离心压气机蜗壳对叶轮内部非定常流场的影响

摘要

蜗壳的周向非对称性影响会向上游部件传递,不仅会影响扩压器中的流动,而且会导致叶轮流场在圆周方向表现出非对称性,造成叶轮各流道性能,叶轮各叶片受力的差异,影响叶轮的稳定运行.本文采用非定常数值模拟的方法,研究了在蜗壳影响下,不同工况叶轮内部非定常流场的变化.通过对三个工况(近失速工况,设计工况和大流量工况)下,叶片中间叶高处,不同子午弦长测点处载荷和压力面及吸力面压力的非定常变化的研究表明,同一工况下,不同测点处载荷的分布呈相似的趋势,但存在较小的相位差.通过应用基于声波的斯特劳哈尔数(Sr)来定量分析压力波的传播与叶轮旋转的关系表明,这一相位差是由于叶轮叶片本身的弯曲造成的,而非蜗壳的影响向上游传递过程中造成的相位滞后.设计流量和大流量下,载荷和压力的周向分布仍呈相似的趋势:当叶轮叶片旋转至位于蜗舌上游-120°至-20°的区域时,叶片压力面和吸力面各测点处压力均较大,即在此区域内,叶轮内流场压力受蜗壳影响较小,通道性能较好.近失速流量下,在位于蜗舌附近且下游-20°至60°的区域,叶轮叶片压力面和吸力面压力保持较好,此时通道性能较好且相对稳定.叶片压力面和吸力面压力,在位于蜗舌下游60°至120°的区域内,呈下降趋势,波动较为剧烈,是造成近失速工况下,此区域内通道性能变化剧烈的原因.对叶轮叶片各测点载荷及压力的非定常变化进行傅立叶变换获得的相应频谱表明,在非定常载荷和压力波形中包含的主要成分为频率为蜗壳通过频率(fvt)和扩压器叶片通过频率(fdv)的谐波.近失速流量下载荷和压力中包含的频率为fvt的谐波幅值均最大,为设计流量下的3至6倍.对于载荷,近失速流量下,频率为fvt的谐波幅值在叶片前缘10％处最大,中间弦长10％至70％,频率为fvt的谐波幅值基本保持恒定,而其他两个工况下,频率为fvt的谐波幅值随测点位置变化极小.对于压力面和吸力面压力,频率为fvt的谐波幅值随测点位置接近叶片前缘而减小.设计流量下,叶片前缘处频率为fvt的谐波幅值极小,说明其受蜗壳影响极小,但随着流量偏离设计工况,该处此谐波幅值增加,说明蜗壳影响向上游传递的能力增加.