離心壓氣機設(shè)計-第二部分

1、離心壓氣機中的損失模型離心壓氣機中的損失模型 設(shè)計葉輪機械一個重要的環(huán)節(jié)是能否在初步設(shè)計階段準確模擬葉輪機械性能。在初步設(shè)計階段，性能預測程序可以模擬尚未制造出的葉輪機械性能，進而得知性能參數(shù)是否滿足設(shè)計指標的要求。性能預測程序中損失模型是其主要組成部分，損失模型的好壞決定著性能預測計算結(jié)果是否準確。徑流式葉輪機械和軸流式葉輪機械的主要區(qū)別是徑流式葉輪機械轉(zhuǎn)子葉片進出口周向旋轉(zhuǎn)速度變化很大，因此在相同的和情況下徑流式葉輪機械相對速度變化小于軸流式葉輪機械相對速度的變化。 對于壓氣機而言，相對速度在轉(zhuǎn)子內(nèi)的變化程度小是有益的，因為正是相對速度的降低及擴壓過程導致了邊界層增長和分離，因此在和軸流式

2、壓氣機具有相同擴散因子情況下，離心壓氣機能夠比軸流壓氣機獲得更高的壓比。事實上離心壓氣機內(nèi)的壓升主要是由于離心力產(chǎn)生的，而不是依靠相對速度的降低產(chǎn)生的。 離心壓氣機內(nèi)損失特點離心壓氣機內(nèi)損失特點 根據(jù)上面的分析得出的結(jié)論，在葉輪旋轉(zhuǎn)速度和焓變相同情況下，徑流式葉輪機械相對速度的變化小于相應軸流式葉輪機械相對速度的變化。由這樣的結(jié)論我們或許推斷出徑流式葉輪機械比相應的軸流式葉輪機械的效率更高一些，而實際上徑流式葉輪機械的效率更低一些。這種矛盾主要是由于徑流式葉輪機械通道形狀比較復雜造成的，工質(zhì)在徑流式葉輪機械內(nèi)部流動時要流過90彎曲通道，其哥氏力的方向近似沿周向方向(軸流式葉輪機械哥氏力方向近似

3、沿徑向)，這就產(chǎn)生比軸流式葉輪機械中更加強烈的二次流動。 這種流動把葉片表面邊界層推向機匣區(qū)域。同樣葉片上存在的載荷把輪轂及機匣上的邊界層推向吸力面，其結(jié)果是使吸力面與輪緣角區(qū)內(nèi)堆積起高熵值流體，這就導致在葉輪出口形成了著名的“射流-尾跡”流動結(jié)構(gòu)。 離心壓氣機內(nèi)損失特點離心壓氣機內(nèi)損失特點 離心壓氣機葉片展弦比要比相應的軸流壓氣機葉片展弦比小的多，離心壓氣機的葉片展弦比可定義為平均葉片高度與葉片弦長之比。很多離心壓氣機展弦比在1/3左右，這個值遠低于絕大多數(shù)軸流壓氣機的數(shù)值，因此離心壓氣機的葉片摩擦損失高于相應軸流壓氣機的葉片摩擦損失。當比較軸流壓氣機和離心壓氣機性能時，應注意這兩者在葉片展

4、弦比上存在的差別。 如果把具有相同展弦比的徑流式葉輪機械和軸流式葉輪機械進行比較，徑流式葉輪機械的效率并不比軸流式葉輪機械低很多。 離心壓氣機內(nèi)損失特點離心壓氣機內(nèi)損失特點 離心壓氣機葉輪出口存在一小段無葉擴壓器空間。從葉輪流出的氣流形成的尾跡開始在這個空間內(nèi)摻混，如果已知葉輪出口處尾跡的大小就可使用守恒方程計算尾跡損失的大小。Cumpty(1989)對尾跡摻混損失進行了研究，結(jié)果表明摻混損失對效率的影響很小。摻混損失主要是由尾跡速度與主流速度之差產(chǎn)生的。 對于具有最優(yōu)比轉(zhuǎn)速的離心壓氣機葉輪，一般都具有較高的效率。從圖1可以看出，對于帶有誘導輪、不帶葉冠且沒有后彎角的離心壓氣機葉輪，在最優(yōu)比轉(zhuǎn)

5、速附近可以獲得93%到94%的等熵效率，當葉輪帶有后彎角時，葉輪等熵效率還可以提高2%。葉輪效率要比壓氣機級效率高一些，對于Krain葉輪，葉輪總對總效率是95%，葉輪后面加無葉擴壓器后壓氣機級效率為84%。 離心壓氣機內(nèi)損失特點離心壓氣機內(nèi)損失特點 比轉(zhuǎn)速圖圖1 離心壓氣機葉輪多變效率隨比轉(zhuǎn)速的變化離心壓氣機葉輪多變效率隨比轉(zhuǎn)速的變化離心壓氣機內(nèi)損失特點離心壓氣機內(nèi)損失特點 從上面的分析可以看出，對于離心壓氣機，盡管存在葉片槽道橫截面積較小、葉片槽道較長、葉輪出口處葉尖間隙相對于葉片高度過大、葉輪內(nèi)部有流動分離等導致?lián)p失增加的因素，但在葉輪內(nèi)部的流動損失還是很小的。我們可以把葉輪內(nèi)部較小的流

