, 周路圣, 杨树华1. 大连理工大学 能源与动力学院, 辽宁 大连 116024;
2. 大连理工大学 海洋能源利用与节能教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024;
3. 沈阳鼓风机集团股份有限公司, 辽宁 沈阳 110000
收稿日期：2017-02-24
基金项目：国家重点研究发展计划项目(2016YFB0600104);辽宁重大装备制造协同创新中心资助项目。
作者简介：辛建池(1988-), 男，辽宁沈阳人，大连理工大学博士研究生;
王晓放(1960-)，女，辽宁沈阳人，大连理工大学教授。
摘要：设计一种可进行尾缘自诱导吹气的可调导叶, 减弱动静干涉效果, 降低叶轮所受气动载荷, 提高叶轮的安全性.该结构通过压差作用, 调控导叶尾缘流动现象, 补偿导叶的部分尾迹, 并以某带有进口可调导叶的离心压缩机为例, 采用数值方法予以验证.结果表明, 在0°开度下结构内流动不明显.随着开度增加, 壁面分离加大, 在导叶的面上压差加大, 使槽道内部自诱导流动加强.在较低增加叶根尾迹强度的条件下, 改善了导叶中部、顶部尾迹分布形式, 使纯尾迹减弱为弱尾迹, 使叶轮气动载荷降低.同时无外部补气, 自诱导结构对机组外特性几乎无影响.
关键词：离心压缩机进口可调导叶自诱导气动载荷数值模拟
Numerical Investigation of Adjustable Inlet Guide Vane with Trailing Edge′s Self-Induced Blowing in Compressors
XIN Jian-chi, WANG Xiao-fang
, ZHOU Lu-sheng, YANG Shu-hua1. School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
2. Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
3. Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110000, China
Corresponding author: WANG Xiao-fang, E-mail: dlwxf@dlut.edu.cn
Abstract: A self-induced structure was designed for the trailing edge of the guide vane of a centrifugal compressor to reduce the impact of rotor-stator interaction and the aerodynamic load on the following impeller, which improved the safety of the impeller. Through the effect of pressure differences, the structure of the trailing edge of the guide vane regulated the flow phenomenon and the partial wake of the guide vane was compensated. Based on the numerical simulation, a centrifugal compressor with adjustable inlet guide vane was used as an example. The results showed that the self-induced flow in the guide vane is not remarkable at the 0 degree guide vane angle. With the increase of the guide vane angle, the wall separation flow and the pressure differences on the guide vane are increased, and the internal self-induced flow is strengthened. With small increase of wake intensity near the root, the wakes distribution at the middle and top is improved, i.e. the pure wake reduces to a weak wake, which further decreases the aerodynamic load on the impeller. Meanwhile, without any injection air, the self-induced structure has little influence on the compressor performance.
Key Words: centrifugal compressoradjustable inlet guide vaneself-inducedaerodynamic loadnumerical simulation
目前, 工业离心压缩机为了保证多工况运行, 选用进口可调导叶装置.可调导叶的工作可调范围通常为－20°到+60°, 当导叶设定在较大的进口角度时, 会产生较大的冲角, 进而导致压力损失.由于进口导叶产生的尾迹效果所导致的强烈的动静转子干涉使叶轮的动气参数(速度、压力、气流角等)出现明显的变化[1], 不但使压缩机的气动性能下降, 而且会提高叶轮所受到的气动载荷, 更严重导致叶片的疲劳破坏.
由于动静干涉对叶轮有较大影响, 研究人员考虑如何补偿由于导叶产生的尾迹亏损, 出现了尾缘吹气方法.宾州州立大学的Park等[2]是尾缘吹气的始者, 他们进行了平板翼型尾缘吹气的实验研究, 发现通过尾缘吹气能够消除尾迹区的速度亏损, 并且降低尾迹区的速度波动, 通过尝试不同吹气方式, 发现双缝吹气表现更为优越.因此, 这种在静子叶片上加入补偿气流的方式开始运用于透平机械中去降低不稳定的动静干涉.Waitz等[3]和Leitch等[4]通过在轴流风扇添加尾缘补充气流使流动更加均匀, 进而降低了非稳态干涉.Lewis等[5-7]建议在静子尾缘添加额外的补水从而达到降低水轮机中动叶的非定常载荷目的, 进而优化出最佳的额外流量范围为1.75%到2%的进口流量, 改善了水轮机在非设计工况下的流动现象.Wu等[8]通过试验测量和数值模拟的方法研究了上游静子尾缘吹气的尾迹扰动特性, 以及静子尾迹与下游动叶的相互干涉.
