（动力机械及工程专业论文）单级离心压缩机静止元件的性能分析与结构优化.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微型燃气轮机具有高效、可靠、结构紧凑、低排放及运行成本低等优点，在能 源动力和军事工业中占据十分重要的地位；作为微型燃机的关键部件，离心压缩机 的研发和应用正在成为国内、外重点研究的方向之一。离心压缩机中的静止元件如 扩压器、蝇壳等，对提高压缩机整机性能、拓宽有效运行范围发挥着举足轻重的作 用静止元件由于受上游旋转叶轮对流动带来的影响以及本身结构对流动的约 束，箕内部的流动情况非常复杂，因此探索流体在静止元件内部的流动机理，对合 。理设计和优化结构有着重要的指导意义：而目前对离心压缩机静止元件的流动情况 作透彻分析的互作野展褥还根少，本文正是就这一方面做更深入地研究。 本文钟对莱徽型燃机关键部件离心压缩机的静止元件展开了内部流动分析和结 构优化工作诩豫i u 0 n 渤，p r 0 e n g i n e e r m g 等工程制图软件以及旋转机械内部 流动数值分析酶专用软件咖溉c ，对离心压缩机的静止元件如扩压器和蜗壳，进行 了设诗建模敷值计算流场分析一结构再设计( 优化) 的全过程工作。 本文在离心压缩机扩压器性能改进的研究工作中得到了很有价值的结论。在离 心压缩机无叶扩压器结构设计和流场性能计算的基础上，利用一种新兴的无叶扩压 器结构优化方法一轮盖侧加装半高导叶的方法，对无叶扩压器的结构进行了优化设 计；同时提出了“轮盘侧装有一定高度导叶的扩压器”的构想和方法。论文中深入 探讨并总结了轮盖侧或轮盘侧上加装不同高度的导叶对扩压器性能的影响规律，寻 求性能较好的导叶扩压器结构；另外还对原设计微型燃机离心压缩机的有叶扩压器 进行了取消叶片，并在其轮盘或轮盖侧加装不同高度导叶的尝试，得出了指导性的 推论。最终计算结果表明轮盖侧加装0 4 倍叶片高度的导叶扩压器或轮盘侧加装0 2 倍叶片高度的导叶扩压器的性能明显优于无叶扩压器，而且轮盖侧加装0 4 倍叶片高 度的导叶扩压器效率比原设计方案的扩压器效率提高了三个多百分点。 在离心压缩机蜗壳结构优化的研究中，基于蜗壳一维气动设计的理论和蜗壳截 面面积的修正，获得了等内径的不对称圆型蜗壳结构，并对流动十分复杂的蜗壳内 部流场进行了数值计算分析，在分析计算结果的基础上，将原蜗壳截面结构合理地 改成不对称梨型结构，并进行了对比分析。结果表明通过对蜗壳截面结构的改进， 明显提高了单级离心压缩机的整级性能，改进蜗壳截面后的整级效率比改进前的整 级效率提高了将近两个百分点，为离心压缩机蜗壳的设计研究提供了经验和参考。 关键词：离心压缩机；扩压器；蜗壳：数值模拟：结构优化 大连理工大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds t r u c t u r a li m p r o v e m e n to ft h es t a t i c c o m p o n e n t sw i t h i nt h es i n g l e - s t a g ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r a b s t r a c t w i t ht h eo b v i o u sa d v a n t a g e so f h i g he f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i l i t y , c o m p a c ts t r u c t u r ea n d l o w e m i s s i o na n dl o wc o s t , t h em i c r og a st u r b i n e ( m g t ) i sg a i n i n ga l li r r e p l a c e a b l ep o s i t i o ni n p o w e ri n d u s t r ya n dm i l i t a r y t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , ak e y c o m p o n e n ti nt h em i e r og a st u r b i n e b e c o m e st h em a i nr e s e a r c ht a s ki nc h i n a s t a t i c c o m p o n e n t ss u c ha sd i f l u s e t sa n dv o l u t e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec e n t r i f u g a l c o m p r e s s o rb e c a u s et h e yc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p r e s s o ra n db r o a d e nt h e o