轴向切割在压缩机改造中的应用分析

方案即改造前的原始叶轮和扩压器，改造A方案（叶轮和扩压器均改变），改造B方案（仅叶轮改变，扩压器不变），采用CFD（computational fluid dynamics）数值计算方法进行了详细计算分析，三种方案的结构尺寸见表1。

2 计算网格

图1为三种方案示意图，表1为该三种方案的结构尺寸变化。三种方案的网格数分别为370000、320000、320000，网格最小正交角分别为14.5º、19.8 º、14.4 º，网格均为六面体结构化网格，以提高计算精度。

3 边界条件

三种方案的边界条件为：转速5827r/min，入口总压3.8bar（A），入口总温200℃，出口总压4.47bar（A）。

4 结果分析

数值计算利用商业计算软件Numeca的euranus求解器求解三维定常湍流Navier-Stokes方程组，由于叶轮机械的周期性，采用了对1个叶轮通道联合无叶扩压器进行定常计算， 叶轮流道采用Autogrid划分网格，扩压器采用IGG划分网格，叶轮与扩压器之间的动/静交接面采用周向平均法进行相关物理量的传递，空间差分采用中心差分格式。所有的收敛计算中近边界层的Y+均小于10，收敛残差均小于10-5，表明数值求解的结果可靠，收敛值为真值，数值结果具有网格无关性。

对改造前（Original）、A、B三种方案进行了湍流模型校验对比。依据经验，S-A湍流模型和标准K-ε湍流模型的工程应用非常广泛，有一定的精度，因此为了简化计算资源，仅对上述两种湍流模型进行了对比计算。特性参数计算结果如表2所示。

从计算结果来看，S-A模型在改造前、A方案和B方案的效率计算中偏离过大，同时从软件使用者的文献来看[3-6]，标准K-ε模型比K-A模型精确度更高，更符合实际工程需求，因此后续我们都以标准湍流模型的模拟结果进行比较。

从表2的标准K-ε湍流模型特性参数计算结果中可以发现，A方案、B方案的流量相比改造前均大幅度减少，A方案减少14.7%，B方案减少14.5%，与用户要求的流量减少15%相当；A方案、B方案的效率相比改造前略有提升， A方案效率提高了0.65%，B方案效率提高了0.32%，满足用户要求的改造后效率不能有负偏差；A方案、B方案的静压比相比改造前略有提升，A方案静压比提高了0.76%，B方案效率提高了0.82%，满足用户要求的改造后压力不能有负偏差。从上述比较可以看出，B方案能够满足用户目前的实际运行需求。

图2为三种方案叶轮和扩压器子午流面的相对速度分布图，由于方案B的叶轮出口宽度小于扩压器入口宽度，图2显示出该无叶扩压器靠近轮盖侧有一个低能涡存在，增大了能量损耗，对效率有一定影响，但是从相对流线的发展来看，主流速度较高，该涡区迅速衰减，到无叶扩压器出口时已经看不出该涡区的影响，因此对压缩机的性能影响有限。

5 结论

（1）验证了在工程应用中，采用标准湍流模型比湍流模型精确度更高，更符合工程实际。

（2）通过对该复合式压缩机离心段进行改造分析，可以看出改造后机组流量有一定程度的减少，同时机组效率和压力都略有提升，表明轴向切割方法应用在机组改造中完全满足用户要求。

（3）叶轮出口宽度与扩压器宽度一致时效率最高，叶轮出口宽度小于扩压器宽度时，会带来部分能量损耗，有低动能的涡区存在，但是当气流速度足够大时，涡区的影响被消弱到最小，对压缩机的效率、能头影响较小。

参考文献：

[1]么立新，匡中华，刘洋等.无叶扩压器进口子午形状研究[J].风机技术，2012（06）：16-21.

[2]刘海清，张宏武.某带无叶扩压器的离心压缩机内部流动特性与稳定性分析[J].风机技术，2013（04）：17-20.

[3]祁明旭.轴流透平级内三维复杂流动的数值模拟及小展弦比叶栅的特性试验[D].西安交通大学博士论文，2002.

[4]刘长胜.离心式压缩机级的三维粘性数值模拟[D].西安交通大学硕士论文，2003.

[5]周莉.离心压缩机级内动/静相干非定常流动的数值与实验研究[D].西安交通大学博士论文，2006.

[6]王晓峰.基于三维粘性流场分析的离心压缩机叶轮近似模型优化设计[D].西安交通大学博士论文，2006.

作者简介：程超（1980-），男，在职博士生，研究方向：离心压缩机性能改进研究。

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