全可控涡分布对离心压缩机三元叶片性能影响研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

早期叶轮机械的设计都是采用-元流动设计方法来确定叶轮截面上流体的平均参数及其几何参数。虽然这种方法目前仍然被广泛应用于叶轮机械的气动设计中，但已不能满足高效叶轮设计的要求。为了解决叶轮机械实际流动的问题，吴仲华在 1952年提出了三元流动的普遍理论 J，奠定了三元流动的理论基矗目前这种方法已经广泛应用于叶轮机械的设计过程中。随着三元流动理论的提出，离心压缩机的设计方法由以前的几何设计或二维气动分析设计转向了准三元气动设计及全三维气动的设计方法。在此之后，许多国收稿日期： 2012-12-06 修稿日期： 2013-01-29基金项目： 国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB026001)内外的专家学者利用这-理论对离心压缩机进行了研究并取得了许多有益的成果。国内在离心压缩机三元叶轮反命题设计方法的研究中，广泛采用以角动量分布的不同来控制叶片几何型线的方法。苗永淼等运用了全可控涡”概念 J，在叶轮流道的子午面上建立了-种采用流线曲率法进行叶轮设计的方法，并且在工程实际运用中得到肯定，取得了显著的效果。但在工程实际设计过程中，角动量分布会直接影响叶片载荷的大小，并影响叶轮内部流场流动，改变跨盘盖方向的速度分布。而速度分布对叶轮二次流的强度及叶片表面边界层的发展有决定性的影响，这势必将影响到叶轮分离损失和二次流损失的控制。因此如何给FLUID MACHINERY Vo1.41，No.6，2013定合理的角动量分布是设计商I生能三元叶轮的关键。这种方法-方面需要设计者有丰富的设计经验，另外-方面也需要在设计过程中反复修改原始方案，不断改进，最终设计出高效率的叶轮。对于整个子午面上角动量 rC 的分布，可以沿轮盘、轮盖给出rc 的分布函数，再通过插值的方法给定整个子午面上的角动量 rC 的分布情况；或者通过经验公式给定整个子午面上的角动量 rC 分布。

2 流线曲率法流线曲率法最显著的特点是：用-个通过流面约束条件，将空间流动问题做降维处理，所得到的二维(流函数和势函数)偏微分方程，进-步简化为-维常微分方程，在此简化过程中，未引入任何附加假设。

(1)正命题：根据已有的叶轮的叶片、轮盘、轮盖形状，求解出叶轮内部的速度分布及压力分布等∝制方程如下：dW A B C (1)Q口其中A：( ) 。 ( - )-( )。。

(sinflcosflsina) rd-O： ( cos)sin( -(2tosinf1)cos( c。 c ic 警- 鲁-∞式中 --子午面内相对速度q--准正交线长度(2)反命题：已知叶轮内流动参数的分布，求解叶轮几何形状，但是叶轮内的速度分布是用规定的气流角动量rC 的变化来控制。

等AWm C (2)其中cos(ot-pJA - - - - - - - L 。 d(rC口)dO- d(rC )(rCo)-(.or2 in( -∞)Om c 等clq- - 鲁 d口 n口3 不同涡分布对叶片型线的影响3.1 涡分布的给定方法在反命题的计算过程中，首先要给定rc 作为控制参量，rc。参数给定的好坏直接影响到计算的收敛与否及设计结果的可靠性高低。

3.1.1 指数规律确定可控涡分布(1)r 沿子午线流线的分布，可以采用幂指数的方法来确定 引：rC Am (3)式中 --子午流线坐标的无因次量，-rn m/m2m--坐标点沿流线方向的坐标长度m --叶片出口子午线流线长度A--常数系数，对应不同的设计条件，A的取值不同ol--幂指数(2)定解条件叶片边缘处，叶片载荷为零，即：： 0on (3)整个子午面上可控涡分布的给定首先根据上述方法确轮盘和轮盖上的 rc 分布情况，然后通过线性插值的方法确定整个子午面流道上 rc。分布。

3.1.2 双调和函数确定可控涡分布(1)气动条件在轮盖、轮盘处，rC 分布满足气动力学条件为：a(rCp) r、a - U叶片前缘和尾缘处需要满足气动条件：a(rC ) nom - U(2)整个子午面上可控涡分布的给定双调和方程的引出，将根据经验给定的子午2013年第4l卷第6期 流 体 机 械 29流面上的 rC。分布的二维问题转化为只需要事先给定沿轮盘和轮盖处的rc 分布的-维问题。

