离心压缩机级进口导叶预旋角度对流场的影响

离心压缩机级进口导叶预旋角度对流场的影响

0离心压缩机流场动力学采用数值模拟方法,基于了自在离心电机中，叶片的入口流场是控制整个电机级别效率的重要因素。通过调整输入叶片的预旋角，可以将不同场景条件下的输入流程场调整为图形的性能，扩大稳定的工作范围，改善非设计状态的性能。Ariga实验研究了进口扭曲对一具有无叶扩压器的低速离心压缩机性能的影响,结果表明进口的扭曲形状大大降低了叶轮效率,且由扭曲造成的性能降低随转速和流量的增大而加强。文献等使用数值模拟的方法研究了叶轮进口流场结构的重要性。Kassen详细测量了离心压缩机进口导叶(IGV)后面的流场,研究表明叶轮前面的流场同时受上游和下游部件的影响。因而,进行进口导叶预旋对离心压缩机流场的影响的研究具有实际的工程价值。在不同的进口导叶预旋角度下,对离心压缩机进口导叶后面的流场进行了测量,分析进口导叶预旋对流动及性能的影响。1气动性能测试实验是在西安交通大学赛尔机泵研究中心“离心式压缩机动静相干非定常流及其激振实验装置”上进行的。该实验装置为一单级离心压缩机级,实物图照片见图1。为了测量实验装置的气动性能,在进气管和排气管中部均装有总压探针、温度计以及静压孔;流量可以通过排气管上的标准孔板节流来测算;流量大小的调节是通过调节节流阀开度来控制的。测量位置位于进口导叶和叶轮中间的位置,沿周向布置了5个测孔,测孔的角度跨距和3个进口导叶的叶片栅距相对应。在IGV轮盘和轮盖之间,沿径向每隔10mm测量一次,在每个测孔处使用五孔探针来进行测量。探针校正实验误差为1.57%。在实验测量中误差主要来自于压力的读取,压力的误差约为±10Pa。2结果与讨论2.1+20预旋时的性能曲线图2给出了设计扩压器进口安装角下进行进气预旋调节的实验结果,离心压缩机级性能的变化如图所示。从图2(a)中可以看出,当进行负预旋调节时,效率曲线的形状及平坦状态相差不大。0°、-10°、-20°的最高效率值几乎相同,而-30°时最高效率值约比其他负预旋角度下低2%左右。同时可以看出当负预旋增加时,压比曲线上移,整个压缩机的性能曲线有往大流量移动的趋势。从整个性能曲线图上可以看出,-20°下的效率和压比均比零预旋下有所提高,虽然在相同工况下,-30°预旋下的压比比-20°下略大一些,但差值很小,而且-20°预旋下整个工况范围内的效率都比其他负预旋高,因而综合比较,-20°预旋是在设计扩压器进口安装角下使压缩机运行最理想的工况。当进行正预旋调节时,性能曲线往小流量工况偏移,而且移动的趋势比负预旋大得多,如图2(b)所示。此时压比和效率均比零预旋下小。当流量小于2.5m3/s时,+20°预旋下的效率比零预旋下相应的工况高,而二者的压比几乎相同,可见在较小的流量工况下,采用适当的正预旋,可以在压比不受影响的情况下提高压缩机的性能,使得压缩机级的运行得到改善。因而在适当的流量工况下,选择不同方式的进口导叶预旋,可以使得压缩机级的运行得到优化。2.2旋转角度的测量文中首先给出了设计流量2.66m3/s下,进口导叶为零预旋时的测量结果,如图3所示。在此,气流角定义为流向同轴向的夹角。从图中可以看出,在进口导叶零预旋时,总压沿径向几乎呈均匀分布,在进口导叶的轮盘和轮盖附近,由于轴向进气导流头及导叶顶部调节环垫片的影响,总压急速下降。