经考虑离心压缩机的发展

文摘

离心式压缩机的发展感兴趣的使用优化过程,使压缩机效率高和宽的操作范围。最近,压比和效率高的离心压缩机叶轮的设计需要注意桨叶角分布和子午剖面。叶片的几何形状和子午剖面压缩机性能和结构可靠性的重要贡献。介绍了经向的影响压缩机的一些最近的研究。研究表明,叶轮子午概要文件的影响总体压缩机效率和压力比在同一转速。适当的子午概要文件可以提高压缩机效率,提高整体的压力比在同一叶片曲率。

1。介绍

高单级压比和高绩效非常期望在离心压缩机的设计。高升压的飞机发动机和柴油发动机,和设备成本在石油和天然气领域需要高压力比和提高热效率单级离心压缩机。船用涡轮增压器的制造商也在争夺高压压缩机的发展。要求高压比离心压缩机在压缩机设计需要特殊考虑。如果离心单级压缩机比超过4.5,叶轮出口流动通常有一个超音速区。这使得高压比离心压缩机设计非常挑战性的。

离心压缩机的设计一直是一个活跃的研究领域多年来(1- - - - - -4]。与轴流式压缩机、天然气进入离心压缩机轴向,然后在从叶轮径向离心力的作用。气体是针对径向环叶片式或无叶片的扩散器,最后进入蜗壳或收藏家提供下一阶段的压缩气体或将其发送到下一个组件(1- - - - - -7]。与轴流式压缩机、风扇(8),离心压缩机的工作输入几乎独立于流动的性质。离心式压缩机可以设计·德·哈勒数量远高于一个轴流式压缩机可以实现。因此,它是可能的一个离心式压缩机阶段压力比远高于一个轴向的。此外,离心式压缩机显示非常合理的性能在低流量气体压缩。

计算机技术的发展和进步在涡轮机械技术优化离心压缩机设计,比以往任何时候都更容易。涡轮机设计通常始于一个意味着每个行项目操作点在地图上,然后贯流式计算执行;最后,叶轮、扩压器和蜗壳的设计。同样重要的是要优化非设计工况的性能。

最近,多学科优化将人们的注意力吸引了过来。由于并发症的工程系统和多学科,它仍然是具有挑战性的。他和王(9)开发过程的附加方法并发叶栅气动和aero-elastic设计优化在设计过程的早期阶段。采用非线性谐波阶段解决方案方法解决不稳定Reynolds-averaged n - s方程(跑)增强叶片和周围的工作流体之间的相互作用。因此,叶片颤振稳定性和强迫响应是可能的获得。Ghisu et al。10)最近开发出一种系统燃气涡轮发动机的综合设计优化;推迟的设置界面约束在一定程度上促进更好的探索可用的设计空间和更好的利用不同学科和模块之间的权衡。•韦斯特拉特et al。11)开发了一种多学科优化系统,用它来设计一个小型的离心式压缩机叶轮。方法只讨论了空气动力学性能和压力的交互。然而,叶轮可靠性不仅依赖于压力还在震动,也就是说,低循环疲劳(LCF)和高疲劳(HCF)。

在这项研究中,最近开发了涡轮机械粘滞空气动力学和结构优化方法(4,12- - - - - -18)是用于完全优化的离心压缩机的设计。本研究的重点在于强调的重要性子午形状相关的离心压缩机气动性能。这里的设计报告所有遇到不同子午形状的结构要求。结果表明,经向形状为获得一个叶轮优化设计是非常重要的。

演示子午对压缩机性能的影响,压缩机的进气道流34海里³/分钟用于分析。设计点的条件多变的头和流量系数,,分别。设计总压强比率约为4.45。叶轮平均马赫数为0.85,平均出口马赫数为1.08。因此,压缩机有一个显著的超音速范围。设计被视为跨声速范围,努力减少冲击损失。扩压器叶片是由几个专利设计的特性和叶轮优化期间没有改变19]。

