离心压缩机固定元件改型的扩稳研究

发布时间：2020-06-22 11:37

【摘要】：离心压缩机是一种典型的能量转换装置,其主要的工作原理是气流经过叶轮流道,在高速旋转的叶轮带动下,获得从原动机的机械能转化为而来的动能和压力能。离心压缩机中的扩压器、回流器等固定元件,对提高离心压缩机整级的性能、拓宽稳定运行的工况范围发挥着举足轻重的作用。固定元件因为受到上游叶轮对流动带来的影响以及本身叶片结构对内部流动的约束,其内部流动十分复杂,因此探索固定元件内部的流动机理对合理设计和优化结构具有很大的指导意义。本文针对沈阳鼓风机厂提供的LB56150 KY108离心压缩机模型级的固定元件(扩压器和回流器),借助旋转机械流动数值分析专用软件NUMECA,进行内部流场分析和结构的优化,扩大原模型级的稳定工况,提高压缩机的整级性能。扩压器改型的第一部分主要分析了叶片扩压器与叶轮的径向间隙(无叶扩压段长度)对离心压缩机性能的影响。在扩压器入口半径与叶轮出口半径比R_3/R_2=1.06~1.20的范围内对六个不同无叶扩压段长度的模型进行数值模拟,得出的结论是:在原模型的基础上无叶扩压段的长度逐渐增大,减少了叶轮出口近轮盖处的不稳定流动分离涡,优化了扩压器入口处的气流角分布均匀性,从而改善了叶轮,扩压器以及压缩机整级的性能。但是无叶扩压段长度过大(R_3/R_2≥1.20)会造成严重的流动损失,使压缩机整级的性能大幅下降。扩压器改型的第二部分分析了叶片扩压器的不同收缩方式对离心压缩机性能的影响。本文研究了沿轮毂、轮盖、轮毂+轮盖三种方式的扩压器宽度收缩对离心压缩机性能的影响,三种方式收缩的比例保持一致。发现叶片扩压器宽度收缩能拓宽离心压缩机的稳定运行工况,大幅提高小流量工况下压缩机的多变效率和压比,其中仅沿轮盖收缩处的方式扩稳与提高性能的效果最优。扩压器宽度收缩优化了叶片扩压器进出口的气流角及径向周向速度的分布,减小了扩压器内的流动分离涡。在离心压缩机的回流器叶片结构的研究中,对不同回流器入口安装角的离心压缩机级性能进行了数值模拟,并利用能量梯度理论对不同入口安装角下的回流器内部的流动状况进行分析,得到每一种模型的能量梯度函数K的分布。结果表明,回流器最容易发生失稳的位置在回流器叶片的尾部及出口位置。在设计工况下,回流器入口安装角在37°附近时多变效率和压比最高。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH452
【图文】：

离心压缩机,三维建模

(b)叶轮 (c)扩压器 (d)回流器图 2.1 离心压缩机三维建模图2.2 网格划分网格划分与数值计算的内在原理是差分化微分方程，对计算域内的网格进行求解得到离散的数值解。因此，CFD 数值模拟的准确度主要是由求解器的数值精度所决定的(如离散格式和计算方法)。若求解器已经确定，网格的质量很大程度上决定其计算精度和收敛速度。所以说求解器的数值误差部分主要是由网格质量决定的。NUMECA针对旋转机械的叶片几何特征专门设计了网格自动生成模块IGG/AutoGrid，该模块提供了 H 型网格、I 型网格、HOH 型网格以及复合型网格四种结构化网格可供选择。三种网格结构如图 2.2(a)、(b)、(c)所示。

网格,类型

件改型的扩稳研究10(b)叶轮 (c)扩压器 (d)回流器图 2.1 离心压缩机三维建模图2.2 网格划分网格划分与数值计算的内在原理是差分化微分方程，对计算域内的网格进行求解得到离散的数值解。因此，CFD 数值模拟的准确度主要是由求解器的数值精度所决定的(如离散格式和计算方法)。若求解器已经确定，网格的质量很大程度上决定其计算精度和收敛速度。所以说求解器的数值误差部分主要是由网格质量决定的。NUMECA针对旋转机械的叶片几何特征专门设计了网格自动生成模块IGG/AutoGrid，该模块提供了 H 型网格、I 型网格、HOH 型网格以及复合型网格四种结构化网格可供选择。三种网格结构如图 2.2(a)、(b)、(c)所示。(a) H (b) H-I (c)H-O-H图 2.2 结构画网格类型本文结构网格的划分形式采用 HOH 网格，其对节距角较大的叶片结构比较适用，能同时保证周期边界的网格节点匹配性和网格的正交性。对离心压缩机整级单流道进行结构网格的划分，所有壁面边界层的网格都进行了加密处理。整级单流道的总网格数为 254 万，其中叶轮域的网格数为 113 万，扩压器域的网格数为 64 万，回流器域的网格数约 77 ?

【参考文献】