6、動損失歸結(jié)為葉輪內(nèi)部的壓升主要是由氣流所受的離心力效應決定的，離心效應是不受損失影響的。 離心壓氣機內(nèi)損失特點離心壓氣機內(nèi)損失特點 各種損失模型各種損失模型 離心壓氣機內(nèi)主要損失：葉型損失、端壁損失、泄漏損失 在很多情況下，這三種損失大小基本相當，每一種損失大約占總損失的三分之一。 葉片表面摩擦損失葉片表面摩擦損失 葉片載荷損失葉片載荷損失 葉片尾跡混合損失葉片尾跡混合損失 輪盤摩擦損失輪盤摩擦損失 有葉擴壓器內(nèi)損失有葉擴壓器內(nèi)損失 擴壓器出口損失擴壓器出口損失 泄漏損失泄漏損失 初步設(shè)計中的性能分析初步設(shè)計中的性能分析 初步設(shè)計最開始是以設(shè)計點進行的，必須要使用分析模式對非設(shè)計點的性能進行預

7、測。因此需要使用分析程序獲得壓氣機的性能。對某一個工作點而言，其計算步驟是這樣的：(1)假設(shè)葉輪入口子午速度，迭代求出葉輪入口參數(shù)。(2)假設(shè)葉輪絕熱效率和級效率。(3)假設(shè)葉輪出口子午速度，迭代求出葉輪出口參數(shù)。(4)求解葉輪出口和擴壓器之間壓力和速度分布。(5)迭代求出擴壓器出口參數(shù)。(6)求解各種損失。(7)求出葉輪絕熱效率和級效率。如果新計算的兩個效率和原有效率差沒有滿足規(guī)定誤差，則回到步驟(3)，重復步驟(3)至步驟(7)計算，直至滿足規(guī)定誤差為止，這樣就獲得一個性能點。最開始時先計算設(shè)計點壓比和效率，然后計算設(shè)計轉(zhuǎn)速下非設(shè)計流量下壓比和效率。在設(shè)計轉(zhuǎn)速下所要求的各點壓比和效率獲得后

8、，再計算非設(shè)計轉(zhuǎn)速下參數(shù)。求解壓氣機特性是已知流量和轉(zhuǎn)速，求出壓比和效率。葉輪葉片設(shè)計過程中包含一系列氣動上的選擇和避免出現(xiàn)一些問題，包括： 對葉片角在子午面上的分布進行選擇 對葉片通道內(nèi)平均相對馬赫數(shù)的分布進行選擇 設(shè)計的葉輪要滿足輪轂輪緣處所要求的氣動載荷 避免葉片槽道內(nèi)出現(xiàn)局部氣動分離，尤其要盡量避免輪緣處出現(xiàn)的氣動分離現(xiàn)象 盡量避免在葉輪出口，也就是擴壓器入口出現(xiàn)的氣流分布不均勻現(xiàn)象為了盡量避免出現(xiàn)強度上的問題，在設(shè)計中應遵循下面的原則：1 盡量使一階自振頻率高一些，這樣可避免一些低頻信號對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的影響。2 控制葉片應力的大小，尤其要使葉輪出口處應力分布在合理水平范圍內(nèi)。3 避免

9、運行過程中氣動力引起的葉輪振動現(xiàn)象。葉片設(shè)計葉片設(shè)計 葉片載荷分布形式葉片載荷分布形式 在進行葉片設(shè)計時，關(guān)鍵是如何確定載荷分布形式。在1950年代到1980年代發(fā)展起來的葉片載荷設(shè)計準則在今天離心壓氣機的設(shè)計中依然得到了廣泛地使用。常用的葉片載荷準則有葉根葉尖方向上的載荷設(shè)計準則和葉片葉片方向上的載荷設(shè)計準則。而最常用的是葉片葉片方向上的載荷系數(shù) W W其中分子為葉片吸力面和壓力面上的相對速度差，分母為吸力面和壓力面平均速度值。 已有的設(shè)計經(jīng)驗表明設(shè)計的壓氣機葉片前緣和尾緣的葉片載荷應盡可能小，以保證獲得較好的入口流動狀態(tài)和最小的葉片出口落后角。為了減小葉尖泄漏流動，可以采用輪緣載荷相對較低