压缩机的设计采用目前的设计过程,其中包括粘性气动设计和结构优化实现效率与稳定的目标。压缩机在本研究包括三个主要部分:开发一个叶轮,低体积扩散器,和一个蜗壳。在这项研究中,特别注意叶轮子午设计说明的重要性。

2。CFD计算和验证

商业计算流体动力学(CFD)软件ANSYS排名- 11.0 [20.)是用于计算。网格独立研究发现网格尺寸如图1和2足以保持相同的性能即使网继续完善。360度的计算节点轮约200万和扩散器节点是大约600万。单一部门轮节点约250 k和扩散是400 k。附近的网格墙已经设置为y +值小于2.5。流体模型使用理想气体与总能量和传热计算,包括粘性传热计算工作项,以及k -ε湍流模型。现有的压缩机级计算并与试验结果进行比较,以此来验证CFD过程和网格独立地位(21]。网格结构如图1和2。进行了三种不同的计算,即360度混合飞机叶片和转子接口,360度冷冻转子叶片和转子接口,和单一部门冻结转子叶片和转子界面。冻结转子的测试运行界面显示,叶片和轮叶相对位置影响计算性能的结果。几种不同的转子叶片位置和运行一个幻灯片的转子叶片。我们发现,叶片和叶片轮之间的相对位置,如图1 (b),提供性能最接近实验结果。暗示冻结转子的计算从这个轮子和叶片位置靠近不稳定时间平均的结果。在计算过程中,我们发现,计算性能的结果几乎相同的360度冷冻转子与单一部门冻结转子叶片相比,如图1 (b)。CFD结果与蜗壳损失修正图所示3,显然表明,冻结转子和混合平面计算提供准确的实验。冷冻与单个部门的叶片和转子叶片提供了非常接近实验结果。子午形状影响的分析研究中单一部门的绩效进行冻结转子接口。

3所示。结果与讨论

在这项研究中,重点是研究子午形状对离心压缩机性能的影响。在研究过程中,叶轮叶片角的变化与经向距离的比例保持不变,当子午形状改变,如图4。叶片设计既保持相同的设计1和设计2演示叶轮对舞台的整体性能的影响。图4(一)强调两者的区别子午形状。设计1是一个新提出的子午形状与垂直剪进口和出口,平滑弯曲形状。设计2是传统子午设计入口提示削减和平坦的放电。图4 (b)显示了桨叶角沿着无量纲子午线的长度分布。这两款设计相同分布。在计算,类似的筛孔尺寸是用于所有在前一节中给出的研究,以确保结果mesh-independent。

计算表明,设计1相对更高的效率和更广泛的工作范围,如图5。这是因为裹尸布部分有一个更一般的叶片负荷的分布。裹尸布边和中心端也有类似的压力提高沿子午方向,降低了流动混合损失之间的裹尸布和叶轮的中心存在。设计意图是使叶轮出口静压的均匀分布。分析还表明,设计1有更高的压力比与设计2相比,如图6。设计1显示约15%更高的压力比与设计2。这是因为在设计1退出裹尸布有一个更大的直径。出口直径的增加提高了压力比。裹尸布叶轮出口直径的增加也会增加整体流量,如两个数字所示5和6。然而,计算表明,增兵流不会改变太多。这是因为设计1有更好的流程控制,推迟了流动分离和激增。

图7显示了叶片负荷(p / p2)沿着不同的高空位置分布。叶片高空位置,设计装载1显示了一个高于设计2在叶轮出口。加载配置文件显示,这两个设计类似的子午方向加载80%以下。设计1,裹尸布设计加载超过2。图7还表明,裹尸布的静态压力接近中心的静态压力设计1。然而,加载块设计2表明,裹尸布的静态压力低于中心。结果表明,在出口处有一个更高的混合流动损失。

