某工业轴流压缩机进气蜗壳数值研究

秦华魂

（北重阿尔斯通电气装备有限公司，北京 100040）

0 引 言

进气蜗壳是工业用轴流压缩机的重要组成结构。正是由于径向蜗壳的形式，使得工业压缩机的占地空间更小，在厂房布置上，具有很大的优势。工业压缩机的进气蜗壳实现了压缩机进气的径向至轴向的转换，但同时也带来一些不利影响，当进行进气蜗壳设计时过多考虑部套布置及空间结构时，会使蜗壳不在最佳的气动性能下工作，径向进气会使压缩机进口流场发生畸变，使进口的速度、压力气流角等在周向上有很大的不均匀度，从而影响压缩机运行状况及性能曲线［1］。

本文以某工业轴流压缩机的进气蜗壳为研究对象，通过改变其进口形状和增加导流肋板以使进气蜗壳内流场变得均匀。为验证所改型设计的实际影响，进行相应的数值计算，以分析其内部流动特性，验证改型后的压缩机进气蜗壳的气动性能。

1 计算模型及数值方法

本文的数值研究对象为某工业轴流压缩机的进气蜗壳，图1 所示为该进气蜗壳结构的二维回转截面及三维实体造型。本文计算模型将进气蜗壳原始的圆形进口段改为矩形进口段，并在进口位置增加导流肋板。

网格划分采用ICEM 进行，由于进气蜗壳结构比较规整，采用结构化网格进行划分，并在蜗壳壁面位置进行加密，网格具有很好的正交性。

数值计算采用CFX 软件，其中湍流模型为标准的kε 模型，壁面为无滑移的绝热固壁。监测进出口位置的质量流量，当进出口质量流量相差小于0.1%时，确认计算收敛。

2 结果与分析

2.1 性能指标分析

进气蜗壳的设计需尽可能满足压缩机进口的流场均匀性，并确保蜗壳压力损失最小。因此，衡量进气蜗壳气动性能的主要指标包括蜗壳的总压力损失和速度不均匀度，总压力损失和速度不均匀度越小，进气蜗壳的气动性能越好［2-4］。

总压力损失定义为

式中，Pin为蜗壳部分的进口总压力；Pout为蜗壳部分的出口总压力。

速度不均匀度定义为

图1 进气蜗壳的二维回转截面及三维实体模型

式中，vi为截面上计算单元的轴向参数，为截面上的设计平均参数。

根据轴流压缩机的实际运行状态来给定数值模拟的边界条件，经数值计算，得到如表1 所示的性能指标计算结果。进气蜗壳的总压力损失为2.5%，压缩机进口的速度不均匀度为6.93%。通过与工业用轴流压缩机的使用标准对比，发现本文所进行的针对进气蜗壳的改型设计所带来的气动性能影响更佳。这是因为进口位置所增加的导流肋板使得进口的气流更加均匀。

表1 进气蜗壳性能指标评价

图2 进气蜗壳整体流线分布

2.2 内部流场分析

图2 所示为进气蜗壳的总体流线分布情况。从图中可以看出，尽管在距进口较远的蜗壳内部有对称漩涡产生，但范围很小，主要集中于导流肋板缺口的附近，这是由于增加导流肋板所引起的蜗壳内漩涡尺寸减小。

3 结 论

本文针对某工业轴流压缩机的进气蜗壳进行了改型设计，并进行了数值试验分析，验证了所进行的改型设计能够改善进气蜗壳内的流场分布情况，其总压损失和速度不均匀度均较低，满足工业生产需求。

［1］ 刘希贤.工业性燃气轮机进排气系统设计若干问题综述［R］.航空部四院，1983.

［2］ 周兵，陈乃祥.双蜗壳内部定常湍流数值研究［J］.青岛大学学报，2004，19（2）：12.

［3］ 吴克启，黄坚.风机蜗壳内部旋涡流动的数值分析［J］.工程热物理学报，2001，22（3）：316-319.

［4］ 曹树良，许国，吴玉林.水轮机蜗壳和固定导叶内部三维紊流流场数值研究［J］.工程热物理学报，1998，19（5）：586-589.