p e r a t i n gr a n g e b u tt h ef l o wi ns t a t i cc o m p o n e n t si sc o m p l e xb e c a u s ei t i si n f l u e n c e db y n o to n l yt h er o t a t i n gi m p c l l e ru d s t r e a i nb u ta l s ot h eb l o c ko ft h e i ro w ns t r u c t u r e t h c c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ef l o wm e c h a n i s mi ns t a t i cc o m p o n e n t si sc r u c i a lt o d e s i g nh i g hq u a l i t yc o m p o n e n t s t h i st h e s i su i c s t oc a r r yo u tad e e p e ri n v e s t i g a t i o ni nt h i s f i e l d t h em a i nw o r ki n t h i st h e s i si so nt h eo p t i m i z a t i o no ft h es t a t i cc o m p o n e n t so ft h e c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , ap i v o t a lc o m p o n e n t i r ls o m et y p eo fm i c r og a st u r b i n e o u rr e s e a r c h p r o c e d u r ei sc o m p o s e do fd e s i g n , m o d e l i n g ，c o m p u t a t i o n , f l o wa n a l y s i sa n dr e d e s i g n , a n dw e a p p l ya u t o c a d 、c a x a 、p r o e n g i n e e r i n ga n dn u n 正c at oc o m p l e t e t h ei t a n l e c o n s t r u c d o na n dd a t aa n a l y s i s av a l u a b l ew o r kh a sd o n eo nt h er e s e a r c ho f o p t i m i z i n gt h ed i f l u s e t o nt h eb a s i so f t h e d e s i g no ft h ev a n e l e s sd i f f u s e ra n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wt i c l di nt h ev a n e l e s s d i 甩l s e r , t h es t r u c t u r eo f t h ev a n e l e s sd i f l b e ri si m p r o v e db yu s i n gan e wm e t h o do f a h u bv a n e d i 偷s e r m e a n w h i l e t h em e t h o do f as h r o u dv a n ed i f l u s c ri sp r e s e n t e d t h ee f f c c to f t h eh e i g h t o f t h eh u b s h r o u dv a n et ot h ep e r f o r m a n c eo f t h ed i f l u s c ri sd e e p l yd i s c u s s e dt os e e kt h eb e s t s t r u c t u r eo ft h eh u b s h r o u dv a f l ed i f l u s 日i na d d i t i o n am e t h o do ft h ed i f l u s e rw i t ht h e h u b s h r o u dv a n ei sa p p l i e dt ot h eo r i g i n a lv a n ed i f l u s e t s o m ev a l u a b l ei n e e r e n c ec a nb e d r a w nf r o mt h ea t t e m p ta n dr e s e a r c ho f t h em e t h o d t h er e s u l ts h o w s 