当进口导叶为零预旋时,流动方向应为轴向,但由于叶轮旋转的影响,以及非对称形状的蜗壳在叶轮进口形成的不均匀的流场,使得在进口导叶零预旋时,叶轮进口的流动具有旋转。实验测量时第3个测孔位于水平位置,从图3(c)切向速度的分布图中可以看出,以第4个测孔为界(由第3个测孔顺时针旋转18°),沿顺时针方向的流动具有正旋转,沿逆时针方向的流动具有负旋转。从气流角的分布图中可见,在进口导叶零预旋时,由叶轮旋转和蜗壳形状引起的同轴向的夹角约为10°,而第4个测孔处的切向速度接近于0,因而气流角也仅为4°左右。2.3进口导叶偏旋角度图4给出了体积流量为2.66m3/s,进口导叶为负预旋30°时的测量结果,同进口导叶零预旋相比,30°负预旋下各变量沿径向分布的不均匀性增大。总压仅在中间20%左右的叶高处保持为常数,而后向导叶的两端面有较大的下降梯度。静压在从进口导叶轮盘开始的40%叶高范围内为均匀分布,朝向进口导叶轮盖的方向静压值呈线性增加。在进口导叶零预旋时,由于叶轮旋转和蜗壳形状引起的同轴向的夹角约为10°,从气流角的分布图中可见,测孔处的气流角接近于40°,在进口导叶的两端面附近,气流角有较大梯度的下降。图5给出了体积流量为1.85m3/s,进口导叶为负预旋30°时的测量结果。与图4相比,除静压分布外,其它变量的分布趋势类似,而且压力的分布趋向均匀化。从气流角的分布图中可见,当流量减小时,由叶轮旋转和蜗壳形状引起的预旋角度也相应地减小。图6给出了进口导叶后面测量平面上不同质量流量和进口导叶预旋下流动的偏转角的分布。此时偏转角Δα被定义为进口导叶预旋角αIGV和所得的气流角αL的差值,即Δα=αIGV-αL(αL为5个测孔下所测气流角的平均值)。从图6中可以看出,当进口导叶零预旋时,偏转角几乎呈常数分布,在-10°附近有小幅度变化。在进口导叶正预旋最大角度60°时,在通道中间附近,偏转角在-4°～-8°之间变化,而在管道的两端壁附近,偏转角高达20°以上。从图中还可以看出,在最大正预旋角度下流动的偏转角随流量变化几乎不发生改变。由于进口导叶叶片的对称性,在通道中间偏转角的平均值在零度附近,即此位置处的流动角几乎等于进口导叶叶片的预旋角度。从图中可见较小正、负预旋下的偏转角在零预旋和最大预旋角度下的偏转角范围之间变化,而且随着流量的减小,偏转角的值在各个位置处也不断增大。3离心压缩机进口导叶的流场在不同的进口导叶预旋角度下对一单级离心压缩机级进口导叶后面的流场使用五孔探针进行了测量,分析了进口导叶预旋角度对流动及性能的影响。主要结论如下:(1)在适当的流量工况下,选择不同方式的进口导叶预旋,可以使得压缩机级的运行得到优化。-20°预旋是在设计扩压器进口安装角下使压缩机运行最理想的工况;(2)由于叶轮旋转的影响,以及非对称形状的蜗壳在叶轮进口形成的不均匀的流场,使得在进口导叶零预旋时,叶轮进口的流动具有预旋,其同轴向的夹角约为10°;(3)同进口导叶零预旋相比,较大预旋角度下各变量沿径向分布的不均匀性增大。当体积流量减小时,由叶轮旋转和蜗壳形状引起的预旋角度也相应地减小;(4)较小正、负预旋下偏转角随着流量的减小而不断增大;最大正预旋角度下流动的偏转角随流量变化几乎不发生改变。当前的工作仅是一个初步的尝试,以用实验的手段来确定离心压缩机进口导叶后面叶轮的轴向进气