一种大分子量工质离心压气机流动结构设计与数值模拟

文章编号：1671-2064（2019）01-0058-03

近年来，随着经济、科技的发展进步，离心压气机在航空、石化等许多行业发挥了巨大作用，并伴随着大量能源消耗。若想提升离心压气机的运行效率，就需要对压气机关键设计参数进一步优化，并利用数值模拟方法对其内部的粘性非定常三维流动进行研究分析[1]。

人们对离心式压缩机进行了许多研究。德国宇航院（DFVLR）的Krain利用CAD方法设计了一种离心压缩机后弯叶轮，并将该叶轮内部流场的模拟计算结果和激光测量结果进行了对比[2]。初雷哲等利用三维粘性数值程序，对微型燃机的离心叶轮流场进行了模拟，讨论了叶片数和分流叶片位置对叶轮性能的影响[3]。花严红等建立了一种微小流量高转速的离心压缩机叶轮模型，并对转速、叶片数、叶片出口角及叶片间隙等的变化对压缩机性能的影响进行了数值模拟与分析[4]。

在前述文章中，多是以空气等小分子量气体作为工质，在大流量、高工作压强工况下工作的离心压气机为研究对象。随着行业细分，视生产工艺、工作介质不同，存在着多种特殊工况，适配的压气机种类也不尽相同。文献显示，对于采用大分子量气体作为工质，工作在小流量、低压强、高转速高压比工况的离心压气机目前还少有研究。在本文的工作中，利用三元气动设计软件Concepts NREC、优化软件Optimus设计了一种工作在上述特殊工况下的离心压气机，并针对其效率进行了优化，最后利用CFD软件Fluent对压气机内流场进行数值模拟研究。

1 压气机叶片及蜗壳的设计方法

1.1 特殊工况下的离心压气机初步设计

本文的工作中，利用Concepts NREC软件内Compal、Axcent两个模块，设计了一种特殊工况下的离心压气机，其主要的特点是：工作流量为24m3/min，属于小流量，入口压强较低，为679Pa，单级压比达到10，工质的气体常数为23.62J/kg（K，与空气的性质有较大的差别。所设计的压气机共18片叶轮，其它对效率影响较大参数值如表1设计值所示。工作时，压比为10.12，效率为79.1%。

1.2 离心压气机的性能优化

为了在适当压比下提升压气机效率，需要优化其设计参数。在公开文献中[4]，多是根据工程经验，以控制单一变量法进行优化。但是，压气机的设计参数和优化目标间可能有着复杂关联，每个优化过程只调整单一参数，较难获得多变量空间内最优解。为了做到多参数协同优化，可以用优化软件Optimus设计过程流，利用响应面分析法和差分进化算法，找到压气机设计参数变量空间内的最优解。

在提高抽样效率并兼顾生产经验的优化过程中，选取表1中的参数作为变量进行优化。利用Optimus嵌套Compal软件，用拉丁超立方法抽取1200个样本点，计算得到以上参数变量对效率的贡献度，如图1。

由图1可知，蜗壳出口直径（D8）以及叶轮转速（N）对压气机效率的贡献度最大。因此，为进一步观察该两个参数组合后对效率的影响，得到D8和N对效率的响应面如图2。

叶轮转速是压气机在运作过程中可调的参数，对压气机的效率影响最大。蜗壳作为收集扩压器排出气体的装置，起到调整气流速度、方向，并进一步降速扩压的作用。合理设计蜗壳出口直径，能优化蜗壳内气流状态，减小损失并提高效率。由图2可知，当转速较高、出口直径在50mm左右时，能达到最高效率。

利用Optimus中差分进化算法，并限定压比范围不超过11，得到参数变量空间内的最优解，如表1最优值所示。

与初步设计的模型相比，优化后的压气机模型效率有所提升，达到82.44%。将所得的最优参数代回Concepts NREC计算，可以得到该模型压比为10.89，效率为82.11%，与Optimus结果较相符。进一步对比在流量变化时，优化前后的模型效率变化，如图3。当转速恒定时，优化后的效率总体较高，并且随着流量变化存在一个最佳效率点，在工作流量下的效率提升了约3.3%，变化趋势与其它文献中的结果基本一致。图4为优化后的叶轮三维模型。

2 三维粘性流的数值模拟方法

本文使用CFD软件Fluent来对离心压气机模型进行三维粘性流动的数值模拟。模拟中使用可实现k-ε模型作为湍流模型，采用基于密度的耦合隐式求解器求解可压缩流动。利用结构化网格建模，网格数1146480。在壁面附近、叶轮、扩压器、蜗壳连接处等流场急剧变化处进行网格加密，以更好地获取湍流信息。将动网格建模叶轮旋转件，叶轮与扩压器相接处设为界面，交换流场信息。

按照压气机设计参量，叶轮入口设定为679Pa的压力边界，叶轮出口给定出口静压使得压比为10，外固壁设为对流换热边界，叶轮转速分别设为9000、12000、15000rpm。因动网格模型残差难以迭代到较小值，故当压气机出、入口的压强保持不变，内部流场采样点的压强呈周期性变化时，认为流场保持稳定，计算收敛。

3 数值模拟结果与分析

本文对上述模型进行了模拟计算，给出了在三个设定转速下压气机15%截面上的压强与熵分布，讨论了不同转速下流场分布与叶轮总体性能之间关系。

3.1 转速对流场压强的影响

由图5，叶轮出口、扩压器的压强会随着转速提升。当设定压比为10、转速为12000与15000rpm时，扩压器处压强均在6000Pa以上;而当转速为9000rpm时，上述压强只达到5100至5400Pa之间，且蜗壳出口处会有回流，净出口流量为负。因此说明转速在12000rpm以上时叶轮才能正常工作并将压比提升至10。

3.2 转速对能量损失的影响

为了研究三种转速下叶轮效率，考察了熵的分布规律。转速为12000和15000rpm时，压气机净出口流量分别为0.035kg/s和0.048kg/s，转速的提升能增大流量。从叶轮机械气流运动方程可知，转子焓沿流线变化率与熵相应值成正比，而熵则直接反应能量损失大小。由图6，随着叶轮转速提升，叶轮内熵增分别为20、40、100J/kg（K，叶轮对工质做功中一部分转化为热能损失了。因此，叶轮转速越高，能带动的工质越多，却也伴随着能量损失增加，造成压气机效率降低。

4 结语

本文针对大分子工质，以及小流量、低压强、高压比的特殊工况，应用三元气动设计软件Concepts NREC、优化软件Optimus设计并优化了一种压气机。对优化后的压气机模型利用三维CFD方法进行了数值模拟，研究了不同转速下流场压强分布和压气机能量损失变化。在本文所研究算例中，叶轮转速为12000rpm时，压气机能达到压比为10的工况要求并且保持较高效率。

参考文献

[1] 里斯，В.Ф.）.离心压缩机械[M].机械工业出版社，1986.

[2] Krain H.A CAD-Method for Centrifugal Compressor Impellers[J].Journal of Engineering for Gas Turbines & Power，1984，106（1984）：1-7.

[3] 初雷哲，杜建一，湯华，等.计及几何参数变化的离心压气机特性分析[J].工程热物理学报，2006，27（3）：47-49.

[4] 花严红，袁卫星，袁修干.一种微小流量离心压缩机叶轮性能的数值模拟[C]//中国制冷学会2007学术年会.2007：841-846.

推荐访问： 工质 分子量 离心 数值 结构设计

---