仇a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h es h r o u dv a n ed i f l u s e rw i t h0 4 bh e i g h to rt h eh u bv a n ed i f f u s e rw i t h0 2 bh e i g h ti sm u c h b e t t e rt h a nt h a to ft h ev a n e l e s sd i f f u s e r a n dp r o v e st h a tt h ee 茄c i e n c yo ft h es h r o u dv a n e d i f 五j s e r w i 吐1 0 4 bh e i g h th a sb e e ni n c r e a s e db ym o r et h a n3p e r c e n to nt h eb a s i so ft h e o r i g i n a lv a n ed i f f u s e r b a s e do no n e d i m e n s i o n a la e r o d y n a m i cd e s i g nt h e o r ya n dc o r r e c t i o no f f i r mp a r a m e t e r s , t h es t r u c t u r eo f t h ea s y m m e t r i c a lc i r c l ev o l u t ew h i c hh a s t h es a n l ei n s i d ed i a m e t e ri sp r e s e n t e d o n 曲旧i l l l p r o v i n gd e s i g no f t h ev o l u t e t h r o u g ht h en u m e r i c a la n a l y s i so f t h ec o m p l i c a t e df l o w w 岫i nt h ev o l u t e t h es t r u c t u r eo ft h ea s y m m e t r i c a lc i m l e v a l u ei sc h a n g e di n t ot h e a s y m m e t r i c a lp y r i f o r mv o l u t e d e p e n d i n go l lt h ec o n t r a s ta n da n a l y s i so f t h et w os t l u c t u l 屯s ，t h e r e s u l tc a r lb ef o u n dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ep y r i f o r mv o l u t ej si m p r o v e do b v i o u s l y ，a n dt h e t o t a ls t a g ee 衔c i e n c yo ft h cn e wc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rw i t ht h ec h a n g e dv o l u t eh a sy i e l d e d a p p r o x i m a t e l y2 i n c r e a s co ft h eo r i g i n a lc o m p r e s s o re f f i c i e n c y t h ew o r kp r o v i d e s v a l u a b l ee x p e r i e n c ea n dr e f e r e n c ef o rf u t u r ed e s i g na n dr e s e a r c h o ft h ev o l u t ei nt h e c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；d i f f u s e r ；v o l u t e ；m o d e l i n g ；s t r u c t u r a li m p r o v e m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 ： 龟q 2 旦煎笪 ；曰 单级离心压缩机静止元件的性能分析与结构优化 1 绪论 1 1 离心压缩机的研究及发展 微型燃气轮机，简称m g t ( m i c r o - g a s - t u r b i n e s ) 是2 0 世纪9 0 年代初以来发展起来的 类小型动力发动机。相比于般的燃气轮机，其功率、工质流量较小，转速高。通 常，微型燃气轮机的转速范围为每分钟5 1 2 万转，功率大约在3 0 3 0 0 k w 之间。其主要 组成元件包括j 部分：燃气透平；离心压缩机：燃烧室。离心压缩机和向心式透平为高 速旋转的径流式叶轮机械，是气流能量与机械功之间相互转化的关键部件。 