流体机械编号：157151中国工程热物理学会 学术会议论文双级高负荷离心压气机气动性能分析马亚如赵会晶王志恒席光*(西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049)(Tel: 029-82668783, Email: xiguang@)摘要：针对某双级离心压气机，利用SolidWorks、UG等软件完成了三维造型，采用ANSYS CFX软件 进行数值计算，并进行气动分析结果表明在设计转速下，特性曲线变化较为平缓，且具有较高的效 率，工作裕度也较大；高压级性能优于低压级，低压径向扩压器中出现大的流动分离，影向扩压效果 关键词双级离心压气机；数值模拟；设计工况；气动分析；叶片扩压器0前言随着能源问题的日益严重，分布式供能系统成为新世纪电力工业和能源产业的重要 发展方向，微、小型燃气轮机作为小型分布式供能系统的动力装置，符合能源供给多样 化的发展需求，多采用径流式叶轮机械(离心压气机和向心透平)［1,3］压气机作为燃 气轮机的三大核心部件之一，其性能对燃气轮机的性能产生重大影响，离心压气机具有 单级压比高、喘振裕度大、重量轻、体积小、结构紧凑等特点，被广泛应用于微、小型 燃气轮机中随着动力系统对压比的要求日益提高，单级离心压气机不能满足要求，相 比多级轴流压气机，双级离心压气机的优势逐渐凸显，它体积小、重量轻，功率密度高。
国内外学者对双级离心压气机进行了研究杨策［4］等对两级离心压气机进行了 一维设计与三维数值模拟，得到的两级压比为 7.7,质量流量为1.36kg/s刘寅晟［5］对车载某型燃气轮机的双级离心压气机进行了数值 模拟，得到了额定转速下的特性曲线，特性曲线整体较为光滑，效率略低；对流场进行 分析后，发现高压级的性能优于低压级，分别对低压级和高压级进行特性计算，对比两 级的特性曲线，低压级的损失相对较大；对两级离心压气机的各部件进行分析，发现各 级径向扩压器处的损失最大，其次是轴向扩压器，离心叶轮处比较小，进口导叶和回流 器流动情况良好吴世勋对［6］某微小型燃气轮机的闭式双级离心压气机进行数值模拟、 气动分析，发现两级离心压气机在设计转速下工况特性变化平缓，具有较高的效率，但 工作裕度小，高压级性能优于低压级，径向扩压器内流动分离损失大，影响周向扩压 器的进气条件，使得其中后部产生大范围的流动分离，降低两级离心压气机的效率和工 作裕度；此外，对高、低压级的径向扩压器进行叶型优化，优化后流量范围扩大，效率、 压比提高；吴世勋以气动分析与优化为基础，对双级离心压气机进行了改型设计，改型 后的压气机性能优于原型机。
钟桐［7］对某微型燃气轮机的带级间冷却的两级离心压气机进行研究，利用课题组自 主开发的程序进行计算，结果表明两级压气机的级压比分配存在最优值，总压比为5.4 时，第一级压比取2.48时整机压气机的效率最高；通过商用CFD软件对两级离心压气 机进行三维造型设计，得到了满足气动性能的两级压气机的叶轮、扩压器和蜗壳的三维基金项目：国家自然科学基金项目(51236006)气动方案王晓春［8］等参照超高压比涡轮增压器的研制，完成了一款新型两级离心压气 机的一维、三维设计，并对样机进行试验，结果表明该增压压气机基本满足设计要求， 之后对样机的流场进行详细分析，得出了样机进一步优化的方向DLPalmer［9］等对一质量流量为3.3kg/s、压比为14:1的两级离心压气机进行了气动 设计与开发，采用高度非径向、前掠分流叶片设计的叶轮，并匹配叶片扩压器，量化了 叶轮扩压、叶尖泄漏对失速边界的影响以及叶轮载荷对叶尖间隙敏感度的影响、风沙侵 蚀、轮盖粗糙度对性能的影响，所开发的压气机性能好，超过了所要求的性能指标，且 坚固耐用、成本低，适合用于直升机Huang,Jeng-Min［ 10］等以一台双级制冷离心压缩 机为研究对象，探讨了将双排回流叶片的第二排叶片作为第二级的进口导叶，采用不同 的交错角、在不同位置处对回流叶片进行切削、第二排叶片的旋转角对该双级制冷压缩 机第一级性能产生的影响，结果表明，两排叶片的交错角为7.5。
