小流量下离心压气机无叶扩压器数值模拟及流动分析

无叶扩压器是离心压气机重要部件,也是涡轮增压器上应用最多的扩压器类型,详细研究其内部流场,掌握流动损失产生的机理,对于提升扩压器性能及抑制其失速的发生具有重要意义。本研究利用商用CFD软件NUMECA对离心压气机无叶扩压器进行了数值模拟,并对无叶扩压器收缩段和平行段内的流动分别进行分析,探讨了它们各自流动的特点,为进一步深入研究无叶扩压器流动,提升其性能奠定基础。     

离心压气机宽无叶扩压器旋转失速的数值研究

无叶扩压器作为离心压气机的重要部件,研究其内部旋转失速的诱发过程及机理对离心压气机无叶扩压器旋转失速的主动控制具有重要意义。利用ANSYS平台对离心压气机建模并对其旋转失速过程进行非稳态数值模拟。结果表明:离心压气机无叶扩压器旋转失速是随着流量的逐渐减小建立起来的,失速工况点位于性能曲线的负斜率区;无叶扩压器内部,低速区靠近扩压器盖侧,高速区靠近扩压器盘侧;宽无叶扩压器的旋转失速与扩压器出口回流区有关,出口处回流区逐渐向扩压器内部发展,导致核心流发生畸变,最终导致旋转失速的发生。     

离心压气机无叶扩压器旋转失速诱发的能量损失机制研究

利用ANSYS软件分别对带宽、窄无叶扩压器的离心压气机进行数值模拟,研究了在旋转失速诱发过程中离心压气机无叶扩压器的流场分布及能量损失机制。研究表明,窄无叶扩压器失速诱发时盘盖侧边界层发生局部回流并在叶高方向向内延伸,而宽无叶扩压器失速与扭曲的核心流和回流混合密切相关。随着流量的减小,扩压器内能量损失逐渐增加,旋转失速发生后,能量损失快速增加,到失速完全发展时,达到最大,且宽无叶扩压器的能量损失大于窄无叶扩压器。窄无叶扩压器失速诱发点处存在性能曲线的不连续现象,分析了宽、窄无叶扩压器旋转失速诱发过程中的能量损失机制。     

小流量模型级叶片扩压器对叶轮的冲击

数值试验结果表明了某离心压缩机小流量模型级采用有叶扩压器可以显著提高模型级的效率,然而由于考虑到有叶扩压器可能对于叶轮造成冲击,因此在有叶扩压器的使用问题上需要非常谨慎。在扩压器叶片前缘与叶轮轮缘的距离较近位置的前提下,在不同流量下对其进行非定常数值模拟研究,研究叶片扩压器存在时叶轮上的压力脉动。结果表明,叶片扩压器对叶轮有着强烈的冲击。     

带无叶扩压器离心压气机的稳定性分析

结合实验数据,采用数值模拟方法对某带无叶扩压器离心压气机的性能与稳定性进行了详细分析,比较了设计点与近失速点下无叶扩压器内部的流动特征．结果表明：在发生喘振瞬间,扩压器进口最先出现了压力崩溃;扩压器进口流动特别是轮盖侧流动是导致压气机失稳的重要因素,对扩压器进口逆叶轮旋转方向的轮盖侧啧蒸汽能够提高扩压器的稳定性．     

串列叶栅扩压器弦长比对离心压气机的性能影响研究

为研究串列叶栅前后排叶片的弦长比对离心压气机性能的影响规律,采用数值模拟的方法对某离心压气机扩压器进行串列改造,并在弦长比为0.7、1.0和2.0时对离心压气机级性能进行分析。研究结果表明:串列叶栅扩压器效率优于楔形扩压器,且可以明显扩宽压气机的工作裕度;串列叶栅弦长比在一定范围内数值越大,即前排叶片越短,压气机性能越佳。在串列叶栅扩压器后排叶片前缘附近添加合适弦长的小叶片可以在不降低离心压气机效率与工作裕度的同时提高总压比,同时拓宽其最大通流能力。     