离心压缩机利用叶片和气体的相互作用，提高气体的压力和动能，并利用相继的通 流元件使气流减速，将动能转变为压力的提高 i 。离心压缩机可以满足工业上对气体压 缩的各种需求，应用范围很广，而且在许多领域中是其它类型压缩机所无法替代的。作 为一种工业装备，由于具有体积小、级压比高，长度短、设计制造简单、成本低等特 点，离心压缩机广泛应用于石油、化工、天然气管线、冶炼、制冷和矿山通风等诸多重 要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域 随处可见：作为增压器已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。 离心压缩机的大发展得益于科技发展带来的实验测量设备进步，如采用无接触测 量技术方法的激光测速仪；另外计算机性能的不断提高与价格的不断降低为计算流体 力学( c f d ) 的发展和应用引算流体力学解决各类工程实际问题等提供了强有力的物质 基础和重要手段。与此同时，随着社会的不断前进，为满足国防工业和日常生活的需 求，人们对离心压缩机的性能提出更高的要求。为了减小尺寸又保证高压比，离心压 缩机从亚声速流的设计研究发展到跨声速流的设计研究。扩压器的研究也在不断深 入，从无叶到叶片扩压器，希望在扩压器内实现更高的压力恢复来满足高压比离心压 缩机的需要。同时蜗壳是对压缩机性能的提高最具有潜力可挖的元件，对蜗壳深入的 研究也显得越发重要。当前研究工作的主要目的是充分地理解离心压缩机内部的流场 性质，尽可能减少损失，提高压比和级效率，充分的发挥离心压缩机的优点 2 。 在比较轴流压缩机和离心压缩机的效率时，通常会发现离心压缩机的效率一直都 很低。这说明对离心压缩机内部流动的理解还很有限，需要用更先进的技术手段去观 察和模拟研究；另一方面，轴流压缩机的高效率从侧面也反应了离心压缩机内部流动 的复杂性。离心压缩机经过很短的通道得到非常高的增压比，流体要完成两个方向的 转折，使得其内部的三维流场十分的复杂。离心压缩机叶片通道的复杂结构和转子工 作时产生的科氏力以及旋转转子和静止机匣间的漏流等现象使流动变得相当复杂，此 外，在流道内还有二次流、分离流、角涡以及“射流尾迹”等物理现象。近年来， 大连理工大学硕士学位论文 对压缩机的尺寸要求越来越高，小尺寸、高压比的压缩机总体上比传统设计的低压 比、大体积需要更高的周向速度，这样，在级内将产生跨音速流，进而有激波平u 激波 附面层干扰等现象。这些现象使流动变得愈加的复杂 3 。 随着气动力学全三元流动理论的发展，离心压缩机的气动设计方法、计算分析软件 日臻成熟并推广应用，离心压缩机理论得到深入的研究，使当今的离心压缩机更具有先 进的热力、气动性能；转子动力学的进步提高了压缩机的可靠性，机械制造业的现代 化，保证了压缩机的先进设计性能和可靠性；周端密封技术的不断进步，如干气密封的 发展，有可能摒弃密封油系统：新型轴承的出现，特别是当前气体轴承；电磁轴承的发 展，在不久的将来，很有可能在支承系统中摒弃滑油系统；故障诊断学的新成果为故障 的诊断与排除提供了重要手段；控制理论和计算机技术的新发展，先进的压缩机性能控 制、防喘控制和运行监控系统的采用，更大程度上提高了压缩机的运行安全可靠性。随 着离心压缩机研究水平的不断提高有理由期待，崭新的结构紧凑、系统简便、效率更 高、更安全可靠、具有先进监控系统装备的离心压缩机会很快出现 1 。 1 2 离心压缩机静止元件的研究概况 离心式压缩机在国民经济的重要行业中发挥巨大作用，被称为“心脏设备”。因 此提高离心式压缩机的性能会产生巨大的应用价值。长期以来，人们主要是通过改进 并优化离心式压缩机的主要元件一叶轮来提高压缩机的性能，但是忽略了静止元件如 扩压器、蜗壳的改进。随着对节能型压缩机日益增加的性能需要，人们也日益把目光 投向扩压器、蜗壳等静止元件的研究，以期挖掘其可能存在的节能潜力，希望藉此提 高机组的整体运行效率。 j 2 1 离心压缩机扩压器的国内外研究概况 扩压器是离心乐缩机中一个重要的静止部件，是气流能量转换的主要元件之一。 目前，有关无叶扩压器的研究已经很多。文献 4 曾介绍了旋转扩压器( 针对无叶扩 压器) 的实验研究工作，探讨最佳曲型旋转扩压器的设计方法，并从理论分析和实验 来说明曲型扩压器的性能优于直边型扩压器的结论。刘立军等人 5 对离心压缩机无 叶扩压器内部的流动进行过测量。并用s i m p l e c 算法结合k e 湍流模型对该无叶扩压 器内部流动进行了数值模拟，发现计算结果与实验值基本吻合，以此说明了如下规 律：气流速度沿扩压器宽度方向的分布是盘侧高于盖侧，速度分布逐渐达到均匀；当 提高转速时，气流速度沿扩压器宽度方向的变化较小，压力恢复系数在无叶扩压器前 段增长较快，在后段增长缓和。 单级离心压缩机静止元件的性能分折与结构优化 有叶扩压器对提高级效率和级压比，有着极其重要的作用。大量的研究工作是对 有叶扩压器本身的研究，诸如叶型参数、进出口角度、进出口半径比、进出口宽度及 叶片数等方面。国内还有人采用叶片进口部分特殊设计的新型有叶扩压器，设计了截 面为双圆弧及三圆弧倒机翼叶型的有叶扩压器，可以克服叶轮出口处气流不均匀性对 级的不良影响 6 。