟结果以及计算时间考虑选择310万网格。选择收敛值为10-5，当收敛曲线达到该值，或呈震荡发展趋势即为收敛。并对于1.2倍、1.5倍扩压器采用相同比例网格以减小网格对于计算的影响。

表1 离心压缩机主要结构参数

图2 叶轮单流道网格

图3 1.5倍半径比离心叶轮网格无关性验证

2 结果分析

2.1无叶扩压器内流动分析

对于扩压器失速的研究一直集中于边界层稳定性，以及二维核心流扰动对其影响，为了更加清晰地研究边界层对风机失速的影响，故取近壁处10%叶高处流动情况进行分析。图4为不同流量系数下1.5倍扩压器内10%叶高径向速度分布云图，图中叶轮为逆时针旋转，由图4(a)可知在流量系数为0.6时,无叶扩压器盘侧出现回流区，并且回流区成环状分布，其回流区的径向范围开始于1.1倍的叶轮半径结束于1.4倍的叶轮半径，由于该回流区并没有扩展到扩压器出口，因此可以判断该回流环的形成是由于壁面边界层分离引起的。每个环状回流区又包含低速区，其个数与离心压气机的流道数相等。当流量系数降低时回流区暂时消失，流道内出现明显的射流尾流结构，且速度梯度明显，核心流与流道数量相同。当流量减小为0.36时低速区开始出现在扩压器出口处。直到流量系数减小到0.3时，流动发生畸变，回流环状区又显现出来并且扩展到扩压器出口区域。

图4 半径比为1.5扩压器10%叶高处径向速度图

图5为不同流量系数下1.8倍扩压器内10%叶高径向速度分布云图，叶轮旋转方向相同，由图5(a) 可知在流量系数为0.6时,无叶扩压器盘侧出现回流区，并且回流区成环状分布，其回流区的径向范围开始于1.1倍的叶轮半径结束于1.6倍的叶轮半径，对比于1.5倍半径的扩压器，回流区的形状和数量保持一致，影响范围有所扩大。同时由于回流区在扩压器中心处，可判断回流同样由于边界层分离引起。当流量系数降低为0.48时回流区暂时消失，扩压器中心流动现象和原始扩压器相似，但由于扩压器半径较大，流体在扩压器出口出现环状低速区。当流量减小为0.42时，回流区开始出现在扩压器出口处，核心流的流动规律保持一致。直到流量系数减小到0.36时，流动发生畸变，回流环状区又显现出来并且呈现不规则性。对比于图4可发现1.8倍半径比的扩压器流动发生畸变的临界流量有所增大，因此可认为半径比增大扩压器流动的稳定性有所减小，这与实验研究的结论相一致。

图5 半径比为1.8扩压器10%叶高处径向速度图

图6为不同流量系数下1.2倍扩压器内10%叶高径向速度分布云图，叶轮旋转方向相同，由图6(a) 可知在流量系数为0.6时,无叶扩压器盘侧出现回流区，并且回流区成环状分布，其回流区的径向范围开始于1.1倍的叶轮半径结束于1.2倍的叶轮半径，对比于1.5,1.8倍半径比的扩压器，回流区的形状保持一致，但数量增加为2倍的流道个数，同时回流区靠近扩压器出口，但并未发生完全合并且全部覆盖出口，故失速并未发生。当流量系数降低为0.48时，叶轮流道出口处出现二倍流道数量的高速核心区，并形成完整的射流尾流结构。当流量减小为0.3时，回流区开始出现在扩压器出口处，核心流的流动规律与原始扩压器保持一致。直到流量系数减小到0.24时，流动发生畸变，回流环状区完全合并并出现在扩压器出口处。对比于图4，5可发现1.2倍半径比的扩压器流动发生畸变的临界流量有所减小，因此可认为半径比减小扩压器流动的稳定性有所增加。

图6 半径比为1.2扩压器10%叶高处径向速度图

2.2扩压器内静压分析

定义静压升系数Cp其定义式如下：

(1)

式中：ρ为理想气体密度；u2为叶轮出口圆周速度；Δp为各段静压升，规定分别以下标1、2、3、4表示叶轮进口、叶轮出口、扩压器进口、扩压器出口。其中叶轮出口和扩压器进口半径相等，本文用下标12、34和14分别表示叶轮段、扩压器段和整级的参数值。

通过不断减小扩压器出口的质量流量，获得3种半径比下各段静压升系数分别如图7所示。由图可知随着流量系数的减小，扩压器段的静压升系数先增大而后减小，叶轮段静压升系数随流量减小也呈现先增加后减小的趋势，并在失速先兆出现时达到最大值，同时随着扩压器半径减小临界失速流量向小流量迁移。以扩压器静压系数下降的第一个点作为其发生失速的临界流量，当流量进一步减小时，叶轮静压系数也发生降低表明叶轮也进入失速的临界流量。

