叶片扩压器进口安装角对高负荷离心压气机流道堵塞的影响

叶片扩压器进口安装角对高负荷离心压气机流道堵塞的影响

在离心式压力中，叶片扩压器主要用于通过离心式叶片的较大动能急剧下降气流，并将气体的动能有效转化为压力。对于一般高负荷离心叶轮来说,其出口气流速度可达500m/s,这部分动能几乎可以占到离心叶轮耗功的50%,即使对于一般的后弯式离心叶轮也占(25～40)%左右。因此,在离心压气机中,叶片扩压器是仅次于离心叶轮重要的部件,其对于提高压气机级效率与压比,改变最佳工况点位置,扩大工作裕度起到十分重要的作用。相比于对离心叶轮深入的研究,目前对叶片扩压器的研究还很不够,比如不同叶片扩压器安装角下,影响扩压器内部流动及总压恢复系数的诸多因素的详细研究。现以某微小型燃气轮机的高负荷离心压气机为研究对象,对五种不同叶片扩压器安装角和无叶扩压器时进行了数值计算,并对不同情况下离心压气机的性能及叶片扩压器流场结构进行了较为详细的分析。1扩压器安装角及网格划分研究对象由带分流叶片的离心叶轮和径向扩压器组成,主叶片和分流叶片均为15片,径向扩压器叶片为23片,其中叶轮进口直径为149.0mm,进口高度为32.9mm,出口直径为215.0mm,出口宽度为13.5mm,径向扩压器进口直径为240.6mm,叶轮转速为45000r/min。压气机示意图如图1所示。叶片扩压器安装角的设计角为17°(和切向夹角),通过绕叶片扩压器前缘中点分别顺时针和逆时针各旋转2°和5°(旋转轴与压气机轴线平行),得到新的扩压器安装角,新的扩压器进口安装角分别为12°、15°、17°、19°和22°。使用NUMECA软件中的AutoGrid模块生成计算网格,离心叶轮叶顶间隙中使用蝶形网格,其展向给定13站,其它区域和五种不同安装角下的径向扩压器均使用H型网格,周向、展向和流向均满足多重网格要求。径向扩压器网格数约为34万,离心压气机总网格数约为124万,采用无叶扩压器时总网格数约为140万。经过对比验证,计算网格密度均满足网格无关性要求。使用NUMECA软件中的FINE/Turbo模块进行数值计算,选用Spalart-Allmaras一方程湍流模型。工质采用实际气体,壁面采用绝热无滑移边界条件,进口给定总温、总压和进口气流方向,出口分别在大流量条件下给定平均静压,小流量条件下给定质量流量,通过逐渐提高背压和减小流量直至计算无法收敛,得到压气机特性线。2结论分析2.1安装角对压气机特性的影响图2为五种不同叶片扩压器安装角及使用无叶扩压器下离心压气机在设计转速下总体性能曲线对比,曲线名对应扩压器形态或角度。由图2可知,叶片扩压器安装角从15°逐渐增大到22°,堵塞流量变化并不明显,扩压器安装角为22°和使用无叶扩压器时压气机的堵塞流量相等,由此可知,此两种情况下堵塞喉道在离心叶轮尾部,而其他四种情况下的堵塞喉道均位于叶片扩压器前部,其中以安装角为12°时堵塞最为明显,使得压气机通流能力大大降低。随着扩压器安装角的增加,压气机的特性线整体向右方偏移,即压气机的通流能力逐渐增加。从安装角为15°、17°和19°来看,随着安装角的增大,压气机特性线整体向右上方移动,即压气机等熵效率变大,总压比升高,整体性能增加,但压气机的工作裕度却逐渐减小,即变工况性能降低。