2024年8月16日发(作者:龚小凝)
14 FLUID MACHINERY Vo1.42,No.3,2014
文章编号:1005—0329(2014)03—0014—05
Z305压气机内部流场数值分析及扩压器结构优化
李成,杜礼明,王尕平,王澄宇,王焱
(大连交通大学,玉柴大连涡轮增压技术研发中心,辽宁大连 1 16028)
摘要:为分析叶轮和扩压器耦合作用下的压气机内部流场,在级环境下对Z305增压器离心匿气机进行了数值研究,
结果表明该压气机的工作范围较狭窄和整级效率较低的原因在于叶轮出口段到扩压器进口处都存在较大的涡流区。通
过减少扩压器叶片数和缩短叶片尾缘的长度,改善了叶轮和扩压器的耦合关系,使得压气机工作范围和在多工况下的效
率和压比等性能参数都明显提高。
关键词:离心式压气机;叶轮;扩压器;内部流场
中图分类号:TH45 文献标志码: A doi:10.3969/j.issn.1005—0329.2014.03.004
Numerical Analysis of Internal Flow Field of Z305 Centrifugal Compressor and
Structural Optimization of Diffuser
LI Cheng,DU Li—ming,WANG Ga-ping,WANG Cheng・yu,WANG Yan
(Dalian Jiaotong University,Yuchai Dalian turboeharger technology R&D center,Dalian 1 16028,China)
Abstract: Numerical analysis of the internal flow field of Z305 centrifugal compressor in mnhistage environment was carried
out.The results indicate that narrow working rang and low eficifency of the compressor contirbutes to the eddy between outlet of
the impeller and inlet of the diffuser.The coupling relationship between the impeller and diffuser was improved by reducing vane
number of the diffuser and shortening the length of the blade trailing edge.The optimal results show that the stable working range
of the compressor was broadened and working eficiency and pressure ratifo in multistage environment were increased signiifcantly.
Key words: centifrugal compressor;impeller;difuser;internal flow field
l前言
气机,必须高效回收这些动能。而扩压器可以通
过气流道面积增大或者通过平均流道半径的变
离心压气机内部流动是复杂的三维湍流流
化,使得动能按照角动量守恒原则作角速度恢复
以减小平均速度,并因此使静压增大,但可能会引
起压气机内流动分离或者出现失速现象 。
叶轮与扩压器的耦合作用直接影响整机的效
率。较好的叶轮与扩压器匹配可以使叶轮和扩压
器的内部流场较为顺畅。传统的离心压气机设计
动,由于受叶轮旋转和表面曲率的影响还伴有脱
流、回流及二次流现象,从而使得压气机内部流动
十分复杂¨ 。叶轮是压气机的最重要元件之一,
通过叶轮把机械功转变为气流的位能与动能 J。
扩压器进口条件和叶轮出口条件的改善是改进离
心压气机性能的关键,与叶轮中的压力增加不同,
在扩压器中通过气流的扩散流动以降低气流速度
和升高静压 。
离心叶轮的气流动能较大,设计高性能的压
收稿日期:2013—04—28修稿日期:2013—12—04
基金项目:国家自然科学基金资助项目(11202043)
方法是依赖经验对产品进行反复的设计和试验,
这种方法在设计过程中会造成时间和资金的浪
费,并且无法预料和控制开发投入及开发结果。
18 FLUID MACHINERY Vo1.42,No.3,2014
[4] 汤华.离心压气机流场分析与扩压器设计[D].北
5结论
京:中国科学院研究生院,2005.
[5] 刘瑞韬,徐忠.离心叶轮机械内部流动的研究进展
(1)所建立的仿真计算模型能正确模拟离心
[J].力学进展,2003,33(4):518-532.
[6] 闻苏平,张楚华,李景银.旋转叶轮和叶片扩压器耦
合的非定常流动计算[J].西安交通大学学报,
2004,37(7):754-757.
