雷诺数对压缩机模型级性能影响的气动特性分析

2018-01-25王金生

流体机械 2017年8期

王杨，王金生

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110141）

1 前言

随着现代工业的快速发展，作为关键动力设备的大型多级压缩机组广泛应用于石化、冶金等行业。多级压缩机末级一般进口压力较高，雷诺数较大［1，2］，研究表明雷诺数对压缩机的性能和稳定性影响较大，受其影响压缩机各部件的流动特性显著改变，影响涡轮叶片边界层的发展，同时对通道内的二次流也有较大影响，进而导致压比、效率等性能参数的变化［3，4］。由于工程上多级压缩机末级多为高压段，结构复杂不易布置测点，难以得到其内部流动参数并进行修正，多级联合计算费时费力且成本较高，通常科研人员只针对单级进行设计和研发，而忽略了雷诺数的影响，因此本文采用数值模拟来研究雷诺数的变化对离心压缩机性能的影响，初步探究压缩机各部件的损失及蜗壳内的流动变化规律，为设计不同雷诺数下高性能的离心压气机提供设计参考，对进一步掌握蜗壳内部流动现象和规律有重要的意义。

2 计算模型及边界条件

2.1 计算模型及网格划分

分别对流量系数为0.059（模型A）和0.065（模型B）的2组模型级进行了数值模拟，图1（a）计算模型为某多级压缩机机组末级包括叶轮（17叶片），无叶扩压器及等截面排气蜗壳（对称结构）。图1（b）计算模型为某机组一级包括叶轮（19叶片）、无叶扩压器及变截面排气蜗壳（非对称结构）。

图1 网格模型及计算域

2.2 雷诺数及进口边界条件

在压缩机设计时，雷诺数是一个重要的无量纲设计参数，随着雷诺数的改变，摩擦系数、阻力系数等会发生显著的变化［5～9］。雷诺数在本文中定义为在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数：

式中 U——速度特征尺度

L—— 长度特征尺度，在叶轮中为叶轮的出口宽度b2

υ——运动学黏性系数

ρ——密度

在不改变叶片和流道几何结构，同时保证模型级机器马赫数不变的情况下，通过改变进口总参数，使用CFD软件NUMECA分别对两组模型级进行数值模拟，利用FINE/EURANUS求解器进行求解，计算中给定了整级的进出口条件，设置相关控制参数（包括边界条件、控制方程和定解条件等）后进行计算。表1为模型级结构参数及进口边界条件。

表1 模型级结构参数及进口边界条件

3 计算结果分析

通过改变进出口流量值，获得高低雷诺数条件下压气机工作特性线，图2，3为不同雷诺数下模型级性能曲线。从效率随流量的变化情况可知，与高雷诺数（H）相比，低雷诺数（L）时模型级A和B压气机特性线上各工况点的效率均下降，整级及扩压器出口处特性曲线整体下移，但曲线的形状没有明显的变化，因为低雷诺数时气体的压力和温度较低，黏性力影响显著，会使流道内的流动性能变差。图2（a）和3（a）为相对多变效率随流量系数的变化曲线，在高雷诺数（H）工况下（A2、B2），观察小流量和大流量区域，分析扩压器出口和级出口的多变效率可以发现，计入蜗壳整级计算时整级性能下降较快，在偏离设计工况时，蜗壳内的效率损失较大，影响了特性曲线的平陡变化程度，此时雷诺数对蜗壳的性能有明显的影响，而相应的低雷诺数（L）时变化不明显；所以在进行多级压缩机末级的设计和研究时需计入雷诺数对压缩机效率大小影响，在小流量和大流量区域更需要加以重视。

图2 A模型级性能曲线

图3 B模型级性能曲线

2组模型各截面位置如图4所示。表2为模型级各部件效率损失受雷诺数的影响，效率损失△η为叶轮出口，扩压器出口和蜗壳出口各截面多变效率差，在设计工况下，高雷诺数（A2和B2）模型级各部件的损失低于低雷诺数（A1和B1）的损失；叶轮和扩压器的效率损失变化得比较明显，其中叶轮内的效率损失低雷诺数A1与高雷诺数A2相差2.9%，B1与B2相差1.7%，对应蜗壳内的效率损失差为0.5%和0.58%，这是因为蜗壳内速度较低，流动比较缓慢，性能变化不是很明显，所以在设计工况下改变雷诺数的大小对转子部件叶轮的影响更明显。

图4 模型截面位置示意图

表2 模型级各部件效率损失 %

针对蜗壳内部的流场参数和各截面的性能参数来研究蜗壳内部的流动情况和性能，主要气动参数有总压损失系数和静压恢复系数，本文主要研究各截面总压损失系数的变化。

总压损失系数定义：

式中 Pin——计算域进口处总压，Pa

PL——流场内某截面处的总压，Pa

P0——计算域进口处静压，Pa

分析蜗壳内的流动情况，从表3的2种模型级下总压损失系数对比中可以看出，蜗壳内的损失主要集中在扩压器出口到蜗壳出口0°～360°螺旋截面，而出风筒部分（到法兰出口）损失相对较小，同时此区域受雷诺数的影响也较小，进一步说明了高雷诺数下蜗壳的性能优于低雷诺数下的蜗壳性能。

表3 蜗壳各截面总压损失系数

图5 A，B模型级蜗壳0°～360°截面总压损失系数

从图5可以看出随着雷诺数的改变，0°～360°截面的压力分布有不同程度的改变，整个趋势基本保持一致。低雷诺数A1的Kp变化得更为剧烈，蜗壳内的损失更大。观察图5（a），0°～360°截面成震荡分布，由于设计需要，A模型级排气蜗壳螺旋截面为等截面对称蜗壳，即使在出口处加了隔板，阻止了部分回流的产生，但蜗壳内流动也比较差；因此一般情况下采用变截面蜗壳可以得到更加合理的气流分布。图5（b）显示，小截面（0°～90°）Kp存在较大的波动，这是由于受到蜗舌的影响，蜗舌区域周围流动受进口相对较低速度和出风筒较高速度混合的影响，蜗舌区域流动不稳定，导致小截面速度较高，损失增大，所以变截面蜗壳优化设计时蜗舌部分需要重点考虑。