基于CFX计算的离心压缩机整级全流道流场分析-王维民

国家自然自然科学基金资助项目（51135001）国家重点基础研究发展计划项目（2012CB026000）*通讯作者：王维民，男，副教授，[e-mail]基于CFX计算的离心压缩机整级全流道流场分析[刘宾宾1王维民1*张娅1吴炯2][1-北京化工大学高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室，北京1000292-华陆工程科技有限责任公司，西安710065][摘摘摘摘要要要要]离心式压缩机是压缩和输送能源和化工生产中各种气体的关键设备，在整套装置中占有极其重要的地位。近年来，叶轮两侧间隙内流体流动对转子的激励作用成为影响压缩机性能进一步提升的重要因素。本文充分考虑了离心压缩机设计过程中的多个影响因素，建立离心压缩机整级全流道流体动力学分析模型，包括密封间隙和轮盘轮盖两侧间隙内的流场区域，计算分析离心压缩机内部一次流及二次流流场分布。通过该模型，分析二次流对一次流的干扰作用，并且根据叶轮两侧间隙内的流场，分析间隙内的压力分布，更准确的计算叶轮的气动推力。本文成果可为改进离心压缩机设计和优化压缩机性能，提高运行效率及稳定性提供技术基础。[关键词关键词关键词关键词]离心压缩机整级数值模拟二次流InvestigationontheFlowFieldinAllChannelofaCentrifugalCompressorStageBasedonCFX[BinbinLiu1WeiminWang1*YaZhang1JiongWu2][Abstract]Centrifugalcompressoriskeyequipmentforenergyandchemicalproductiontocompressandtransportprocessgas.Inrecentyears,itisfoundthattheinfluenceofflowwithinthetwosidesofimpellerclearancetobeanmoreimportantfactortopreventimprovingtheperformanceofcentrifugalcompressor.Thispaperhasfullyconsideredmultiplefactorsaffectingcentrifugalcompressorperformanceandestablishedfluiddynamicsanalysismodelofallchannelforwholestageofcentrifugalcompressor，includingsealclearanceandcavitiesfortwosidesofimpeller.Thenthefielddistributionofprimaryandsecondaryflowwasanalyzed.Bythismodel，wecananalysistheexcitingeffectofsecondaryflow.Also,wecangetthepressuredistributioninsidethespaceofbothimpellersidesclearance.Thiswillhelptocalculateimpellerpneumaticthrustmoreaccurately.Theresultsofthispapermaycontributetoimprovecentrifugalcompressordesignandoptimizationofcompressorperformance.Italsoprovidedtechnicalbasisforimprovingtheoperationefficiencyandstabilityofcentrifugalcompressors.[Keyword]centrifugalcompressor,allchannel,numericalsimulation,secondaryflow1引言引言引言引言随着计算机及数值计算技术的发展，计算流体动力学（CFD）已经广泛应用于叶轮机械的研发过程中。数值模拟的方法将理论分析与试验研究联系在一起，以其独特的优势逐渐成为研究压缩机内部流体流动的重要手段。目前国内很多离心压缩机制造和研究单位都运用了CFD技术，建立了离心压缩机内部流场模型[1,2]，甚至有学者采用CFD技术对多级离心压缩机的内部流动进行了数值模拟[3]。朱明正[4]采用CFD技术设计叶轮叶片形状，通过对叶轮流道的计算分析优化国家自然自然科学基金资助项目（51135001）国家重点基础研究发展计划项目（2012CB026000）*通讯作者：王维民，男，副教授，[e-mail]叶形的设计。陈宗华[5]运用CFD技术对离心式压缩机径向进气室的结构形状进行了优化设计。王维民[6]在压缩机轴向推力研究中，建立了叶轮间隙和迷宫密封的整体模型，考虑了叶轮两侧密封对轴向推力的影响。也有学者对用于离心压缩机的多种密封形式进行了对比研究，分析不同密封形式对转子的动力学特性的影响,但是以上分析的流场的入口边界条件往往只是假设，尤其是流体的入口周向速度无法准确确定，限制了分析的精确性。在以往的研究中，分析模型往往都忽略了叶轮两侧的间隙和密封部位，焦点集中在主流道内流场的分布以提高机器的效率。但是近年来，由于二次流对转子的激励作用导致的轴向推力过大，或气流激振导致的转子失稳，严重制约了压缩机向高端化发展的进程[7]。因此，建立离心压缩机整级全流道模型进行模拟具有相当重大的意义，可以避免人为设定边界条件带来的误差。因此，有必要研究一种更加精确的离心压缩机模拟方法来指导压缩机的设计和研究工作。2整级全流道模型整级全流道模型整级全流道模型整级全流道模型本文根据某实际离心压缩机的设计图纸，取其中单级，建立CFD模型，模型的结构示意图如图1所示，具体尺寸如表1所示。