压气机多工况运行,表明,所采用的计算方法是可
靠的;
(2)对原型压气机级环境的模拟表明,叶轮
[7]朱智富.车用涡轮增压器离心压气机喘振机理及预
测研究[D].北京:北京理工大学,2008.
出口到扩压器进口段轮盖侧存在的涡流区,严重
干扰了扩压器气流的正常流动,致使扩压器内效
[8]龚义朝,杜礼明,王澄宇,等.离心压气机机匣处理
率下降过快;
多工况性能预测与分析[J].流体机械,2013,41
(3)扩压器的结构优化(减少扩压器4个叶
(2):55-59.
片,缩短叶片尾缘的长度),不但可以改善涡流区
[9]冀春俊,李晓庆,余道刚.增压器压气机流动分析与
对叶轮和扩压器内部流场的影响,而且可以使扩
全工况优化[J].流体机械,2012,40(1):30,35-39.
压器尾部的低速区明显改善,从而提高了整级的
[10]付磊,曾皴林,唐克伦,等.管壳式换热器壳程流体
效率和压比等参数。
流动与传热数值模拟[J].压力容器,2012,29(5):
39 .
[11]谷吉海,赵海玉,迟广志,等.基于LabVIEW的烟
参考文献
支圆周检测系统软件设计[J].包装与食品机械,
rl
rL
1J 1J
2011,(10):56-59,71.
徐忠.离心式压缩机原理[M].北京:机械工业出版
[12] 林建生,谭旭光.燃气轮机与涡轮增压内燃机原理
社.1990.
与应用[M].天津:天津大学出版社,2005.
[2]
朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].兵器工业第
七。研究所,1997.7.
作者简介:李成(1988一),男,硕士研究生,主要研究方向为
[3] Denton Loss J D.Mechanisms in turbo machines[J].
计算流体动力学,通讯地址:116028辽宁大连市黄河路792号
ASME.Journal of Turbo Machinery.VoIll5.No.1
395信箱。
(上接第l3页)
[9]谷吉海,赵海玉,迟广志,等.基于LabVIEW的烟支
吴双应,辛明道.油在加扭带的三维肋管内的流动
圆周检测系统软件设计[J].包装与食品机械, 阻力和传热性能[J].工程热物理学报,1996,17:
0211,29(5):56-59.
131.134.
[1O] 廖强,辛明道.三维内肋管内乙二醇在层流和过渡
吴伟栋,王厚华,廖光亚,等.空气横掠叉排三维外
流区对流换热的实验研究[J].重庆大学学报,
肋管束换热及流阻特性的实验研究[J].重庆建筑
1995,18(1):66-71
大学学报,2002,24(3):53-57.
[11] 廖强,辛明道.紊流区内不同物性的工质在三维内
杨冬,陈听宽,罗毓珊,等.油为工质时的螺旋槽管
肋管内的对流换热实验[J].重庆大学学报,1993, 强化传热性能评价研究[J].化学工程,2000,28
16(3):7-12. (3):25-27.
[12]Li oLngjian,Cui Wenzhi,Liao Quan,et a1.Heat trans—
Webb R L.Performance evaluation criteria for use of
fer augmentation in 3D intemally finned and mi— enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger de—
eroifnned helical tube[J].International Journal of
sign[J].International Journal of Heat and Mass
Heat and Mass Transfe,2005,48:1916—1925.
Transfer,1981,24(4):715-726.
[13]德军,辛明道.乙醇三维内微肋热管的传热性能
[J].重庆大学学报,2003,26(4):115-117.
作者简介:张川(1974一),男,博士,在站博士后,讲师,主要
[14]吴金星,王海峰,王保东.管内强化传热结构及其
研究方向为传热传质学,通讯地址:河南郑州市华北水利水电大
性能分析[J].节能技术,2006,24(2):150-53.