的性能优于15和 22.5°的性能；交错角为7.5时，回流叶片的切削位置为1/3、1/2时与原始叶片长度 的性能差别很小，但明显比切削位置在2/3处的性能好；交错角为15时，回流叶片的 不同切削位置对性能的影响很小；在近失速的小流量点，第二排叶片的交错角为7.5度, 切削位置在1/2处，旋转角为10°式，压缩机的效率仅降低0.6%,但第二级的预旋仅 有10%的回流，好于其他的设计离心压气机的性能对燃气轮机整机性能影响显著，双级离心压气机压比高、重量轻、 结构紧凑，满足越来越高的动力要求，在离心风机、涡轮增压器、工业压缩机、涡轮发 动机等各领域中，都有具体的应用，开展双级离心压气机气动性能研究具有明确的工程 应用背景本文对某双级离心压气机进行三维建模和数值计算，得到了性能曲线，并详 细分析了离心叶轮、径向扩压器、轴向扩压器内的流动1研究对象与数值方法本文的研究对象为某型燃气轮机的双级离心压气机，它由低压级、回流器和高压级组 成，两级离心压气机的子午流道图如图1其具体部件及其叶片数见表1.1离心叶轮均 为闭式叶轮，低压叶轮的设计转速为28000r/min,高压叶轮的设计转速为38000r/min„ 设计流量为4.3kg/s。
表1.1两级离心压气机各部件叶片数/个两级离心压气机进口导叶离心叶轮径向扩压器轴向扩压器回流器低压级1922171208高压级192217120采用ANSYS CFX软件，对该双级离心压气机进行了定常三维数值计算，使用 TurboGrid网格生成器生成结构化网格，计算网格约为190万，Y+均在10左右对双级离心压气机进行数值模拟时，湍流模型选择k-e两方程模型，进口给定恒定 总温、总压、进气垂直边界，出口给定静压，设计流量附近及小流量时，出口给定质量 流量，固壁边界为绝热、无滑移边界条件2双级离心压气机总体性能分析在设计转速下，通过改变出口平均静压、改变出口流量，得到各工况下的效率、压 比，图2、3分别给出双级离心压气机等嫡效率、总压比特性从图2可以看出，两级离心压气机的级组效率曲线分为两支以设计流量为界，左 支随着流量的增加，级组效率缓慢增加；右支则随着流量的减小，级组效率减小，且接 近堵塞流量时，级组效率陡降这是由于，设计工况下，冲角在零度附近，流动情况最好，此时级组效率最高；流 量减小时，分离冲击损失明显增加，轮阻损失也增加，级组效率降低；流量增加时，冲 角为负，绝对值随流量的增加而增加，气流在叶片的工作面上发生分离，此外摩擦损失 和冲击损失都增大，级组效率会下降，在接近堵塞流量时，摩擦损失和冲击损失增加的 更快，故效率曲线更陡。
图2两级离心压气机设计转速下流量-等嫡效率曲线从图3可以看出，离心压气机的压比曲线也可分为两支左支随着流量的增加，总压比有所增加；右支随着流量的增加总压比减小，远离堵塞工况时，压比曲线下降的较 为平缓，接近堵塞工况时，压比陡降原因在于，在进口状态不变的情况下，出口压力决定了压比的大小，而出口压力的 大小取决于叶轮对气体做功和克服流动损失所需消耗的功当不考虑气体粘性及轴向涡 的影响时，轮周功和流量系数成线性关系，且随着流量系数的增加，轮周功减小若考 虑流动损失，主要包括摩擦损失和分离冲击损失，摩擦损失与流量的二次方呈线性关系， 随着流量的增加，摩擦损失增加更多；而分离冲击损失在冲角为0时最小，无论流量增 加还是减小，冲角都会相应的改变，分离冲击损失均会增加，且，流量偏离设计工况越 远，冲角的绝对值越大，分离冲击损失也就越大故结合轮周功和流动损失，可知，随 着流量的增加，压比是降低的当接近堵塞工况时，摩擦损失和分离冲击损失都增加的 更快，故压比下降的更明显稳定工况范围也是衡量级性能好坏的表准，将喘振工况和堵塞工况间的区域称为稳 定工况区域，可用喘振裕度来描述，它是反映压气机特性的重要参数通常，喘振裕度 越大，压气机特性曲线会越平缓且流量范围越大，即压气机的稳定工作范围大。