樊会元等人 7 将遗传算法应用于求解透平机械中：维有叶扩压器 壁面的最优速度分布，从而显示出遗传算法具有进行叶栅流场分析的巨大潜力。西安 交通大学涡轮研究中心也进行过类似的研究并发表相关的报道 8 9 。 无叶扩压器有宽广的工作范围，但其压力恢复系数低：有叶扩压器可以得到较高 的压力恢复系数，但工作范围会变小。而低稠度有叶扩压器因为取消了喉口，解决了 大流量时喉口堵塞问题，从而具有有叶扩压器和无叶扩压器的最佳特性。因此，在过 去十年中人们对它有着极大的兴趣。目前，发展低稠度有叶扩压器目前需要研究的领 域主要集中在对总的定常和非定常低稠度有叶扩压器性能的影响：( a ) 叶片前缘几何 学；( b ) 入射角；( c ) 厚度分布t ( r ) ：( d ) 叶片弧高分布；( e ) 前伸焦：( f ) 叶片数z ： ( 曲叶片安装；( h ) 稠度系数0 。最早的关于低稠度有叶扩压器的文献是一个叫 s e n o o 1 0 的日本人的专利，他用小于0 9 的稠度叶片对低稠度有叶扩压器进行定 义，并介绍了单排和前后排低稠度有叶扩压器。它指出，带有低稠度有叶扩压器的离 心式压缩机单级性能要比无流程损失的无叶扩压器的离心压缩机要好。从那时起， s e n o o 和他的同事们发表了大量的文章来介绍低稠度有叶扩压器的性能。s e n o o 1 i 总结了稠度、叶片数、叶片安装角对低稠度有叶扩压器性能的影响，同时强调积极运 用二次流来提高扩压器的性能。o s b o r n e 和s o r o k e s 1 2 使用具有径向流动和混合流 动叶轮的单级和多级压缩机的单排低稠度有叶扩压器，从他们的测试中可以得到结 论：低稠度有叶扩压器即使是在高速和中速下关于效率和流程方面也是成功的。 h a y a m i 1 3 等人指出稠度为0 6 9 的低稠度有叶扩压器性能要优于接近声速的离心式 压缩机的无叶扩压器。这些叶片由双圆弧叶片的线性叶栅等角转变来的。低稠度有叶 扩压器还在大范围的入流角内表现出良好的压力恢复，而且这种压力恢复直增加到 入流马赫数达到1 1 。h a y a m i 等人逊发现在冲角为一2 。n - 3 。的情况下，低稠度有叶 扩压器有最大的压力恢复。s o r o k e s 和w e l c h 1 4 ，1 5 开发了一种可旋转的低稠度有 叶扩压器系统，该系统用于研究安装角效果。除了安装角他们还研究了叶片前缘半径 比的效果。h o h l w e g 1 6 等做试验研究了一台过程压缩机和一台空气压缩机，它们都 带有低稠度有叶扩压器。过程压缩机的低稠度有叶扩压器的稠度为0 7 ，叶片数为 1 0 ，同时还测定了空气压缩机的三个低稠度葡叶j 广匪器，它们稠度均为0 7 ，叶片数为 1 6 ，但是有不同的设计冲角：一4 1 。、一1 9 。和+ 0 3 。最近，美国密西根州立大 大连理工大学硕士学位论文 学机械工程系涡轮实验室进行了许多低稠度有叶扩压器的相关实验及数值计算， e n g e d a 1 7 2 3 发表了多篇有关平板低稠度有叶扩压器的设计和性能的报道。 叶轮与扩压器之间的相互作用对离心式压缩机内部流动也具有强烈的影响。但 是，对此种影响的认识仍然不令人满意。德国亚琛工业大学涡轮研究院 2 4 、2 s 通过 实验研究了叶轮和扩压器相互作用对叶轮和扩压器内部的非定常和时域平均流场的构 造，以及扩压器和叶轮的性能的影响。所研究的压缩机扁平楔型有叶扩压器允许对扩 压器叶片角度进行独立调整以及对叶轮出口和扩压器入口之间的间隙进行调整。注意 力主要集中在径向间隙，因为它破坏了叶轮和扩压器之间作用的强度。而且它还处理 整体的流动损失和在叶轮、扩压器和整个压缩机中的扩压。他们通过实验表明，在大 多数情况下较小的径向间隙能够导致叶轮叶片出口处更加均一的流动以及由于压缩机 效率提高而产生的较高压力恢复。另外一方面叶轮的效率几乎不受到径向间隙的影 响。 从离心压缩机叶轮排出的气流是扭曲的，且随着比转速的增加，叶轮出口宽度增 加，气流扭曲程度也会增加。对于高比转速压缩机，扭曲的叶轮出口气流对扩压器的 性能有很大影响。为改善高比转速压缩机的扩压器性能。日本学者y y o s h i n a g a 2 6 等首先提出在无叶扩压器的轮盖侧壁面加装半高导叶的新型扩压器，并进行了大量试 验研究，证明在高比转速压缩机中，采用半高导时扩压器，明显的改善了扩压器内的 流动状况，提高了扩压器的压力恢复系数和压缩机的级效率。印度理工学院热能涡轮 机实验室也进行半高导叶的相关研究 2 7 。国内西安交通大学朱营康等人也对半高导 叶扩压器展开了研究，他们主要是对等螺旋角叶型的半高导叶进行了试验研究，未进 行半高导叶扩压器内部流场的计算 2 8 。目前，对半高导叶扩压器的研究开展得还很 少，因此可以进一步探索半高导叶扩压器的性能以及对级性能的影响，探索其内部流 动的计算方法。 i 2 2 离心压缩机蜗壳的国内外研究概况 蜗壳是离心压缩机的又一重要而特殊的静止部件。离心机械中，当叶轮设计早已 从一维方法发展到三维时，蜗壳仍采用传统的一维设计方法，以至于蜗壳成为离心机 械中性能最差的元件之一。 蜗壳一维设计方法是利用流通截面上流动参数平均值的概念，认为蜗壳进口圆周 上流动参数均匀分布。