学电力学院。
rL
1j
"
2024年8月16日发(作者:龚小凝)
14 FLUID MACHINERY Vo1.42,No.3,2014
文章编号:1005—0329(2014)03—0014—05
Z305压气机内部流场数值分析及扩压器结构优化
李成,杜礼明,王尕平,王澄宇,王焱
(大连交通大学,玉柴大连涡轮增压技术研发中心,辽宁大连 1 16028)
摘要:为分析叶轮和扩压器耦合作用下的压气机内部流场,在级环境下对Z305增压器离心匿气机进行了数值研究,
结果表明该压气机的工作范围较狭窄和整级效率较低的原因在于叶轮出口段到扩压器进口处都存在较大的涡流区。通
过减少扩压器叶片数和缩短叶片尾缘的长度,改善了叶轮和扩压器的耦合关系,使得压气机工作范围和在多工况下的效
率和压比等性能参数都明显提高。
关键词:离心式压气机;叶轮;扩压器;内部流场
中图分类号:TH45 文献标志码: A doi:10.3969/j.issn.1005—0329.2014.03.004
Numerical Analysis of Internal Flow Field of Z305 Centrifugal Compressor and
Structural Optimization of Diffuser
LI Cheng,DU Li—ming,WANG Ga-ping,WANG Cheng・yu,WANG Yan
(Dalian Jiaotong University,Yuchai Dalian turboeharger technology R&D center,Dalian 1 16028,China)
Abstract: Numerical analysis of the internal flow field of Z305 centrifugal compressor in mnhistage environment was carried
out.The results indicate that narrow working rang and low eficifency of the compressor contirbutes to the eddy between outlet of
the impeller and inlet of the diffuser.The coupling relationship between the impeller and diffuser was improved by reducing vane
number of the diffuser and shortening the length of the blade trailing edge.The optimal results show that the stable working range
of the compressor was broadened and working eficiency and pressure ratifo in multistage environment were increased signiifcantly.
Key words: centifrugal compressor;impeller;difuser;internal flow field
l前言
气机,必须高效回收这些动能。而扩压器可以通
过气流道面积增大或者通过平均流道半径的变
离心压气机内部流动是复杂的三维湍流流
化,使得动能按照角动量守恒原则作角速度恢复
以减小平均速度,并因此使静压增大,但可能会引
起压气机内流动分离或者出现失速现象 。
叶轮与扩压器的耦合作用直接影响整机的效
率。较好的叶轮与扩压器匹配可以使叶轮和扩压
器的内部流场较为顺畅。传统的离心压气机设计
动,由于受叶轮旋转和表面曲率的影响还伴有脱
流、回流及二次流现象,从而使得压气机内部流动
十分复杂¨ 。叶轮是压气机的最重要元件之一,
通过叶轮把机械功转变为气流的位能与动能 J。
扩压器进口条件和叶轮出口条件的改善是改进离
心压气机性能的关键,与叶轮中的压力增加不同,
在扩压器中通过气流的扩散流动以降低气流速度
和升高静压 。
离心叶轮的气流动能较大,设计高性能的压
收稿日期:2013—04—28修稿日期:2013—12—04
基金项目:国家自然科学基金资助项目(11202043)
方法是依赖经验对产品进行反复的设计和试验,
这种方法在设计过程中会造成时间和资金的浪
费,并且无法预料和控制开发投入及开发结果。
18 FLUID MACHINERY Vo1.42,No.3,2014
[4] 汤华.离心压气机流场分析与扩压器设计[D].北
5结论
京:中国科学院研究生院,2005.
[5] 刘瑞韬,徐忠.离心叶轮机械内部流动的研究进展
(1)所建立的仿真计算模型能正确模拟离心
[J].力学进展,2003,33(4):518-532.
[6] 闻苏平,张楚华,李景银.旋转叶轮和叶片扩压器耦
合的非定常流动计算[J].西安交通大学学报,
2004,37(7):754-757.