然后通过求解满足气动力学条件的双调和方程，就可以得到整个子午流面上的rc 分布情况。

rc 沿轮盘和轮盖的给定方法可以根据具体情况确定，可以有多种给定方法∩以直接给定rC。沿轮盘和轮盖的分布，也可以给定通过 rc 沿轮盘和轮盖的导数分布，再由 沿轮盘和o，n轮盖型线积分得到rc 沿轮盘和轮盖的分布情况。然后根据给定的轮盘和轮盖的 rC 分布，利用插值函数求得整个子午流面上 rc 的分布情况 引。

3.2 不同涡分布的给定对叶片型线的影响由上-节的分析可知，给定可控涡分布的方法不同，将会得到不同的叶片型线。下面对按照不同涡分布方法设计出的不同型线的叶片进行比较。

以-台650冷吨的离心冷水机组为例，进行离心压缩机三元叶片设计。设计参数如表 1所示。压缩机二元设计结果如表2所示。

表 1 压缩机设计参数参数 数值流量(kg/s) 15.348电机转速(r/rain) 16267进口总压(kPa) 361.95出口总压(kPa) 937.07进 口总温(K) 279.15进口密度(ks/m ) 17.83气体常数[J/(kg·K)] 81.53总压比 2.58表 2 压缩机二元设计结果参数 数值叶轮进口直径(mm) 160.0叶轮出口直径(mm) 210.0轮毂直径(mm) 73.5叶轮出口宽度(mm) l6.8轮盖进口半径(mm) 20.0叶片数 20出口气流角(。) 453.2.1 轮盘轮盖上 3种不同的涡分布比较按照3.1节给出的涡分布给定方法，给出该制冷压缩机叶轮轮盘和轮盖上的可控涡分布，如图1所示。

(a)模型 1 (b)模型 2 (c)模型 3图 1 3种不同的轮盘轮盖上可控涡分布其中，图1(a)按照双调和函数方法给出轮盘轮盖上可控涡分布情况；图 1(b)按照幂指数函数方法给定轮盘和轮盖上的可控涡分布情况(指数系数为 1.15)；图 1(c)按照幂指数函数方法给定轮盘和轮盖上的可控涡分布情况(指数系数为1.5)。下文中为叙述方便，通过图1中3种不同可控涡分布设计得到的叶轮依次命名为模型 1、模型2、模型3叶轮。

3.2.2 叶轮子午面上可控涡分布由图 1给定的轮盘和轮盖上的 rC 分布，通过线性插值确定整个子午面流道上rc 分布。

3.2.3压缩机叶轮叶片成型将上述3种涡分布函数带人反命题计算程序中得到叶片造型参数，将设计结果输入到三维建模软件 CATIA中，得到 3种不同的叶片造型，如图2、3所示。

32 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.6，2013(3)性能比较表3为上述3种叶轮计算得到的外特性参数表。由表 3可以看出，模型2叶轮的压比和多变效率最高，模型3叶轮的压比和多变效率最低。

由此可以看出，对于给定不同分布情况的 rG 值，所得到叶轮型线及性能参数的也将不同。

表3 3种不同型线叶轮性能比较叶轮编号 模型 1 模型2 模型3涡分布 双调和 幂指数 幂指数给定方法 函数给定 函数给定 函数给定进口流量(kg/s) 15.348 15.348 15.348设计压比 2.59 2.59 2.59进口总压(kPa) 361.95 361.95 361.95出口温度(K) 279.15 279.15 279.15多变效率(%) 90.85 91.07 89.71计算压比 2.321 2.338 2.2454 结论(1)利用流线曲率法的气动设计方法是-种有效的工程设计方法。通过给定不同可控涡 rC。

的分布，从而得到压缩机的叶片型线；(2)可控涡rc 分布给定的不同，所得到的叶轮叶片型线也将不同，其叶轮流动情况也不相同。

采用流线曲率法反命题设计离心压缩机的关键就在于如何选择合理的rC 分布。合理的rC 分布，可以得到高效的叶轮；(3)双调和函数法和幂指数函数法给定子午面可控涡分布均具有可行性；(4)在叶片设计过程中，可以根据不同的设计要求，灵活给定不同的 rc。分布函数，从而得到不同的叶片型线，选择最优值。