安装角为22°时,压气机并没有延续等熵效率增加的趋势,工作裕度基本与安装角为19°时相同,但等熵效率和总压比却出现了较大的下降,最大总压比甚至低于安装角为15°时的参数;安装角为12°时,压气机的等熵效率和总压比均出现了大幅下降,并且同时没有延续工作裕度增加的趋势,反而有所降低,这说明径向扩压器此时已经严重阻碍了压气机的通流能力。压气机使用无叶扩压器时等熵效率和总压比普遍低于有叶扩压器(安装角为12°时除外),而工作裕度并没有太大优势,基本与安装角为15°和17°时持平,由此说明,在此高负荷离心压气机中采用有叶扩压器是合理的,且安装角17°～19°是一个最合理的范围。2.2安装角对叶片减速过程的影响以下分别对安装角为12°、17°和22°下叶片扩压器在各自近堵塞点工况、近设计点工况及近失速点工况下的流场进行分析。由图3可以看出,在近堵塞点工况,安装角从小变大时,扩压器内部流动有逐渐变好的趋势,这主要是由于安装角的增加,使得叶片扩压器喉道面积变大、气流的通流能力增强,在径向扩压器扩张角不变的同时,气流流通面积变化率减小,降低了堵塞效应和扩压损失。在安装角为12°和17°时,径向扩压器流道产生拉瓦尔喷管效应,即气流有一个先减速后加速,最后再减速的过程,其中尤以安装角为12°时效应最为明显,气流经过扩压器喉道后,即在叶片吸力面中前部开始向压力面偏转,导致叶片吸力面尾部产生回流区,其最小的等熵效率值也反映了小安装角时的大速度梯度会造成更大的流动损失。但在安装角为22°时拉瓦尔喷管效应消失,气流始终处于减速增压的过程,这同时也验证了安装角为22°时,压气机的堵塞喉道在离心叶轮尾部的结论。由图4可以看出,在近设计点工况,安装角为12°时,径向扩压器的拉瓦尔喷管效应大大减弱,堵塞效应得到缓解,虽然气流在经过扩压器喉道后在叶片吸力面中前部就开始往压力面偏转,但近堵塞点工况叶片吸力面尾部的回流区几乎消失。安装角为17°和22°时流动情况基本相同,径向扩压器的拉瓦尔喷管效应完全消失,平缓的流通面积变化避免了流动分离产生,气流始终处于平稳的减速增压过程,这也保证了此两种径向扩压器安装角下高负荷离心压气机均能在较高性能下稳定工作。由图5可以看出,在近失速点工况,安装角为12°时,径向扩压器具有一定的负攻角,其拉瓦尔喷管效应完全消失,也即堵塞效应消失,与近堵塞点工况和近设计点工况相似,气流在叶片吸力面依然有过早的折转,但叶片吸力面尾部的回流区消失。安装角为17°时,流动基本处于零攻角,但此刻气流已经开始在扩压器吸力面堆积,整个扩压器流道开始逐渐变得不均匀。安装角为22°时,径向扩压器具有较小的正攻角,扩压器流道前部气流在叶片吸力面堆积的更为严重,流道中后部气流逐渐向叶片压力面偏转,整个气流流动极不均匀,流场结构发生恶化,这也是随着安装角继续变大压气机效率也变大趋势终止的原因。3安装角的影响(1)随着叶片扩压器安装角增大,压气机特性线整体向右移动,也即通流能力逐渐增加,直至和使用无叶扩压器时堵塞流量一致。(2)叶片扩压器在合适的安装角范围,随着进口安装角的增大,压气机等熵效率变大,总压比升高,但工作裕度却逐渐减小。过大的安装角使得工作裕度减小的同时效率也明显下降,而过小的安装角由于堵塞作用,效率急剧下降的同时工作裕度也不会继续增大。(3)叶片扩压器在安装角为设计安装角17°时,具有较高的效率和较大的工作裕度,在安装角19°)时,具有最高的效率和稍小的工作裕度。相比于有叶扩压器,无叶扩压器时效率较低,而且工作裕度基本与设计安装角时持平,因此,在此处