帶無葉擴壓器的離心壓縮機失速現(xiàn)象的實驗和數(shù)值研究.pdf

1、失速和喘振是離心壓縮機中常見的非定常流動現(xiàn)象，它限制機器的穩(wěn)定工作范圍，影響運行的可靠性，在機組的設(shè)計和調(diào)試中是實現(xiàn)各級匹配的重要障礙，并在過渡態(tài)和非設(shè)計工況運行中導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。研究和掌握其非定常流動特性，對提高離心壓縮機的設(shè)計效率、擴大其穩(wěn)定運行工作范圍、提高運行的安全和可靠性意義重大。 實驗測量和數(shù)值模擬是研究葉輪機械內(nèi)部流場的兩種基本方法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類先進的測量技術(shù)的不斷出現(xiàn)，如熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀，

2、為實驗研究提供了新的測量工具；同時計算機性能的飛速提高和計算流體力學(xué)技術(shù)的日趨完善，基于求解三維粘性Navier-Stokes方程的數(shù)值模擬方法為葉輪機械內(nèi)部流場的研究提供了強大的手段。本文正是通過實驗測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究小流量下離心壓縮機內(nèi)部的非定常流動現(xiàn)象。 本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下： 1．根據(jù)國家通風(fēng)機空氣動力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)，搭建了性能測試試驗臺，設(shè)計加工實驗部件，對實驗用低速離心壓縮機進行性能測

3、試，得到了空氣動力學(xué)性能曲線，確定離心壓縮機失速測量的工況點。 2．使用高頻動態(tài)壓力傳感器成功測量了實驗用低速離心壓縮機在小流量下詳細(xì)的內(nèi)部流動參數(shù)，對其旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進行了分析。研究結(jié)果認(rèn)為當(dāng)失速發(fā)生時，存在一個周向擾動的失速團，相對葉輪旋轉(zhuǎn)角速度為0.52。 3．使用PIV系統(tǒng)成功測量了實驗用低速離心壓縮機在小流量下詳細(xì)的內(nèi)部流場。在近后蓋板側(cè)4個不同時刻下的相對速度矢量圖和徑向速度等值線圖完整地描述了葉片旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)

4、展變化過程。鎖相平均后的試驗結(jié)果表明，在葉片吸力面?zhèn)?，所有的小流量下均出現(xiàn)了流動分離，形成了完整的分離渦。在國內(nèi)外首次采用PIV系統(tǒng)測量得到在無葉擴壓器子午面上的整場流動，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)位于擴壓器進口后蓋板附近和擴壓器出口前蓋板附近各出現(xiàn)了一個流動分離區(qū)，擴壓器內(nèi)的流動呈現(xiàn)顯著類“S”型。 4．基于分布式網(wǎng)絡(luò)并行計算硬件平臺，使用商業(yè)CFD計算軟件CFX結(jié)合出口氣腔模型，通過求解三維雷諾平均的Navier-Stokes方程組，對實

5、驗低速離心壓縮機小流量下的失速流動現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬。盡管實驗和數(shù)值計算得到的靜壓波動的幅值存在一定的差異，但是經(jīng)離散傅立葉變換得到的失速頻率非常吻合。分離渦的結(jié)構(gòu)定性的與實驗測量瞬時流場非常接近，驗證了數(shù)值計算的可靠性。 5．基于以上數(shù)值計算方法，對美國Honeywell公司渦輪增壓器用高速離心壓縮機小流量下的失速現(xiàn)象進行了詳細(xì)的數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬中采用全流道(不加蝸殼)和全場(加蝸殼)兩種計算網(wǎng)格。對計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，離心

6、壓縮機的蝸殼對壓縮機失速流動的影響是非常顯著的，蝸殼在壓縮機失速中扮演了諧振管的作用，衰減了無葉擴壓器產(chǎn)生的流動不穩(wěn)定并在蝸殼中形成了駐波的結(jié)構(gòu)。在高速離心壓縮機測量的失速區(qū)域，全場數(shù)值計算得到的失速頻率遠(yuǎn)低于全流道數(shù)值計算得到的失速頻率。使用全場數(shù)值計算得到了明顯的壓力和質(zhì)量流量的振蕩，該振蕩具有大約4倍于蝸殼周向特征長度的波長，且振蕩的幅值隨壓縮機質(zhì)量流量的減小而增加。 6．在全流道和全場數(shù)值計算中都發(fā)現(xiàn)，葉輪流道內(nèi)的流動分

7、離明顯地影響了無葉空間及無葉擴壓器內(nèi)的流動。全流道數(shù)值計算顯示在失速周期中隨著質(zhì)量流量的減小，無葉擴壓器內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)，只在靠近無葉擴壓器前蓋板進口處出現(xiàn)了徑向逆流區(qū)。但是全場數(shù)值計算顯示在失速周期中隨著質(zhì)量流量的減小，不僅在擴壓器前蓋板進口附近流場出現(xiàn)徑向逆流區(qū)，而且在擴壓器后蓋板出口附近流場也出現(xiàn)了徑向逆流區(qū)。擴壓器前蓋板進口處的徑向逆流區(qū)可歸因于壓縮機葉輪流道內(nèi)部二次流的影響，而擴壓器后蓋板出口處的徑向逆流區(qū)可歸因于蝸殼內(nèi)的

8、影響。 7．在失速周期中，在所有的時刻下蝸殼流道的截面上，流動均形成了一個的旋渦，旋渦中心流動損失較大，總壓較小。在蝸殼出口直管段由于渦流速度明顯減小和旋渦自身的不穩(wěn)定，在小流量下容易發(fā)生破裂，導(dǎo)致蝸殼出口的截面中心區(qū)域通流速度均出現(xiàn)逆流，此逆流為壓縮機失速特征的表現(xiàn)。在失速條件下截面中心的渦心成對地破裂成反向旋轉(zhuǎn)的更小的旋渦。蝸殼出口部分的失速可能是維持蝸殼內(nèi)部駐波結(jié)構(gòu)的能量源。 8．當(dāng)質(zhì)量流量在0.7kg/s的頻譜分