叶片安装角对离心压气机扩压器气动性能及失速机理影响研究

为了研究离心压气机扩压器异常叶片对于失速现象的诱发效果，以带有叶扩压器的高速离心压气机为研究对象，通过整体或局部改变扩压器叶片安装角，开展非定常数值模拟研究并与实验结果对比验证，研究叶片安装角改变对离心压气机性能、动态特性以及失速机理的影响规律。研究表明：整体负方向旋转叶片安装角会促使扩压器更加不稳定，旋转角度从-5°到5°，最高效率点对应的质量流量逐渐增大。其中安装角偏转+5°扩压器叶片前缘靠近轮缘壁面发生流动分离，诱使无叶区间产生回流；而偏转-5°扩压器轮毂附近的流动分离主要发生在尾缘，造成扩压器叶片吸力面附近产生大范围回流。单个叶片安装角发生较大偏转(大于10°)时，扩压器比叶轮更早进入失速状态，且失速的机制可能会随着安装角偏移的增大发生改变。     

离心压气机预旋及扩压器调节扩稳研究

以增压器无叶扩压离心压气机为研究基础,进行了压气机预旋导叶及扩压器设计,对单预旋、固定扩压器及预旋、扩压器耦合调节等不同情况下的离心压气机特性进行了数值分析,研究了进口预旋及扩压器可调的压气机扩稳特征。结果表明:压气机进口预旋在保持压气机最高效率特性基本不变的同时可以使压气机的流量范围拓宽16.7%,叶片式扩压器则可明显提高压气机最高效率约1.7%。在无叶扩压离心压气机的基础上,采用进口预旋和叶片式扩压器耦合调节控制的方法可在拓宽压气机喘振裕度的同时可使压气机工作效率提高约1.2%。     

部分叶高串列扩压器对离心压气机性能的影响

为了保证离心压气机压比同时拓宽其稳定工作范围,将部分叶高概念引入串列扩压器设计中,获得部分叶高串列扩压器,并基于数值方法研究串列叶栅前后排叶片相对周向位置以及前排叶片相对高度对离心压气机与串列扩压器性能的影响.在相对周向位置为30%的串列扩压器基础上,利用不同部分叶高叶片设计串列扩压器前排叶片,获得不同的部分叶高串列扩压器.结果表明:串列叶栅前后排叶片相对周向位置对扩压器的扩压能力以及稳定工作范围有很大影响,当相对周向位置处于20%~30%内时离心压气机的整体性能达到最佳;与原离心压气机相比,当前排叶片相对高度h/B分别为40%和50%时,离心压气机的喘振裕度可分别增加21%和25%,总压比和等熵效率仅下降1%左右.     

部分叶高串列扩压器对离心压气机性能的影响

为了保证离心压气机压比同时拓宽其稳定工作范围,将部分叶高概念引入串列扩压器设计中,获得部分叶高串列扩压器,并基于数值方法研究串列叶栅前后排叶片相对周向位置以及前排叶片相对高度对离心压气机与串列扩压器性能的影响.在相对周向位置为30%的串列扩压器基础上,利用不同部分叶高叶片设计串列扩压器前排叶片,获得不同的部分叶高串列扩压器.结果表明:串列叶栅前后排叶片相对周向位置对扩压器的扩压能力以及稳定工作范围有很大影响,当相对周向位置处于20%~30%内时离心压气机的整体性能达到最佳;与原离心压气机相比,当前排叶片相对高度h/B分别为40%和50%时,离心压气机的喘振裕度可分别增加21%和25%,总压比和等熵效率仅下降1%左右.     

Behavior of Vaneless Diffuser Stall in a Centrifugal Compressor

The rotating stall in a centrifugal compressor with a vaneless diffuser was investigated both experimentally and numerically with focus on the effect of the internal flow field within the impeller on the diffuser stall.Through numerical analysis,the boundary layer separation at the impeller outlet was found to play an important role in the expansion and rotation processes of the diffuser stall.In particular,the expanded boundary layer separation near the hub side at the outlet of the main blade(M.B.)suction surface passage was considered to be the main cause of the expansion and rotation processes.A longitudinal vortex existed at the throat of the M.B.passage,and the mass flow rate in the M.B.passage was significantly reduced by the blockage effect.In addition,the longitudinal vortex induced the rolling up flow near the hub side at the impeller exit.Thus,the boundary layer separation expanded.     