对于喘振裕度（SM） [5]定义为：SM = （理^-1）x100%Wd其中〃；、所’表示近喘振点的总压比和流量，兀）、表示设计点的总压比和流量, 通常喘振裕度达到15%时，即可认为是比较合适的在设计物理流量4.35kg/s下，总压 比为11.176,故可取流量4.33kg/s、等嫡效率81%和总压比11.17为设计点，由图2可 得两级离心压气机的喘振裕度为30.7%所以该两级离心压气机的工作裕度是比较大的3设计工况下部件内的流动分析图4给出了两级离心压气机子午流道的静压分布可以看出，离心叶轮对气流加载 特性比较理想，低压叶轮中，工质静压基本均匀提升，高压叶轮中，工质静压均匀提升, 说明流动状况良好；低压径向扩压器处等值线较为稀疏，说明减速扩压效果不太理想， 存在较大的流动损失；高压径向扩压器中静压提升均匀，说明流动状况良好，气流始终 处于平稳的减速扩压过程，压力损失较小图4两级离心压气机子午流道静压分布3. 1叶轮内部的流动分析图5给出了低压和高压离心叶轮50%叶高截面的流线、静压分布可以看到低压离 心叶轮的整体流动并不算太好图5低压（左）、高压（右）叶轮50%叶高截面流线、静压分布在50%叶高截面，压力面的流速低于吸力面的流速，低压离心叶轮靠近出口部位的 吸力面出现了流动分离，这是由于叶轮通道是扩压的，边界层沿通道不断增厚，此外， 压力面和吸力面间的压差使得压力面的边界层被吸走，吸力面的边界层增厚，故在吸力 面的出口边界形成流动分离；高压离心叶轮流动情况良好。
比较进出口，气流的静压均提升，这说明叶轮对气体所做的功用来提高气体的静压和克 服流动损失，离心叶轮的前半段静压变化不大，后半段静压提升的很快，说明离心叶轮 出口径向段对工质做功更大，这是由于出口径向段的圆周速度增大快，故轮周功更大3. 2径向扩压器内的流动分析图6给出了低压和高压径向扩压器50%叶高截面的流线、静压分布径向扩压器和叶轮间存在径向间隙，这段相当于无叶扩压器，经过这一段的整流， 气流变得较为均匀，进气冲角在度附近；低压径向扩压器叶片的背弧上均产生了流动 分离，流动分离使得流道的有效通流面积减小，使得这一段的主流流速基本不变，影响 扩压效果且分离从产生一直延伸到出口，这是因为主流沿通道方向的速度不断下降， 压力不断上升，主流本身的动量减小，不能传递给分离的边界层以足够的动量，故分离 会一直扩展到出口在径向扩压器的通道内，气流是减速扩压的过程，静压基本上是沿流道均匀增加的, 对比低压、高压径向扩压器，可以看到低压径向扩压器的扩压效果差图6低压（左）、高压（右）径向扩压器50%叶高截面流线、静压分布3. 3轴向扩压器内的流动分析图7给出了低压和高压轴向扩压器50%叶高截面的流线、静压分布。
轴向扩压器中，内孤流动状况良好，背孤出现流动分离从图中看到，流动分离从 流道中段产生，低压轴向扩压器中，流动分离一直延伸到出口，并产生旋涡；高压轴向 扩压器中，流动分离逐渐消失，但后面流速较低，这是由于径向扩压器扩压器尾缘出 口的流动都非常混乱，这是由于低压径向扩压器中大的流动分离使得轴向扩压器进气条 件受影响，造成背弧中后部产生大范围的流动分离轴向扩压器进出口的静压整体变化不大，在贴近叶片处，静压有一定的变化，内弧 的静压高于背弧4结论本文对双级离心压气机进行三维建模及数值计算，并对其开展气动分析，得到如下 主要结论：(1) 在设计转速下，特性曲线变化较为平缓，且具有较高的效率，工作裕度也较 。