10、，輪轂載荷更高一些的分布形式。葉片最大載荷區(qū)域應在50%60%葉片弦長范圍內(nèi)。也就是說葉片葉片方向上的載荷分布形式近似為拋物線分布形式(圖1)。 圖圖1 葉片葉片 葉片方向上的載荷分布形式葉片方向上的載荷分布形式葉片載荷分布形式葉片載荷分布形式 在葉片設(shè)計中還要觀察葉片局部壓強恢復系數(shù)Cp值的大小，葉片表面壓強恢復系數(shù)直接關(guān)系到葉片表面相對速度，只有當壓強恢復系數(shù)在一定的范圍內(nèi)才會使邊界層不會發(fā)生分離流動現(xiàn)象。如果是層流邊界層，那么所能承受的壓強恢復系數(shù)小于0.2，如果是湍流邊界層，那么所能承受的壓強恢復系數(shù)高達0.50.8。還要注意到，葉片旋轉(zhuǎn)和葉片曲率對邊界層穩(wěn)定性有很大影響，在一個旋轉(zhuǎn)通

11、道的吸力面上，Cp值不應大于0.5，在壓力面上，Cp值能夠達到0.7甚至更高一些。 葉片載荷分布形式葉片載荷分布形式 在進行離心壓氣機設(shè)計時，有很多幾何參數(shù)會對葉片載荷分布產(chǎn)生影響。最有效的辦法是可采用調(diào)節(jié)輪轂形狀及葉尖和葉根葉片角分布來改變?nèi)~片表面上的載荷分布方式。對這三個區(qū)域上的葉片形狀應如何進行調(diào)節(jié)，所應遵循的原則是這樣的，把葉片葉片方向上的載荷分布調(diào)整為拋物線形狀，在葉片進口和出口載荷系數(shù)盡可能為零，載荷系數(shù)的最大值最好不要大于0.7。 葉片載荷分布形式葉片載荷分布形式 葉片包絡(luò)角也影響著葉片載荷系數(shù)的分布方式和大小。最開始進行葉片形狀設(shè)計時調(diào)整葉片包絡(luò)角，葉片包絡(luò)角在3040范圍內(nèi)。

12、葉片包絡(luò)角過大，會對葉片強度帶來不利影響，并且還會導致加工難度增大。在葉片包絡(luò)角調(diào)整后，進行輪轂形狀的調(diào)整，這樣會改變?nèi)~根葉尖載荷系數(shù)分布形式及大小。在葉輪子午形狀調(diào)整的差不多后，開始葉片輪緣輪轂葉片角分布曲線的調(diào)整，在調(diào)整過程中主要實現(xiàn)兩個目的，一是使葉輪進口和出口載荷系數(shù)盡可能接近于0，二是使載荷形式近似成拋物線形式。 葉片載荷分布形式葉片載荷分布形式 葉片傾角也是葉片設(shè)計中的一個重要參數(shù)，對于進口為徑向葉片，葉片在入口傾角為0左右，對于出口為前傾的葉輪，出口前傾角通常在小于40范圍內(nèi)，葉片出口前傾會改變?nèi)~輪輪緣上的載荷分布形式，改變?nèi)~輪內(nèi)部的二次流分布形式，同時，也會增加葉輪出口葉根位置

13、上的應力值。葉片厚度分布也可以對葉片載荷產(chǎn)生影響，可以改變?nèi)~片厚度分布，從而對葉片前緣和尾緣區(qū)域的葉片載荷產(chǎn)生影響。葉片載荷分布形式葉片載荷分布形式 為了使設(shè)計的壓氣機具有一定的使用壽命，在設(shè)計中還要對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和氣動設(shè)計過程是相互關(guān)聯(lián)的。在現(xiàn)代設(shè)計系統(tǒng)中，可同時進行結(jié)構(gòu)和氣動性能計算，這樣可縮短設(shè)計時間，提高設(shè)計效率。葉片剖面的設(shè)計葉片剖面的設(shè)計使用Bezier曲線可以對葉片形狀進行描述，這種方法非常靈活。通過端點的相鄰點就可以對端點處的斜率進行控制。在一個交互性較好的系統(tǒng)上可以非常容易地確定輪緣和輪轂形狀以及葉片形狀。 葉片中線上環(huán)量葉片中線上環(huán)量rC 分布方式分析分布

14、方式分析 srCZWWdd2BpsrC沿s分布規(guī)律可以有多種形式，它可以是線性變化，也可以是非線性變化；可以是單段曲線，也可以是分段曲線。對于非線性變化，可以為二次曲線分布，也可以為三次曲線分布。 圖2至圖4 給出了三種葉片表面環(huán)量分布和相應的吸力面和壓力面上相對速度分布。 圖圖2拋物線環(huán)量分布及速度分布拋物線環(huán)量分布及速度分布圖圖3 反對稱拋物線環(huán)量分布及速度分布反對稱拋物線環(huán)量分布及速度分布 葉片中線上環(huán)量葉片中線上環(huán)量rC 分布方式分析分布方式分析 圖圖4 反對稱拋物線環(huán)量分布及速度分布反對稱拋物線環(huán)量分布及速度分布 葉片上什么樣的載荷分布合理，到目前為止還沒有統(tǒng)一的標準。圖5給出的幾種葉片表面速度分布形式。 (a)