基于本征正交分解的无叶扩压器流动稳定性Galerkin降阶模型

将分析湍流拟序结构中的本征正交分解技术运用到离心压气机无叶扩压器的流动稳定性分析中,并将其与Galerkin投影法相结合建立了无叶扩压器内部流场的降阶模型。使用本征正交分解技术提取无叶扩压器在某来流入口角下非定常流场的主要流动模态,将流动控制方程通过Galerkin方法投影至由有限阶本征正交模态所组成的空间上,得到无叶扩压器流动稳定性降阶模型。计算结果表明:该模型可用于判断不同来流入口角下的扩压器流动稳定性,并将降阶模型的计算结果与流场数值模拟结果和线性稳定性预测结果进行对比,验证了此降阶方法的合理性。     

Computational and Experimental Study of Pinch on the Performance of a Vaneless Diffuser in a Centrifugal Compressor

This study focuses on the vaneless diffuser of a centrifugal compressor.The examined stage consists of an un-shrouded impeller,a parallel wall vaneless diffuser and a volute.The walls of the diffuser were movable allowingdifferent pinch configurations to be investigated.The baseline geometry had no pinch i.e.the height of the dif-fuser was equal to the height of the impeller flow channel plus the axial running clearance.The work consists ofboth numerical and experimental parts.Quasi-steady, turbulent,fully 3D numerical simulations were conducted.The inlet cone,rotor and diffuser were modelled.Six different configurations were studied.The height of thepinch was altered and the pinch made to different walls was tested.Two of the numerically studied cases werealso experimentally investigated.The overall performance of the compressor,the circumferential static and totalpressure and the spanwise total pressure distribution before and after the diffuser were measured.The numericaland experimental studies showed that the pinch improved the efficiency of the compressor.     

Computational and experimental study of an industrial centrifugal compressor volute

IntrotctionThe overall performance of a centrifugal compressoris a combination of the dueller, diffuser, and voluteperformances. Each component has to be designedcarefully in order tO' minimize the losses and maximizethe efficiency. In this paper, a centrifugal compressorvolute (or spiral) is stUdied numerically, and the CFDresults are compared with measured data.A volute is used to collect the flow from a vaned orvaneless diffuser and to gUide it Ollt of the compressor.The volute geometry…     

基于动态模式分解的离心压缩机动态流场分析

动静流道相互作用引起的非定常流动是离心式压缩机内流的主要特征,借助模态分解方法可以有效提取出该流场中相干结构,进而可以说明该动静干涉流场的主要特征。本文将动态模式分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法应用于带无叶扩压器通道的离心式压缩机流场分析中,通过对动静干涉速度场和压力场的模态提取和分析,直观揭示出动静流道中的流体运动特征。在设计流量工况下,叶轮出口叶顶间隙的流体流动和动静流道干涉效应影响了叶轮出口的速度参数和压力参数的分布。在叶轮和扩压器流道中分别出现了频率1 715和725Hz的湍流相干结构,两频率和叶轮通过频率有关。动静干涉流道中压力沿叶高方向动态规律相似,而速度场沿叶高方向波动规律存在一定的差异。该特征可以为压缩机流场测试提供参考。     

Optimal ratio of bend channel in centrifugal compressor

A numerical investigation on the flow in a bend channel by coupling the impeller with the vaneless diffuser in a centrifugal compressor with different r/b ratios (bend radius r to bend channel width b) is presented. The jet-wake effect of the impeller outlet is considered and flow pattern in the bend channel and the performance of the centrifugal compressor stage are investigated. The results indicate that there is an optimal r/b ratio for increasing the stage efficiency to the highest for a specific compressor stage. The change in r/b ratio significantly affects the flow angle of the bend channel outlet. The prime reason for the total pressure loss in the bend channel is the wall friction in the bend channel.