基于这个基本假定，蜗壳设计可以有两种方法：一种是自由漩 涡设计，此方法是建立在气流自由流动、其动量矩保持不变的假设之上的；另一种是 等平均速度设计。使用最广泛的是第一种方法 2 9 。 单级离心压缩机静止元件的性能分 斤与结构优化 按自由漩涡设计方法设计出的蜗壳仅在设计工况下可以在叶轮出口圆周方向产生 均匀流场，工况发生变化后，蜗壳内部的压力分布发生畸变，蜗壳的性能变差 3 0 。 文献 3 1 、3 2 3 提出的变流动角的蜗壳设计方法，不再视气流的流动角为常数，而是 给出流动角的变化规律。确定流动角变化规律的原则是使蜗壳的过流环道截面逐渐扩 大且满足先快后慢的变化要求。试验结果表明，采用该方法设计的蜗壳可以明显提高 风机的整体性能。 一维设计方法是蜗壳设计的重要基础。然而，从国内外发表的实验结果 3 3 3 8 看，蜗壳进口流场的实际分布与一维方法中“均匀分布”的理想假定有较大差别。蜗 壳型线二维设计首先是解决在蜗壳周向平面内如何考虑进口圆周上流动参数非均匀分 布的问题，以便为蜗壳型线设计提供更准确的设计依据。蜗壳二维设计大致包括两项 内容：( 1 ) 提出1 个根据进口圆周上流动参数的不同分布形式来设计蜗壳型线的方 法：( 2 ) 针对这种方法摸索出最件设计规律。1 9 9 5 年祁大同介绍并补充完善了一种蜗 壳型线二维逆命题设计方法，该方法能够按照蜗壳进口圆周上流动参数的不同分布形 式，设计出不同的蜗壳型线。1 9 9 7 年他进一步对蜗壳内部的流动特点作了比较详尽 的描述，从理论上对当前蜗壳型线维设计的主要问题进行了分析并对该方法作了 必要的改进 3 9 。 文献 4 0 ，4 1 等的实验揭示出蜗壳横截面内存在着旋涡运动，蜗壳横截面内的旋 涡运动与周向平面内的不均匀流动相互影响，使蜗壳内的实际流动呈现出复杂的三维 特性。考虑到蜗壳内流具有这种三维流动和漩涡的流动现象，a y d e r ( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 用 时间推进的有限体积法对离心压缩机偏头蜗壳进彳亍e u l e r 计算与试验，曹树良 ( 1 9 9 8 ) 用交错网格的s i m p l e c 算法对水轮机正头圆蜗进行计算，周建华( 1 9 9 8 ) 用 三维流线上风方法对空调蜗壳进行有限元分析，p i t k a n e n ( 1 9 9 9 ) 对带有无叶扩压器径 向离心压缩机叶轮与偏头蜗壳一。体的需诺平均n s 方程作数值模拟和试验，向人们展 示了这方面的新进展，而d a w e s ( 1 9 9 9 ) 对涡轮增压器蜗壳c f d c a d 一体化的报告，将 蜗壳内流计算与型线设计紧密相连 4 2 。潘地林等人还在分析研究现有蜗壳设计理论 的基础上，提出直接给定蜗壳过流断面面积规律进行蜗壳设计的方法 4 3 3 。 用数值方法研究蜗壳内流场的确是改进蜗壳设计的一个重要手段。众多学者在这 方面已做了不少工作，但往往计算是采用一些简化模型而忽略蜗壳进口周向流动的非 均匀性。为此，王企鲲等人 4 4 3 提出新的计算模型采用在叶轮与蜗壳之间迭代计算 的方法数值研究蜗壳进口周向流动的非均匀性。此模型在一定程度上避免了叶轮与蜗 壳整级计算时，动静边界处理的复杂性，而且计算量要小很多。同时，他们还运用冻 结转子方法对离心风机整级流场进行了三维准定常数值模拟，捕捉到了由于蜗壳的非 大连理工大学硕士学位论文 对称性所造成的蜗壳进口非均匀流动现象，揭示了由于进口非均匀来流所导致的蜗壳 内的一些特殊流动现象，研究证实了由于蜗壳的非对称性而导致叶轮与蜗壳的相h 作 用会引起整个流场非对称的流动特征 4 5 。 总之，迄今为止的这些研究，为改善蜗壳的性能及其合理设计提供了有益参考。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 研究基础及意义 本文课题是一项实际科研课题的延续，该课题是大连理工大学涡轮机教研室与某 航空发动机有限公司的合作项目的子课题，属透平机械气体动力学领域。 该课题前期研究的主要工作是，利用计算流体力学的手段对离心压缩机的叶轮部 分进行三维流动分析和优化设计研究，已设计并优化出某微型燃机的单级高压比离心 压缩机的叶轮，同时也初步完成了扩压器的结构改进工作。在原设计方案中，叶轮的 设计比较理想，但就扩压器没有深入探讨其它的结构优化方法，而且没有进行蜗壳的 优化设计工作。本文的主要任务就是进一步研究与原设计的叶轮性能匹配更好的静止 元件，即扩压器和蜗壳。 目前，离心式压缩机有关叶轮叶片的优化设计和研究工作很多，所设计的叶轮绝 热效率可高达9 5 。但决定离心压缩机效率高低的因素绝不仅仅只是叶轮一个因素， 扩压器、蜗壳的影响不容忽视。而且，由于叶轮叶片设计是要在允许很少变动的机械 限制下来获得较高的叶轮性能，可以说要提高一点径向叶轮的效率要花很大的力气； 相反，与离心叶轮相比，离心压缩机中的静止元件受机械条件限制较少，因此，改进 离心压缩机静止元件与提高叶轮性能相比，前者可获得更多的收益。如何设计出具有 相对较小能量损失的高效的离心压缩机的扩压器和蜗壳，是摆在离心压缩机研究者面 前的一个越来越紧迫的任务，这也是- 奉课题研究的土要任务与现实意义所在。 