本文以某带进口可调导叶的离心压缩机为例, 对压缩机进口导叶进行槽道设置, 通过CFD数值计算分析, 对比原型和改型后自诱导吹气导叶的离心压缩机流场.针对可调导叶特点, 采用非定常计算模拟不同开度下导叶对后置叶轮气动载荷的影响, 并分析其变化规律, 评估导叶槽道产生的自诱导流动效果.
1 研究模型为测试导叶尾缘自诱导吹气的效果, 本文选取某用于空气分离并带有进口可调导叶的离心压缩机为研究对象, 如图 1所示.该压缩机为典型的单级离心压缩机, 包括12个进口可调导叶, 19个半开式叶轮叶片，以及20个扩压器叶片, 蜗壳不予考虑.压缩机运行工况如表 1所示:导叶开度为0°, 为全开状态.随着进口导叶开度逐渐增加, 进口体积流量随着通流面积的减小而相应地减少, 同时给压缩机进口气流施加相应的预旋效果.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 离心压缩机模型Fig.1 Computational model of the centrifugal compressor |
表 1(Table 1)
 表 1 压缩机运行参数Table 1 Compressor operation condition
| 表 1 压缩机运行参数 Table 1 Compressor operation condition |
由于双槽道吹气结构能够较好地衰减尾迹影响, 被应用在本文的研究中.该压缩机中, 可调导叶为直叶片导叶, 距叶轮入口的距离约为1.4倍弦长.考虑进口导叶的结构特点, 本文进口导叶的双槽道模型设计如图 2所示.内部通道设置在导叶叶片旋转轴线处, 本文选择椭圆形截面作为内通道形状, 靠近叶根截面处, 长轴a=20 mm, 短轴b=10 mm, 内通道从叶根延伸至叶顶, 并不贯通, 其通流面积随着叶高方向线性变化.从内通道向导叶尾缘方向开设2个槽道, 叶根处槽道宽度l=1.5 mm, 连接至导叶尾缘主流道.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 可调导叶内自诱导改型槽道结构示意图Fig.2 Geometry of the self-induced structure added to guide vanes of the compressor (a)—自诱导槽道流域；(b)—叶根处截面. |
2 数值设定为避免单通道计算带来的误差, 本文采用CFX进行全通道的压缩机数值计算, 通过验证[9], SST湍流模型方程能够有效地进行定常/非定常模拟来获取尾迹流场信息, 这种湍流模型可以精确地预测初始流动和负压力梯度条件下的流动分离.计算区域设定为进口导叶、转子、扩压器, 如图 1所示.选用理想空气作为工作介质, 传热方式选择总能量方程.边界条件设定如下:进口设定总温总压条件, 以总质量流量为出口条件, 壁面设置为绝热无滑移壁面.定常计算中选用Frozen-rotor作为转静子交界面, 非定常计算中动静交界面设置为transient rotor-stator.
同时分析导叶结构对动静干涉的影响, 在受到导叶尾迹影响严重的叶轮叶片上设置监测点来获取其非定常压力脉动.在叶片前缘处, 从叶根到叶顶分别在压力面以及吸力面对应位置上设置10个监测点(分别命名为P1至P10, S1至S10), 如图 3所示.同时为保证监测点时刻获取叶片表面载荷, 将监测点关联上相应的旋转坐标系.非定常计算中, 时间步长设置为每周180步, 总时间设定为25个周期.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 监测点分布示意图Fig.3 Distribution of the monitors |
本文采用turbo-grid对单叶轮流道的网格进行三维结构化六面体划分, 可调导叶内部通道采用Gambit进行混合网格处理.将单通道在CFX中进行整周复制, 进而达到全通道模拟的效果.本文数值模拟网格通过无关性验证, 同时保证近壁面网格均符合湍流模型要求.
