模型級內部的三維粘性流動進行數值模擬，用數值試驗的方法研究擴壓器的不同設計對模型級性能的影響；對模型級的變工況性能進行了計算分析和比較，確保了新設計方案的工程可行性。國際上的發展方向是裝置容量不斷增大，開發高壓比、小流量、低噪聲、高效率壓縮機產品與之配套。國內離心壓縮機高技術、高參數、高質量和特殊產品尚不能滿足需要，50%左右還需靠國外進口。為此，我國學者采用試驗和數值模擬的方法進行了深入的研究，文獻1通過對某離心壓縮機小流量級的擴壓器進行數值分析和優化設計，使整級多變效率提高了近5個百分點。但是，并沒有對新設計方案的穩定工作范圍、變工況性能作進一步研究，尚不能應用到生產實際中去。因此，本文在文獻1的基礎上，繼續對擴壓器的葉片數目和前緣形狀進行修正，計算了新方案在不同轉速下的變工況特性及原方案在設計轉速下的變工況特性，并對計算結果進行了對比和分析。1數值計算1.1計算平臺本數值計算建立在CFD商業軟件NUMECA平臺上，是國際上公認的葉輪機械內部流動數值分析的首選軟件，其核心部分—離散格式與解法以及與求解密切相關的多重網格等方面的質量很高。其中心格式采用了Jamesoｎ人工粘性顯格式2，迎風格式采用基于TVD與通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解采用多階Runge-Kutta法，低速計算采用預條件法等，并采用多重網格技術與隱式殘差光順法等提高求解過程的收斂速度。1.2計算域與網格為了真實地反映擴壓器內部的流動情況，對小流量模型級整級進行了三維造型。計算域包括進氣道、葉輪、擴壓器、彎道、回流器以及回流器出口延伸段，采用多塊六面體結構網格，如圖1和圖2所示。1.3計算方法與邊界條件本計算分析的出發點為氣流流動的控制方程，包括三維可壓縮雷諾平均N-S方程、能量方程、連續方程、理想氣體狀態方程以及Spalart-Allmaras代數湍流模型方程；采用有限體積法對控制方程進行空間離散，采用顯式時間推進法求解。工質為理想空氣，設計轉速（n=r/min），進口邊界給定速度方向、靜溫（Tin=293K）以及質量流量（G=0.5378kg/s），出口邊界給定靜壓（pout=.1Pa）。2計算結果分析2.1原無葉擴壓器內部流動分析基于上述的數值計算，得到了該模型級內部三維流場的完全信息。原結構采用的等寬無葉擴壓器，具有結構簡單、造價低、性能曲線平緩、穩定工作范圍寬等優點。但是，由于流體在無葉擴壓器中的方向角α基本不變，流線流線較長（見圖3），摩擦損失較大，在設計工況下效率較葉片擴壓器低。據此，文獻1在無葉擴壓器后端加一段葉片擴壓器，以增大α角和縮短流線，達到減少流動損失的目的。2.2對擴壓器葉型的設計文獻1選擇的擴壓器當量擴張角為4.8°左右，葉片數為10，分別對C4葉型、倒C4葉型、倒T4葉型、直壁葉型進行了三維造型和數值計算。經比較（見表1），采用直壁型擴壓器整級的效率最高。表1采用各方案擴壓器整級性能參數比較葉片型式流量/（kg/s）靜壓比總壓比級等熵效率/%級多變效率/%無葉0.....552C4葉型0....03178.316倒C4葉型0.....385倒T4葉型0.....243直壁葉型（Z=10）0.....006直壁葉型（Z=18）0.....646注：由于在數值模擬過程中沒有考慮級內的某些損失（包括輪阻損失、漏氣損失等），模擬后得到的原結構級多變效率（74.552%）比實際的多變效率（68%）高。2.3對擴壓器葉片數目的分析文獻3指出，擴壓器葉柵稠度對流動有著顯著的影響。從氣流折轉角的角度分析，折轉角大時，葉柵負荷較大，如果稠度比較小，氣流易產生脫離，損失增加；折轉角小時，即使稠度不大的葉柵，因為負荷較小，也不會產生附加損失。但是，如果稠度過大，則使通流面積過小，葉片前緣的通道截面相對阻塞增加，使流動損失增大。