1 3 2 软件的选取及简介 该课题前期工作使用的计算软件是大连理工大学涡轮机教研室引进的专为旋转透 平机械开发的大型三维流体计算软件n u m e c a 。在前期的微型燃机单级高压比离心压 缩机叶轮的优化工作中，此软件具有准确、高效、可靠地模拟旋转机械内部流场的特 性得到了验证。因此，本课题将继续选用此软件作为计算工具，对单级高压比离，i i , 压 缩机静止元件内部流场进行数值模拟和分析工作。 单级离心压缩机静止元件的性能分析与结构优化 n u m e c a 是国际上公认的压缩机等叶轮机械内部流动数值分析的首选软件之一， 其代表着c f d 商业软件中的后起之秀。n u m e c a 软件最初是1 9 9 2 年在国际著名叶轮机 械气体动力学及c f d 专家，比利时王国科学院院士、布鲁塞尔自南大学流体力学系主 任查尔斯一赫思( c h a r l e sh i r s c h ) 教授的倡导下开发完成的。其核心软件是存该系 8 0 9 0 年代为欧洲宁航局( e s a ) 编写的c f d 软件一欧洲空气动力数值求解器 ( e u r a n u s ) - - 的基础之上发展起来的。该软件的前处理软件包可自动生成任何叶轮 机械的h 形，i 形和h o h 形网格，是目前用于叶轮机械极方便且网格生成质量较高的 网格生成软件 后处理软件可做任何定性或定量的矢量、标量的显示图特别是可处 理和制作适合于叶轮机械的任何s l 和s 2 面，及周向平均图，是用于叶轮机械良好的 后处理软件。随着n u m e c a 软件功能的不断完善，此软件将为叶轮机械的研究和工程 应用提供更加强大的支持。 1 3 3 论文内容 本文的主要工作是在一维气动设计的理论基础上，利用三维数值模拟手段，研究 与某微型燃机单级高压比离心压缩机州轮相匹配的静f 卜元件中内部流场的流动状况， 从流场的分析中寻找静止元件结构优化的方案以提高离心压缩机整级的流动效率和压 比。 全文内容共分五章，各章节主要内容如下： 第一章概述离心压缩机的研究和发展情况，离心压缩机静止元件的国内外研究现 状，以及本课题研究背景及意义，并对本文数值计算采用的n u m e c a 软件作简要地介 绍。 第二章简要介绍本文中对单级高压比离心压缩机内部流场进行数值模拟所涉及的 相关理论知识，包括控制方程、湍流模型、空间离散、差分格式、网格剖分、多重网 格、时间推进法、初始条件和边界条件的给定等，为进行离心压缩机静止元件的内部 流动的数值分析提供理论基础。 第三章利用n u m e c a 的流体分析软件，对离心压缩机的静止元件之一的扩压器内 部流场进行流动数值模拟和优化设计。首先设计出与原设计叶轮相匹配的无叶扩压 器，对其内部流场进行数值模拟，在此基研h 上，采用扩压器轮盖、轮盘侧分别加装不 同高度导叶的优化思想改进无叶扩压器结构，分析结果表明此种优化方案十分可行。 另外，对原设计有叶扩压器结构进行轮盘、轮盖侧加装不同高度导叶的尝试，得出了 一些指导性结论。 大连理工大学硕士学位论文 第四章应用计算流体动力学专业软件n u m e c a ，对离心压缩机的另一个静止元 件一蜗壳内部流场进行三维粘性数值计算分析和优化设计。首先在一维气动设计的基 础上，设计出等内径的不对称圆形截面蜗壳结构，并对其内部流场进行了数值计算分 析，然后根据蜗壳内部气流流动特性的分析结果，合理设计并改进蜗壳截面结构，从 而改善了离心压缩机的整级性能，改进后的整级效率比改进前的效率提高了将近两个 百分点。 第五章总结全文所完成的工作和取得的成果，得到一些与设计优化相关的有益结 论，并提出对未来工作的展望。 单级离心压缩机静止元件的性能分析与结构优化 2 离心压缩机内部流动数值模拟 为了真实地反映离心压缩机内部的实际流动情况，必须建立控制流动的数学物理 模型。根据质量、动量和能量三大守恒定律推导出的连续方程、n a v i e r s t o k e s 方程 以及能量守恒方程是描述流体流动最完备的控制方程组。在数值模拟离心压缩机内部 流动情况时，更多采用的是将雷诺平均的n a v i e r s t o k e s 方程组与各种湍流模型相结 合来求解的方法 4 6 ，4 7 。 本文采用n u m e c a 商用软件的f i n e t u r b o 模块对离心压缩机静止元件中的流动进 行了数值模拟研究。本章将主要介绍流动控制方程，针对本文计算所采用的b l 湍流 模型和s a 模型，控制方程组的空间和时间离散，时间项的四阶r u n g e k u t a 迭代 法，i g g a u t o g r i d 模块中专门针对叶轮机械的三种网格剖分形式，能够加速计算的 完全多重网格方法( f m g ) ，以及f i n e t u r b o 模块中的初始条件、边界条件的给定形 式等有关内容，为后面章节的工作提供理论基础和分析依据。 2 1 流动控制方程 流体机械内部流动的控制方程是以质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方 程为丰的方程组 4 8 。