压气机多工况运行,表明,所采用的计算方法是可
靠的;
(2)对原型压气机级环境的模拟表明,叶轮
[7]朱智富.车用涡轮增压器离心压气机喘振机理及预
测研究[D].北京:北京理工大学,2008.
出口到扩压器进口段轮盖侧存在的涡流区,严重
干扰了扩压器气流的正常流动,致使扩压器内效
[8]龚义朝,杜礼明,王澄宇,等.离心压气机机匣处理
率下降过快;
多工况性能预测与分析[J].流体机械,2013,41
(3)扩压器的结构优化(减少扩压器4个叶
(2):55-59.
片,缩短叶片尾缘的长度),不但可以改善涡流区
[9]冀春俊,李晓庆,余道刚.增压器压气机流动分析与
对叶轮和扩压器内部流场的影响,而且可以使扩
全工况优化[J].流体机械,2012,40(1):30,35-39.
压器尾部的低速区明显改善,从而提高了整级的
[10]付磊,曾皴林,唐克伦,等.管壳式换热器壳程流体
效率和压比等参数。
流动与传热数值模拟[J].压力容器,2012,29(5):
39 .
[11]谷吉海,赵海玉,迟广志,等.基于LabVIEW的烟
参考文献
支圆周检测系统软件设计[J].包装与食品机械,
rl
rL
1J 1J
2011,(10):56-59,71.
徐忠.离心式压缩机原理[M].北京:机械工业出版
[12] 林建生,谭旭光.燃气轮机与涡轮增压内燃机原理
社.1990.
与应用[M].天津:天津大学出版社,2005.
[2]
朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].兵器工业第
七。研究所,1997.7.
作者简介:李成(1988一),男,硕士研究生,主要研究方向为
[3] Denton Loss J D.Mechanisms in turbo machines[J].
计算流体动力学,通讯地址:116028辽宁大连市黄河路792号
ASME.Journal of Turbo Machinery.VoIll5.No.1
395信箱。
(上接第l3页)
[9]谷吉海,赵海玉,迟广志,等.基于LabVIEW的烟支
吴双应,辛明道.油在加扭带的三维肋管内的流动
圆周检测系统软件设计[J].包装与食品机械, 阻力和传热性能[J].工程热物理学报,1996,17:
0211,29(5):56-59.
131.134.
[1O] 廖强,辛明道.三维内肋管内乙二醇在层流和过渡
吴伟栋,王厚华,廖光亚,等.空气横掠叉排三维外
流区对流换热的实验研究[J].重庆大学学报,
肋管束换热及流阻特性的实验研究[J].重庆建筑
1995,18(1):66-71
大学学报,2002,24(3):53-57.
[11] 廖强,辛明道.紊流区内不同物性的工质在三维内
杨冬,陈听宽,罗毓珊,等.油为工质时的螺旋槽管
肋管内的对流换热实验[J].重庆大学学报,1993, 强化传热性能评价研究[J].化学工程,2000,28
16(3):7-12. (3):25-27.
[12]Li oLngjian,Cui Wenzhi,Liao Quan,et a1.Heat trans—
Webb R L.Performance evaluation criteria for use of
fer augmentation in 3D intemally finned and mi— enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger de—
eroifnned helical tube[J].International Journal of
sign[J].International Journal of Heat and Mass
Heat and Mass Transfe,2005,48:1916—1925.
Transfer,1981,24(4):715-726.
[13]德军,辛明道.乙醇三维内微肋热管的传热性能
[J].重庆大学学报,2003,26(4):115-117.
作者简介:张川(1974一),男,博士,在站博士后,讲师,主要
[14]吴金星,王海峰,王保东.管内强化传热结构及其
研究方向为传热传质学,通讯地址:河南郑州市华北水利水电大
性能分析[J].节能技术,2006,24(2):150-53.
学电力学院。
rL
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