图8显示了叶轮和叶片的马赫数分布不同的高空位置为设计1和设计2最高效率附近水流条件。它也可以看到,在进口设计马赫数1略高于设计2。这是因为设计1有更高的质量流率在设计点。更大的进气质量流量也增加了叶片扩压器进口马赫数为设计1。可以看出,尖和上腹部,分离区(非常低马赫数区)设计设计1小于2。小区域减少分离损失和提高效率。也表明这些事件在不同的高空位置设计设计1小于2。

图9等高线图显示了熵为设计1和设计2在不同高空位置在最高效率点附近。高熵区顶端部分设计设计1小于2。然而,中跨的高熵区和中心部分的设计都很相似。可以看出,子午形状设计1提高了流的范围。这可能是主要原因的子午设计设计1改善阶段的整体性能。图10展示了这两个叶尖间隙内的熵代设计1和设计2。可以看出,熵代模式是类似的顶端部分的设计。设计1表明熵代顶端区域低于设计2。设计1可以改善叶尖间隙流和减少二次流损失。图11显示了熵代沿经向中层。可以看出,裹尸布把位置熵代最高的设计。设计1低熵代裹尸布的末端附近区域与设计2。可以看出,设计1有一些优势与设计2。

数据12(一个)和12 (b)显示了马赫数分布沿子午面设计点的设计。可以看出,马赫数分布非常相似的设计。结果表明,流场分布的设计是在一个类似的模式。这是由于流场基本上是由叶片角分布。然而,类似水平的马赫数对设计有不同程度的静态压力,如图7和数据(13日)和13 (b)由于质量流率的差异。数据(13日)和13 (b)还表明,静态压力也有类似的模式,但设计1叶轮出口压力稍高而设计2。数据12和13表明,经向中层流结构主要是由叶片角分布和中心和裹尸布轮廓形状。

图14显示了间隙敏感性分析为设计1和设计2。无量纲压缩机效率和压力比使用设计间隙(大约5.3% B2)作为分母。可以看出,压力比和压缩机效率,设计1是敏感低于设计2。分析还表明,压力比阶段效率比率更敏感。这是因为设计1裹尸布附近的小损失,如图9。

4所示。结论

这项研究提供了一个重要的研究经离心叶轮设计的特点。可用很少的信息,提供见解的重要性压缩机子午面在进口和出口的叶轮在公开文献。这项研究表明,适当的设计的进口和出口子午面可以提高压缩机的整体效率,也可以减少叶尖间隙的敏感性。本研究进一步表明,进口和出口的子午面与设计1类似可以提高裹尸布附近的流场和提高整体叶轮效率。这项研究还表明,在不改变其他组件的压缩机阶段,叶轮子午形状的优化可以提高压气机级效率和压力比。本研究也为压缩机制造商提供了升级的可能性做出轻微改变叶轮进口和出口的形状从旧的设计来提高压缩机的性能。最后,这项研究表明,叶轮的设计不仅需要优化桨叶角分布,但还需要优化子午面。

命名法

:	扩散器的叶轮出口宽度
:	湍流动能
:	间隙
:	总速度
:	旋转方向的速度分量
:	叶轮出口直径
RMR:
:	旋转的速度
:	相对速度
:	叶轮直径
:	熵
:	叶片高度
:
:	点数量
:	距离沿子午曲线或无量纲子午曲线长度
:	质量流量
:	绝对在叶轮出口马赫数
:	在叶轮进口相对马赫数
:	在叶轮出口相对马赫数的主要区域
:	转速
:	控制点
:	扩散器前缘球场
:	压力比在飙升
:	压力比在设计点
:	体积度量流
:
:
:	参数
:	圆周速度
:	相对速度
:	坐标
:	叶片和叶轮叶片的数量。

下标

1:	叶轮入口
2:	叶轮出口
3:	扩压器进口
:	瓶颈
:	增加点
:	操作点
:	多变
:	径向方向。

希腊

:	从径向叶片角
:	流量系数基于压缩机入口条件
:	效率
:	可靠性(=)
:	湍流涡耗散
:	多变的头系数。

引用

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