筆者在采用直壁型擴壓器的基礎上，選擇了不同葉片數目（即不同的葉柵稠度）分別進行數值模擬。圖4和圖5分別給出了葉片數為10和18的直壁型擴壓器內部速度場分布，表1給出了整級性能參數。比較后發現：采用葉片數為18的直壁型擴壓器的整級效率最高，將該小流量模型級的整級效率提高了5.1個百分點。2.4對直壁型葉片前緣的修正設計的直壁型葉片的前緣為尖頭，從理論上講，尖頭對來流不會產生阻塞，氣流的速度和壓力分布比較均勻，流動損失也比較小，所以性能也比較高；但從加工工藝上講，尖頭在工程上無法實現，一般來說，受加工工藝的限制，葉片前緣倒角半徑最小可做到0.3mm。因此，從工程實際出發，應在原來設計的直壁型葉片前緣削一個半徑為0.3mm的圓頭。筆者采用兩種切削方式：一種是直接在原來的葉片上削圓頭，即縮小了葉片的長度；另一種是保持葉片的長度和尾緣厚度不變，重新設計前緣為圓頭（半徑為0.3mm）的直壁型葉片。原始方案和兩種新設計方案的葉片前緣見圖6。表2直壁型葉片前緣修改前后整級性能比較流量/（kg/s）靜壓比總壓比級等熵效率/%級多變效率/%修改前0.....646方案10.....379方案20....04579.280比較直壁型葉片修改前后該模型級整級的性能參數（見表2），可以發現：模型級整級的效率及壓比均略有降低，但降低的幅度很小。觀察修改前后葉片前緣附近的速度場分布（見圖7和圖8），發現流動情況良好。由于倒圓的引入，級效率和壓比略有降低，但增強了葉片對來流方向的適應性，又可以改善其變工況性能。3整級變工況性能比較葉片擴壓器的流道長度短，流動損失小，故在設計工況下效率較無葉擴壓器高；但由于葉片的存在，其變工況性能較無葉擴壓器差。據此，筆者對該模型級改進前后的變工況性能作了進一步的分析討論。3.1改進前后整級變工況性能的比較筆者計算了設計轉速下，該模型級改進前后的流量特性，如圖9所示。改進前，該模型級采用的是無葉擴壓器，其多變效率隨流量的變化平緩，穩定工作范圍較寬。加入葉片擴壓器后，設計工況點附近的靜壓比和多變效率都有較大幅度的提高，但隨著流量的進一步增加，靜壓比和多變效率迅速下降，在距離設計工況點較遠處，甚至低于原模型級。因此，改進后的模型級適合在設計工況點附近工作，當流量高出設計工況較多時，不宜采用改進的模型級。3.2采用葉片擴壓器的模型級變工況性能筆者還計算了不同轉速下，采用葉片擴壓器的模型級的變工況特性。由圖10可見：隨著轉速的下降，整級的靜壓比下降明顯，最大多變效率也略有下降，穩定工作范圍朝流量減小的方向偏移，變工況性能的趨勢符合一般規律。但是，等轉速線與一般試驗規律相比略顯平緩，這說明計算系統對流量變化的敏感性不夠。分析原因，可能是計算所采用的湍流模型在目前的網格尺度下，尚不能精確計算出附面層的影響。因此，在今后的研究工作中還需對此進行詳細的計算分析，以提高計算的精度。4結論對一臺離心壓縮機小流量模型級進行了內部三維粘性流場的數值研究，針對擴壓器結構及其對變工況性能的影響進行了分析討論，結果表明：（1）數值模擬的結果可以真實地反映離心壓縮機小流量級內部的三維粘性流動特征，在流場分析的基礎上，可以進行有針對性的結構改進，達到提高性能的目的；（2）在設計工況下，離心壓縮機采用葉片擴壓器的效率明顯高于采用無葉擴壓器，增設葉片擴壓器是提高整級效率的有效方法；（3）擴壓器葉片數目對擴壓器性能優劣有較大的影響，對離心壓縮機小流量級來講，采用18個直壁型葉片對于改進設計工況下擴壓器性能的效果最佳；（4）葉片擴壓器的加入，使整級的變工況性能略有惡化，當偏離設計工況點較多時，性能迅速下降，甚至低于原型；（5）筆者計算的變工況特性線略顯平緩，在湍流模型及網格尺度方面需要進一步的研究，以提高計算系統的敏感性。但目前的計算結果基本能夠滿足工程要求。