3 计算结果及分析3.1 压缩机气动特性分析首先对导叶改型前后压缩机外特性进行对比.图 4给出了导叶从0°到+60°开度下压缩机效率及压比对比, 由于无额外气流吹入, 并未对压缩机进气量产生影响, 即对压缩机的运行工况不产生影响.在不同的导叶开度下, 自诱导吹气导叶对应的压缩机性能与常规导叶对应的压缩机性能一致, 说明进口导叶改型对压缩机整机的运行特性几乎无影响.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同导叶开度下压缩机特性曲线Fig.4 Characteristic curves of the compressor under different angle of the guide vane |
3.2 吹气结构流动规律通过先前吹气研究发现[10], 在导叶上采用尾缘吹气可以有效地改善尾迹效果, 降低后续叶轮气动载荷.通过观察吹气结构内的流线, 如图 5所示.进气方向为垂直于入口截面, 通道内无导流结构, 吹气主要流向导叶尾缘约4/5的区域, 将会削弱这部分区域尾迹的影响.而在叶根部区域出现了明显的涡团, 在导叶叶根区域气流在尾缘槽道流入, 没有在该位置进行吹气.涡团产生的原因：①与吹气来流的方向有关；②离心压缩机通道影响, 靠近导叶根部区域压力较高, 由于压差作用向导叶顶部方向产生逆流动趋势.根据吹气流动现象, 推测不采用吹气, 该结构内仍能产生自诱导流动.因而仅采用结构而不进行任何额外吹气.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 吹气结构内流线Fig.5 Streamline in blowing structure |
3.3 自诱导吹气流动规律图 6给出了导叶0°以及40°开度无补气自诱导条件下, 槽道结构内流线图.如期望一样, 由于压缩机进气通道作用, 使气流自诱导地在槽道内形成类似“C”的流动现象, 将导叶叶根区域气流引导至导叶的中部以及顶部区域, 进而对导叶叶顶区域形成类似于吹气作用.对比2种开度条件, 发现导叶40°开度下速度明显高于0°开度条件, 因此可知, 随着导叶开度的加大, 槽道内流动也会加强.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 导叶内槽道结构流线Fig.6 Streamline in self-induced structure (a)—导叶开度0°；(b)—导叶开度40°. |
为分析自诱导流动产生的原因, 图 7给出导叶开度为40°时导叶尾缘压力分布.可以明显看出, 导叶根部区域压力要明显高于导叶中部, 以及顶部区域.由于压差作用产生的内部流动，相比于导叶全开状态, 导叶开度的加大, 导致来流冲角加大, 压差增加, 因此加强了槽道结构内的自诱导流动.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 可调导叶压力分布Fig.7 Pressure distribution at guide vane tailing edge (a)—叶根位置；(b)—叶片中部；(c)—叶顶位置. |
为了分析可调导叶尾迹影响, 这里定义黏性尾迹:在尾缘出现边界层分离, 导叶流场中会产生一个低速低压区域.对尾迹区的动量亏损沿着周向进行积分, 将其分为纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹, 以及射流4种尾迹流动特征.纵坐标速比, 表示当地平均速度U与来流速度U∞的比值.横坐标代表相对于导叶厚度d的周向y位置.