为描述高压比离心压缩机内部湍流流动的控制方程，采用在角 速度为u 旋转的篇卡尔参考坐标系卜雷诺平均n a v i e r s t o k e s 方程 4 9 5 0 来表示， 通用形式可以写作： 等十vi + v f v = q 池， 其中u 是守恒量矢量， v f ，与v 分别为非粘性与粘性通量矢量 ( 2 2 ) 一u e d d d l i v 大连理工大学硕士学位论文 f i 。= q 为源项 p q p u l u i + p 点i p u 2 u i + p 盈i p 屿u i + p 蠡i ( p e + p ) q 和 0 - + q = i 以 【w ， 吼+ q 毛 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 旋转坐标系下的表达式： 由于模拟计算的对象为单级高压比离心压缩机，因此应宜采用旋转坐标系下的控 制方程表达形式。此表达式中所有守恒方程都用于在旋转坐标系下求解离心压缩机内 部流场的相对速度。这些守恒方程是由时间平均n a v i e r s t o k e s 方程得到。除了非线 性的扣湍流模型，基于b o u s s i n e s q 假设的一级封闭模型是 4 9 ： 一万f = i t , 【豢+ 等一手( 审：娥】一詈砖d 。( 2 5 ) 一j d w ，w ， = 【斧+ 蔷一了( 、7w 蛾j _ 了p 肋“ 憎_ 鄙 w ，为置方向的相对速度分量，“为湍流动力粘度。 通量分解为直角坐标分量形式： 巧= 正。乏+ 石：弓+ 五，z f v = 以l ，+ 力2 ，+ 3 ： ( 2 6 ) p p l 一、 u 2 i p w 2 p i 一 p e e ，= p w ， p0 1 f + p w ，w l p + 最，+ 石w w 2 pa m + p w i w 3 ( 石占+ p ) w i 一昂= o j 1 o i 2 q t + ：勺 ( 2 7 ) ， 0 q t = 一 单级离心压缩机静j 元件的性能分析与缩构优化 在表达式中f 用于表示x ，方向分量。 源项q 中包含c o r i o l i s 项和离心力项，具体形式是 q = 0 p 2 c o x w + ( a z x ( 云o x r ) ) f( 2 8 ) p ；v ( 0 5 c 0 2 r 2 ) 这里0 9 是角速度。当考虑其它因素影响，比如重力影响，也可采用其它源项。 公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 中的密度和压力为时间平均值，是相对于瞬时值而言 5 1 ： 孑为时间平均值， 能量，速度分量 q = q 。q q 为脉动量，并且 q = 0 温度为密度平均值，定义为： q = 罂 = w w , o 7 = 万+ j 2 - - 肚 e = e + w jh + k b = c 卢+ ，f 专善+ 等一詈c v i ，岛 g j = ( r + _ ) 三于 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 2 2 湍流模型 自1 8 9 5 年雷诺参照分子运动论中对分子的平均方法，将不可压缩流体的运动方程 和连续方程式进行二次平均，得到了著名的雷诺方程式，引出了雷诺应力和雷诺热扩 散后，使湍流运动有了一个确切适当的表达方法，但同时也使原本封闭的n - s 方程组 不封闭了。离t 1 压缩机中的内部流动是非定常的，并受到了哥式力、离心力等各项异 性凶素影响，l 司时又具有流动空间大曲率，可压缩性和大的压力梯度的特征，故而是 一1 1 大连理工大学硕士学位论文 非常复杂的湍流流动。虽然多年来人们针对不同特征的流动，提出了很多不同的湍流 模型，但是在离心压缩机中的三维粘性流场计算中使用的都是相对于其复杂流动而简 化了的湍流模型。 n u m e c a 软件的数值求解器所提供的湍流模型包括：b a l d w i n l o m a x 代数湍流模 型，s p a l a r t a 1 i m a r a s 模型和两方程t s 模型。针对本文高压比离心压缩机内部具 体流动情况，在扩压器段采用与双方程一s 模型所得到的计算结果非常相近的，而 且收敛速度高、计算精度较高的b a l d w i n l o m a x 代数湍流模型：在蜗壳段考虑到漩涡 粘性的影响，采用鲁棒性非常好、计算消耗少的s p a l a r t a l l m a r a s 湍流模型，不需采 用设置的边界条件要求高、收敛比较困难的双方程t s 模型。 1 ) b a l d w i n l o m a x 模型 b a l d w i n l o m a x 代数湍流模型 5 2 是b a l d w i n 和l o m a x 提出的一种两层模型。内部 层湍流粘度采用p r a n d t l 混合长度模型，外部层湍流粘度使用平均流和一个长度比例 来定义的。在p r a n d t l 混合长度模型中应变速率参数为绝对速度。 湍流粘度为： 卢，：p 鲥c ( 2 1 7 ) 一2 瓴) 。，n 怫f 皑 h 为距固壁的法向距离，”，为内外层粘度相等的最小距离。 内层粘度为： ( ，) ，