进气回流对离心压气机内部流场结构影响的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 热机气动热力学 学术会议论文 编号：092072 进气回流对离心压气机内部流场结构影响 的研究 1 i 1 1 2 杨 策 ，陈 山，胡良军 ，杨长茂 ,王一棣 (1. 北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081 ； 电话：010 Email: yangce@bit.edu.cn 2. 湖南天雁机械有限责任公司，衡阳421005 ） 摘要：进气回流是一种有效的扩大离心压气机稳定工作范围的方法，由于对其扩稳机理的认识还不是 很清楚，导致进气回流设计还依靠经验方法。为了解决这一问题，有必要对进气回流导致的离心压气 机流场结构发生的变化进行研究。为此，采用定常和非定常数值模拟方法分别对实壁机匣和进气回流 两种压气机进行了内部流场计算。结果表明，进气回流增大了进口轴向速度，明显减小了进口叶尖附 近相对马赫数的大小，减小了绝大部分叶高上的进口相对气流角数值，改变了叶尖位置上叶片载荷的 分布形式，消除了叶尖附近流场存在的较强的波动现象，还消除了叶片进口附近吸力面上存在的较大 的分离区。上述现象是进气回流延缓压气机出现失速的本质原因。 关键词：离心压气机 进气回流 流场计算 流场结构 0 前言 在过去的几十年时间里，如何拓宽压气机稳定工作范围一直是叶轮机械内部流动研 究的热点和难点问题，由此出现了各种拓宽压气机流量范围的方法，这些方法可分为被 动控制方法和主动控制方法两种形式。其中主动控制方法在 1986 年提出，其后研究人 员对这一问题进行了大量的研究。被动控制方法先于主动控制方法出现，其中机匣处理 和进口可调导流叶片两种方法在工程实际上得到了广泛的应用。 基于机匣处理在轴流压气机上的成功应用和离心压气机扩稳的需求，研究人员也开 展了机匣处理应用于离心压气机的研究。MacDougal[1]对增压器用径向和后弯叶轮压气 机分别进行了周向槽、流向槽机匣处理，试验结果表明流向槽导致压气机流动损失增大， 增大幅度超过10％。周向槽使设计转速下失速裕度增加了28.6 ％，峰值效率下降1.1％。 高鹏[2]对NASA 低速离心压气机(LSCC)进行了沿流向斜槽式机匣处理，非定常数值模拟 结果表明流向槽有效减弱了叶顶间隙流动和叶轮流道二次流，使离心压气机的稳定裕度 提高约20 ％，但是效率有一定的下降。 在离心压气机叶轮进口上游轮缘位置上以一定的角度进行微量喷气可以延缓压气 机发生失速[3,4] 。Stein [3]研究发现使用压气机总流量5%的喷射流量可以有效消除叶轮进 口叶尖附近出现的分离流动，从而使压气机稳定范围增大。Day[5]认为微量的喷气抑制 了压气机在临近失速状态下叶尖附近出现的流场振荡扰动是导致失速流量减小的本质 原因。Weigal[6]等人认为喷气导致转子进口总压增加，这对进口叶尖出现的反向流动或 分离流动具有抑制作用。除了在叶片前缘进行喷气扩大稳定工作范围的研究以外，还出 现了在叶片顶部喷气的方法，这种方法扩大压气机稳定工作范围可以归纳为以下几个原 因：一是抑制顶部出现的泄漏流动，二是促进了顶部泄漏导致的低能堵塞流体与主流之 间的相互掺混；三是增加了低能流体在流动方向上的动量。在叶片上游微量喷气方法所 研究的对象多是低速压气机。由于离心压气机所具有的特殊结构，导致离心压气机发生 失速的位置和轴流压气机相比存在明显的差别。对于离心压气机，除了有可能最先在叶 轮进口叶尖位置发生失速以外，还有可能在扩压器内部最先发生失速。Oana[7]研究了诱 导轮区域抽气对离心压气机失速裕度产生的影响，研究内容包括抽气量和抽气位置，研 究结果表明抽气量和抽气位置在一定范围内会扩大离心压气机的稳定范围。 Spakovazky[8]对压比为 5、带有叶片式扩压器的离心压气机进行了扩稳方法的研究，所 使用的方法是在叶轮出口 105.5%叶轮半径位置轮缘一侧周向均匀布置 8 个喷气孔，喷 射角度与壁面成30°，喷气量为压气机流量的0.5% ，试验结果表明压气