图 8给出了导叶0°开度下导叶槽道改型前后, 导叶后轴向距离为x=13d (转子叶轮入口)处不同导叶展向位置(叶根、中径、叶顶)处尾迹速度分布对比.从导叶内流场来看, 只有少量气流从导叶叶根处流向叶顶位置, 流动现象不明显, 因此对导叶尾迹的影响很小.通过判别, 在0°开度条件下, 导叶尾迹形式始终为纯尾迹流动.说明这种条件下, 槽道改型的自诱导流动对流场影响很小, 与常规导叶流场相同.图 9给出了导叶在不同开度下以及改型前后, 导叶后轴向距离为x=13 d (转子叶轮入口)处尾迹速度分布对比.整体趋势上, 随着导叶开度的增加, 尾迹速度分布出现了一定的偏移, 低速区域随着导叶尾缘位置而变化.其次, 从速度分布上可以反映出导叶内部的流动现象随着导叶开度的增加而加强, 导叶开度为20°时, 导叶叶顶区域改型结构速度分布要高于原始结构, 导叶开度为30°时, 在导叶中部区域也出现这种吹气流效果.当导叶开度增加到40°时, 效果趋于稳定.通过尾迹判别, 当导叶处于较大开度时, 导叶中径以及顶部区域位置的尾迹类型由原纯尾迹改善为弱尾迹.同时, 区别于叶中以及叶顶区域, 对于叶根区域, 并没有出现明显的速度降低.因此, 对于导叶槽道改型结构, 导叶开度对这种自诱导吹气有明显影响.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 导叶开度0°速度分布Fig.8 Velocity distribution under 0° of the guide vane |
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 不同开度下速度分布Fig.9 Velocity distribution under different angle of the guide vane (a)—导叶开度10°；(b)—导叶开度20°；(c)—导叶开度30°；(d)—导叶开度40°. |
3.4 叶轮气动载荷分析通过分析可调导叶槽道改型前后的流场, 研究非定常的叶轮载荷变化规律, 可进一步评估槽道改型自诱导吹气流动效果.该压缩机在运行过程中, 叶片主要承受的气动载荷出现在转频和通过频率位置.通过频率由叶轮叶片转过相邻导叶的时间所决定, 是旋转机械中压力波动中的主要频率, 其频率对应的幅值的大小反映出尾迹强度，对应该2种频率下的谐波数分别为1和12.本文研究通过频率位置处对应的载荷分布情况, 从图 10中明显可以看出, 虽然工况不同, 但谐波数为12的频率始终为载荷分布的主频位置, 即由12个可调导叶产生的尾迹影响为主.对比该频率下的幅值, 对于导叶开度0°条件, 流场以及压力变化不大, 通频位置的载荷几乎没有发现明显变化, 该位置的载荷由266 Pa变化至263 Pa.对导叶开度40°条件, 由于这种自诱导的吹气流, 气动载荷出现了一定的降低, 载荷由265 Pa降低至221 Pa, 与流场结果分析相符.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 叶轮中径截面监测点气动载荷频域Fig.10 Aerodynamic load at mid span of the impeller blade (a)—导叶开度0°；(b)—导叶开度40°. |
图 11给出了导叶开度0°以及40°工况下, 沿着叶高方向, 叶轮前缘通频载荷分布对比.导叶开度0°条件下, 1, 2号监测点靠近叶根处受到导流锥影响, 其载荷明显要低于叶中区域, 10号监测点位于叶顶间隙处, 由于潜流作用, 其载荷最小.加入自诱导结构后, 叶轮载荷也未出现明显的改变.因此, 通过流场以及载荷分析可知, 改型后结构内流动变化不明显, 在导叶开度为0°时, 压缩机并未受到影响.当导叶开度为40°条件下, 叶轮前缘载荷分布对比于导叶开度0°工况, 改型后导叶内自诱导流动在该条件下流动加强, 产生对叶轮根部以及中部的吹气效果, 一定程度上降低了该区域的载荷, 同时对叶顶区域的载荷并未产生明显的加强效果, 结合不同导叶开度下的导叶后速度流场的分布, 可以得知, 槽道结构在较大的导叶开度下, 可以产生改善尾迹、降低叶轮气动载荷的作用.
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 前缘载荷分布对比Fig.11 Aerodynamic load distribution at the leading (a)—导叶开度0°；(b)—导叶开度40°. |
4 结论本文验证了在可调导叶上采用尾缘开槽是一种可自诱导改善尾缘流场、削弱尾迹强度、降低叶轮载荷的可行方法.在导叶槽道内部自发形成类似“C”形式流动现象, 将导叶根部气流引导至导叶中部以及顶部区域, 相当于对该区域产生吹气.同时添加这种槽道结构, 未对压缩机的运行工况产生明显影响.导叶槽道自诱导吹气效果受导叶开度的影响明显, 导叶开度为0°时, 这种开槽结构并未产生明显的自诱导吹气效果, 流场与常规导叶流场相同.当开度增加时, 强化这种自诱导吹气的强度.在导叶开度为30°~40°时, 自诱导吹气效果最为显著, 同时并未明显增强导叶根部的尾迹.
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