图7 静压升系数随流量变化示意图

定义出口的绝对速度为v，出口圆周速度为um，则流动角:

(2)

图8为不同半径比下流动角变化示意图，由图可知3种扩压器形势下流动角变化趋势一致，在大流量阶段流动角发生重合，这表明扩压器的半径比对流动特性影响不大。随着流量的减小流动角逐渐减小，并通过失速先兆发生时刻的流量得出临界流动角，半径比越小的扩压器临界流动角越小，其稳定性相对也越高。

图8 流动角随流量变化示意图

3 结论

(1)无叶扩压器内出现回流区并不能诱发失速，只有当回流区扩展到扩压器出口区域时才能诱发失速。

(2)扩压器半径比的改变不影响失速诱发机理，只影响失速发生的临界流量和临界流动角，相比之下半径比越小的扩压器流动稳定性越好。

(3)定义静压升系数可发现在失速先兆发生的时刻静压升系数达到最大值，静压升系数第一个下降点即为临界失速流量。

(4)通过对流动角的研究发现，半径比为1.8,1.5,1.2的扩压器流动角变化发生了重合，这表明半径比的改变对其流动特性影响不大。本文模拟结果于文献中结论相一致，且采用三维方法更真实地展示了近壁处流体径向速度云图。

[1] 高闯. 离心压缩机无叶扩压器失速与系统喘振先兆分析研究[D]. 上海：上海交通大学, 2011.

[2] LI D, YANG C,ZHU Z H, et al. Numerical and experimental research on different inlet configurations of high speed centrifugal compressor[J]. Science China Technologicalences, 2012, 55(1):174-181.

[3] AHTIJAATINEN V, ROYTTA P, TEEMU T S, et al. Experimental study of centrifugal compressor vaneless diffuser width[J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2013, 27(4):1011-1020.

[4] YOON Y S, SONG S J. Analysis and measurement of the impact of diffuser width on rotating stall in centrifugal compressors[J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2014, 28(3):895-905.

[5] 康剑雄, 黄国平, 朱俊强, 等. 离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制[J]. 航空动力学报, 2015, 30(12):2960-2969.

[6] 高闯, 谷传纲, 王彤, 等. 无叶扩压器内的射流-尾迹型扰动分析[J]. 动力工程学报, 2009, 29(4): 326-329.

[7] 郭强， 竺晓程， 杜朝辉，等. 低速离心压缩机旋转失速的试验研究[J]. 实验流体力学, 2007, 21(3): 38-44.

[8]沈枫, 竺晓程, 杜朝辉, 等. 离心压缩机无叶扩压器的三维失速模型[J]. 上海交通大学学报, 2011, 45(9): 1251-1255.

[9] 沈枫, 竺晓程, 刘鹏寅, 等. 无叶扩压器失速的三维可压缩流模型[J]. 上海交通大学学报, 2011, 45(11):1725-1730.

[10] 马超, 王航, 刘云岗, 等. 小流量下离心压气机无叶扩压器数值模拟及流动分析[J].内燃机与动力装置, 2010(5):13-16.

Influence of Radius Ratio of Vaneless Diffuser on Internal Flow

WANG Songling， KONG Yu, ZHANG Lei

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China ElectricPower University, Baoding 071003, China)

The vaneless diffuser is an important part of the centrifugal compressor. Studying its internal flow field to get its flow characteristics is of great significance to enhance the performance of diffuser and understand the mechanism of the induced stall. The three-dimensional numerical simulation method is used to show the evolution of the internal flow field of the vaneless diffuser in a small centrifugal compressor with different width ratio. Software Ansys 15.0 is applied to model the centrifugal compressor, partition mesh, implement numerical simulation and analyze simulation results. The results show that the change in radius ratio has little effect on the flow characteristics of the flow field while it shows a greater effect on the flow stability of the compressor: the smaller the radius ratio, the higher the stability. The indication of occurrence of stall is that only when the return zone extends to the diffuser exit, and the static pressure rise coefficient appears at the time of occurrence of stall precursor.

centrifugal compressor; vaneless diffuser; numerical simulation; flow analysis; rotating stall

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.008

TH452

A

1672-0792(2017)10-0045-05

2017-06-30。

王松岭(1954-),男，教授，博士生导师，研究方向为热力设备及大型回转机械安全、经济运行，流体动力学理论及应用。