图1压缩机模型结构图表1叶轮主要参数（单位：mm）位置D2Dsdidm尺寸6364322232002.1流场模型本研究所建立的离心压缩机整级全流道模型，如图2所示，流场共分为七个计算域，分别为：○A-叶轮入口域、○B-叶轮域、○C-扩压器域、○D-弯道及回流器域、○E-出口域、○F-轮盖侧间隙及密封域、○G-轮盘侧间隙及密封域。图2整级几何模型整级模型的子午面网格如图3所示，包括了一次流和二次流的全部流场，七个域中A、C、E、F、G五个域的三维模型利用ANSYS参数化语言APDL建立，○B和○D流场域模型采用NREC软件建模并划分网格。图3离心压缩机全流道子午面2.2网格CFD技术的基本思想就是要把连续的计算区域离散成一系列小的控制体进行近似计算。这样就必须要对控制体进行网格划分，网格质量的好坏会直接影响计算效率以及结果的准确性。本文中为了保证计算结果的准确性，计算模型采用结构化网格。图4所示为ANSYSAPDL建模和叶轮两侧密封模型的网格划分，面网格采用MESH200单元，为提高计算精度，边界位置的网格需要进行加密处理。通AFGBCDE○D○G○B○C○F○AdmdiD2Ds国家自然自然科学基金资助项目（51135001）国家重点基础研究发展计划项目（2012CB026000）*通讯作者：王维民，男，副教授，[e-mail]过对面网格进行旋转操作生成三维流场模型。整体三维模型通过切分，成为单独的流场域，各流场域通过处理后就可以导入ANSYSCFX进行组装。a.盘侧b.盖侧图4叶轮盘侧和盖侧密封图5所示为NREC设计的叶轮、弯道和回流器网格。图5叶轮、弯道和回流器网格结构化网格有H型网格、O型网格、C型网格和混合型网格等。对高速叶轮机械中叶片边缘尖锐小尺寸结构,如果采用O型和C型网格,在前、后缘附近因为斜率和曲率的剧烈变化会遇到计算困难,在远离叶型的外边界因为网格尺寸较大也会遇到计算困难,H型网格就成为结构网格的一种更好的选择[8,9]。图6所示为离心压缩机整级全流道CFX模型，模型节点数为6920608，单元数为6355008。图6CFX整级流道模型2.3边界条件首先设置流体模型（FluidModels），流体模型的传热模型设置为总能量模型（TotalEnergy），并包括考虑粘性。湍流模型选择最常用的k-ε模型。边界条件的设置对求解的成功有至关重要的影响。叶轮机械内部流场的边界条件带有普适性，都有上下端壁和叶片表面的绝热，无滑移。进出口边界条件对计算稳定性和收敛性影响来看，质量流量边界条件稳定性最好，其次为总压边界。此处考虑采用入口为总压、出口为质量流量的进出口边界条件。3结果结果结果结果分析分析分析分析对于离心压缩机流场模拟，一般都忽略叶轮轮盘和轮盖测间隙流的影响，尤其在需要计算压缩机转子轴向推力时，往往是通过经验公式，或者简化模型得到一个大致结果。本模型建立叶轮两侧间隙和密封部位流场，计算全流场模型，可以得到准确的叶轮两侧压力分布，然后积分得到叶轮所受的轴向推力。图7所示为该压缩机整级的压力分布，在给定入口压力1.4MPa，出口质量流量为116.25kg/s，转速8600rpm时，经过计算，叶轮出口平均压力为1.7015MPa,扩压器出口压力为1.8109MPa，级出口压力为1.7626MPa，级压比为1.186。从图可以看出，从叶轮入口开始压力逐步升高，在扩压器内，流体的动能向势能转化，在回流器顶部，压出口边界入口边界国家自然自然科学基金资助项目（51135001）国家重点基础研究发展计划项目（2012CB026000）*通讯作者：王维民，男，副教授，[e-mail]力达到最大值，然后，随着流体向下一级入口流动，流道加宽，流体压力逐步降低。图7整级压力分布云图求解得到叶轮两侧间隙内压力分布后，将压力值在作用面上积分并在轴向投影，得到在本工况下轮盖侧的轴向力为432049.2N，轮盘侧的轴向力为-440974N，因此该级叶轮的总轴向力为8924.8N。当然在实际设计生产过程中不可能对每个叶轮都进行如此详细的计算，但是通过这种方法可以研究过去计算方法与实际的误差，找到过去计算方法的不足，从而得到一种更加准确的计算方法。影响转子轴向力的因素有很多，离心压缩在不同工况下运行时，转子的受力状况也有所不同。基于本文所建立的模型，计算了在不同入口压力条件下轴向推力的大小。图8所示，为轴向力随入口压力的变化曲线。图8轴向推力随入口压力的变化在压缩机内各个流道流场分析过程中，我们最关心的是内部流场的分布情况和每个流域中流体的流动状态。如图9所示，计算得到叶轮流道内，从叶根到叶顶的压力、马赫数分布图。从叶轮内部流场的压力和马赫数我们能直观的看到叶片上的压力分布、叶轮内漩涡的位置和大小，从而判断叶轮流道设计的合理性。图10所示为叶轮表面受流体作用的压力分布。a.压力b.马赫数图9叶轮流道内压力和马赫数分布图10叶轮表面上受流体作用的压力分布由于压缩机的转子和定子一个高速旋转而另一个固定不动，两部分之间必定具有一定的间隙，因此就一定会有气体在机器内由一个部位泄漏到另一个部位。同时还会向机器外部进行泄露。为减少或防止气体泄露，需要采用密封装置。压缩机内部密封一般为迷宫密封，外部密封根据情况一般采用迷宫密封、机械密封或干气密封等[10]。密封模型采用最通用的迷宫密封形式，通过整体计算，排除了人为设定边界条件的误差，得到压缩机泄漏的压力变化和泄漏量。图11所示为轮盘和轮盖侧密封内的流场速度矢量在子午面上的投影。轮盖侧密封位置流体从叶轮侧往外泄漏，轮盘侧密封位置流体从出口端向叶轮侧泄漏。压力提取路径国家自然自然科学基金资助项目（51135001）国家重点基础研究发展计划项目（2012CB026000）*通讯作者：王维民，男，副教授，[e-mail].轮盘侧密封b.轮盖侧密封图11叶轮两侧密封内流体流动的速度矢量图迷宫密封通过节流原理来实现减少泄漏量的作用。气体经过每一个齿的压降是不一样的，越到下游经过齿的压降越大。对理想气体来说，虽然在流经间隙时温度要降低，但当