离心压缩机固定元件改型的扩稳研究

摘要

离心压缩机是一种典型的能量转换装置，其主要的工作原理是气流经过叶轮流道，在高速旋转的叶轮带动下，获得从原动机的机械能转化为而来的动能和压力能。离心压缩机中的扩压器、回流器等固定元件，对提高离心压缩机整级的性能、拓宽稳定运行的工况范围发挥着举足轻重的作用。固定元件因为受到上游叶轮对流动带来的影响以及本身叶片结构对内部流动的约束，其内部流动十分复杂，因此探索固定元件内部的流动机理对合理设计和优化结构具有很大的指导意义。本文针对沈阳鼓风机厂提供的LB56150 KY108离心压缩机模型级的固定元件（扩压器和回流器），借助旋转机械流动数值分析专用软件NUMECA，进行内部流场分析和结构的优化，扩大原模型级的稳定工况，提高压缩机的整级性能。
　　扩压器改型的第一部分主要分析了叶片扩压器与叶轮的径向间隙（无叶扩压段长度）对离心压缩机性能的影响。在扩压器入口半径与叶轮出口半径比R3/R2=1.06～1.20的范围内对六个不同无叶扩压段长度的模型进行数值模拟，得出的结论是:在原模型的基础上无叶扩压段的长度逐渐增大，减少了叶轮出口近轮盖处的不稳定流动分离涡，优化了扩压器入口处的气流角分布均匀性，从而改善了叶轮，扩压器以及压缩机整级的性能。但是无叶扩压段长度过大(R3/R2≥1.20)会造成严重的流动损失，使压缩机整级的性能大幅下降。
　　扩压器改型的第二部分分析了叶片扩压器的不同收缩方式对离心压缩机性能的影响。本文研究了沿轮毂、轮盖、轮毂+轮盖三种方式的扩压器宽度收缩对离心压缩机性能的影响，三种方式收缩的比例保持一致。发现叶片扩压器宽度收缩能拓宽离心压缩机的稳定运行工况，大幅提高小流量工况下压缩机的多变效率和压比，其中仅沿轮盖收缩处的方式扩稳与提高性能的效果最优。扩压器宽度收缩优化了叶片扩压器进出口的气流角及径向周向速度的分布，减小了扩压器内的流动分离涡。
　　在离心压缩机的回流器叶片结构的研究中，对不同回流器入口安装角的离心压缩机级性能进行了数值模拟，并利用能量梯度理论对不同入口安装角下的回流器内部的流动状况进行分析，得到每一种模型的能量梯度函数K的分布。结果表明，回流器最容易发生失稳的位置在回流器叶片的尾部及出口位置。在设计工况下，回流器入口安装角在37°附近时多变效率和压比最高。

目录

声明

摘要

主要符号说明

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究基础及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究进展

1．2．2 国内研究进展

1．3 软件的选取与简介

1．4 本文的主要工作

第二章 离心压缩机内部流动的数值方法

2．1 离心压缩机几何模型

2．2 网格划分

2．3 控制方程

2．4 湍流模型及边界条件

2．4．1 湍流模型

2．4．2 边界条件

2．5 数值方法验证

2．6 本章小结

第三章 无叶扩压段长度的影响研究

3．1 引言

3．2 无叶扩压段介绍

3．3 结果分析

3．3．1 级性能分析

3．3．2 叶轮流场分析

3．3．3 扩压器流场分析

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 叶片扩压器不同的收缩方式

4．3 结果分析

4．3．1 级性能对比

4．3．2 小流量工况点流场分析

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 能量梯度理论简介

5．2．1 能量梯度理论的发展

5．2．2 能量梯度理论K值计算

5．3 研究对象介绍

5．4 结果分析

5．4．1 级性能对比

5．4．2 不同流量下回流器内部的稳定性分析

5．4．3 不同入口安装角回流器内部稳定性分析

5．5 本章小结

第六章 总结及展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间研究成果

致谢