射流对扩压器流场稳定性的影响

韩 磊， 赵 惠， 张家忠

（1.沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁 沈阳 110869；2.西安交通大学，陕西 西安 710048）

射流对扩压器流场稳定性的影响

韩 磊1， 赵 惠1， 张家忠2

（1.沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁 沈阳 110869；2.西安交通大学，陕西 西安 710048）

在设计工况下叶片扩压器有利于提高离心压缩机级效率和压比。然而叶片扩压器稳定运行工况范围狭窄，超出该工况范围叶片扩压器产生的冲击作用会降低离心压缩机性能。因此在某些化工过程中，离心压缩机在压缩过程中获得外部注入的射流。在扩压器叶片上开孔，合理利用射流，能优化叶片扩压器中流场结构，扩大其工况范围。

射流；扩压器；稳定性

0 引言

离心压缩机单元级主要由转子叶轮和扩压器组成[1]。能量由转子叶片传递给被压缩流体介质，流体静压上升，速度增加。经过转子后输入的能量30%（后弯式）到50%（径向式）转换为介质的动能，这些动能将由无叶扩压器或者有叶扩压器转化为静压能。

1 参数设定

图1 离心压缩机基本结构Fig.1 The general structure of a centrifugal compressor

离心压缩机单元级，如图1所示。扩压器热力学参数：进口压力116287Pa，温度309.221K，速度95m/s；出口 压 力 115730Pa， 温 度309.219K，速度71m/s，静压112958Pa。某叶片扩压器模型扩压器几何参数见表1。

2 分析方法

表1 某叶片扩压器参数Tab.1 Parameters of a vane diffuser

首先利用AutoCAD2010建立扩压器几何模型，导入COMSOL中做进一步处理。扩压器模型如图2所示，241为入口，法向流入速度为95m/s；242为出口，压力112958Pa，粘滞应力为零；1、2为周期性边界条件；其余翼型部分为壁面无滑移条件。

网格划分用COMSOL自带 “标准化网格划分”。然后对叶片扩压器进行九次正交试验，通过在叶片吸力面合理位置开孔向扩压器内注入射流，起到改善流场、延缓分离点的作用。未加入射流时扩压器叶片流线如图3所示。定义分离点相对位置系数c：

c反映出扩压器叶片分离点在叶片上的相对位置，其取值范围是0～1。若在翼尖附近发生分离，则分离点靠近翼尖位置，流体分离早，c接近0；若在远离翼尖附近发生分离，则分离点靠近翼尖位置，流体分离晚，c较大。严格意义上说c值不会等于0或1，也不会很接近1。

图2 COMSOL中扩压器模型及边界示意图Fig.2 Vane diffuser model and boundary sketch map in COMSOL

无射流作用时，由图中坐标可得出翼尖横坐标为847.5，尾部尖端横坐标为871，分离点横坐标为848，定义无射流作用时分离点系数为c0，则：

图3 基础工况下扩压器叶片流场图Fig.3 The flow field diagram of vane diffuser on the basic condition

对表3结果进行初步分析后可以看出：①延缓分离最彻底的是试验3，c3=0.255；②拥有较好延缓分离结果的是试验4，c4=0.191。虽然试验7中得到的结果比试验4的要大，但由于试验7已具有明显的堵塞工况雏形，故舍去不计；③拥有一般延缓分离结果的是试验2，是c2= 0.174；④延缓分离最不明显的是试验1，c1=0.064，c1仅是c0的3倍；⑤没有产生延缓分离效果是试验5，c5=c0= 0.021。结合正交试验表，进一步进行极差分析后得到各水平K值和R值表格（见表4）。

表3 各试验分离点系数结果表Tab.3 The results of each test separation point coefficient

毋庸置疑的是[2]，射流角度过大会导致扩压器发生喘振工况[3]，因此对延迟分离点影响最重要的因素是射流角度，再次是孔口宽度，其次是射流速度，最后是孔口位置。

表4 极差分析结果表Tab.4 Range analysis results table

按以上分析结果，射流角度1（15°），射流速度3（150m/ s），孔口位置系数3（0.1），孔口宽度系数3（0.125）是最优值。按最优值工况设定验证试验以检验其结果。

最优值工况下得到的扩压器叶片流线如图4所示。由图中坐标可得出翼尖横坐标为847.5，尾部尖端横坐标为871，分离点横坐标为853.5，定义无射流作用时分离点系数为c最优，则：

检验结果：最优值工况下得到的分离点系数与试验3中得到的系数相等，取得最大值，正交试验结果得到证实。

图4 最优值工况扩压器叶片流场图Fig.4 The flow field diagram of vane diffuser on the optimum condition

3 结束语

在设计工况下叶片扩压器有利于提高离心压缩机级效率和压比。然而叶片扩压器稳定运行工况范围狭窄，超出该工况范围叶片扩压器产生的冲击作用会降低离心压缩机性能。因此在某些化工过程中[4]，离心压缩机在压缩过程中获得外部注入的射流。在扩压器叶片上开孔，合理利用射流，能优化叶片扩压器中流场结构，扩大其工况范围。

[1]徐忠．离心压缩机原理[M]．机械工业出版社，1990．

[2]Synthetic Jet Actuators[J].AIAA paper,1998.

[3]Smith B L,Glezer A.Vectoring and Small-Scale Motions Effected in Free Shear Flows Using Synthetic Jet Actuators[J].AIAA paper,1997.

[4]方开泰，马长兴．正交与均匀试验设计[M]．科学出版社，2001．

The Effect on the Stability of Fluidics to the Diffuser

HAN Lei1，ZHAO Hui1，ZHANG Jia-Zhong2
（1.Shenyang Blower Works Group Co.,Ltd.,Shenyang Liaoning 110869,China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an Shaanxi 710048,China）

Vaned diffuser is helpful to improve centrifugal compressor efficiency and compression ratio at the design condition,but stationary operation range is narrow when beyond the scope of the condition of the effects of the shock vaned diffuser will reduce the performance of centrifugal compressor.So in some chemical process,centrifugal compressor in the compression process has to inject airstrem from external.Tapping on the diffuser vane and reasonable use of airstrem can optimize the vaned diffuser flow field structure,expand the scope of its working conditions.

fluidics；diffuser；stability

TP273

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.027

1002－6673（2014）03－068－02

2014－04－03

韩磊（1981-），男，硕士研究生，总工程师。从事压缩机设计及开发工作；赵惠（1980-），女，硕士研究生，沈阳鼓风机集团主任科员。