离心叶轮出口流动分离区影响因素的数值研究

Numerical Research on Influence Factors of Flow Separationnear Centrifugal Impeller OutletLI Xuechen，XI Guang(School of Energy and Power Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China)Abstract： The flow behavior near the centrifugal impeller outlet determines the impelleraerodynamic performance significantly and also influences the performance of the downstreamcomponents.The three factors affecting the impeller outlet flow separation were numericallyinvestigated. For the shrouded centrifugal impeller， the impeller diffusion ratio has greatinfluence on its outlet flow behavior；there is a large separation zone near the impeller outlet atthe design flow rate when the centrifugal impeller inlet/outlet relative velocity ratio is above 2.0，which agrees with the conventional impeller design theories. For the unshrouded centrifugalimpeller，there always exists a separation zone near the impeller outlet at the design flow ratewhen the inlet/outlet relative velocity ratio is high or low.The tip clearance has a significantinfluence on the scale of the impeller outlet flow separation zone.For the impeller studied here，the smaller tip clearance does not correspond to the smaller separation zone，and the separationzone iS smallest when the tip clearance equals 7.5 of impeller outlet width. In addition，increasing the diffuser pinch angle is effective in controlling the impeller outlet flow separation，but an excessive pinch angle can enlarge the recirculation flow zone near the impeller tipclearance，which will lower the aerodynamic performance of the entire compressor stage。

Keywords： centrifugal impeller exit；flow separation；diffusion ratio；pinch angle收稿 日期：2013-01 06。 作者简介：李学臣 (1981-)，男，博士生；席光(通信作者)，男，教授 ，博士生导师。 基金项 目：国家 f然科学基金资助项 目(50976085)。

网络出版时间：2013 07-16 网络出版地址：http：∥/kcms/detail/61.1069.T.20130716.1822.005.html第 9期 李学臣，等：离心叶轮出口流动分离区影响因素的数值研究离心叶轮出口的流动状态不仅决定着叶轮自身性能的优劣，还会极大地影响着叶轮下游部件的气动性能，因此长期以来-直受到研究者的关注 。

Dean等人首先提出了离心叶轮出 口流动的射流-尾迹”模 型理论L1]，随后 Eckardt使用热线测 速系统通过对-台高转速离心式压缩机叶轮下游流场的详细测量，验证了 Dean的模型理论2]。Inoue等人发现，当扩压器叶片距离叶轮较近且流量不大时，气流会倒流入 叶轮3]。Rohne等人发现 ，与径 向叶轮相比后弯叶轮出口的速度场更为均匀[4]。Pinar-basi使用热线测速仪对楔形叶片扩压器内的 8个不同截面的速度测量时发现 ，虽然闭式离心叶轮的出口气 流不 均匀 ，呈现出典 型的射流-尾迹特征 ，但并未出现流动分离5]。Kang等人利用粒子成像测速系统测量时发现 ，某-离心压气机在小流量工况 ，无叶扩压器中近盘侧出现了局部回流，认为正是这种回流的累积引起了压气机的旋转失速，通过减小无叶扩压器的宽度实现 了回流区域的有效控制 ]。

席光等人采用三孔和五孔探针对-闭式离心叶轮出口和无叶扩压器 内部流厨行测量时发现，即使是高效三元叶轮，其出口流场仍然不均匀7]。刘小 民等人采用三孔探针沿轴 向对叶片扩压器跨盘-盖侧流场测量时发现 ，小流量工况下 ，叶片扩压器进口截面近轮盖侧 出现了较 明显的倒流8]。楚武利等人采用热线风速仪对-半开式离心叶轮出口测量时发现，流量减小到某-个值时，轮盘侧出现了明显的倒流现象g]。李学臣等人的实验研究发现[101]，即使在设计流量工况下，半开式离心叶轮出口近轮盖侧也会存在-个较大的流动分离区，这种流动分离区的出现，-方面增大 了叶轮的流动损失 ，增加了叶轮下游扩压器部件优化设计的困难，另-方面当叶轮出口存在较大的流动分离区时，叶轮及扩压器气动性能的测量精确及评价会受到影响。因此 ，研究影响离心叶轮出口区域流动分离的关键因素，实现对其 有效控制 ，对提高离心压气机 的气动性能意义重大。

本文从 实际需要 出发，通过-个改造的大尺度离心压缩机实验台，研究了引起离心叶轮出口区域出现流动分离的关键因素，并设计出叶轮出口区域不出现较大尺度流动分离的实验叶轮。

1 物理模型及数值方法本文压气机是-台单级离心式压气机，主要包括进口可调导叶、离心叶轮和叶片扩压器等，几何参数见表 1。

表 1 离心压气机级的主要几何参数数值计算采用 NUMECA软件和时间推进法，通过求解雷诺时均 Navier-Stokes(RANS)方程模拟实验离心压气机流道中的定常三维黏性流动。湍流计算采用 Spalart-Almaras模型，计算中涉及到二阶中心差分格式 、四阶 Runge-Kutta方法、二阶和四阶人工耗散和 w循环多重网格技术，结合了当地时间步长和隐式残差光顺等方法，以加速计算收敛。

本文所有算例均采用相同的计算区域和网格尺度，计算区域选取了进口导叶的-个流道、离心叶轮的主叶片流道和-个分流叶片流道 ，以及叶片扩压器的-个流道 。网格总数约为 192万 ，其 中离心叶轮的网格总数约为 120万 。

2 离心叶轮出口流动分离的影响因素2.1 叶轮扩压度对叶轮 出口流动分离的影响- 般认为 ，叶轮进 口与出 口的相对速度 比 W /W2<2，W1/w2的取值范围为 l6～1.81 2]。为了考察扩压度对离心叶轮 出口流动分离 的影响 ，本文利用文献[13]中的方法和子午型线分别设计了ROA、R20A和 R1A 3种 叶轮，W /w2分别为 1.17、168和 2.04。

图1为采用 R0A、R20A和 R1A型线的闭式叶轮和半开式叶轮级的多变效率 曲线，半开式叶轮 的叶顶间隙为 2 mm，均匀分布。从 图 1可以看 出，对于扩压度较小的 ROA和 R20A闭式叶轮 ，在设计工况点附近的整级效 率 比半开式 叶轮高近 4 ，而扩压度较大的 R1A闭式叶轮的级效率与半开式叶轮相当。

图 2为设计工况下 3种型线闭式叶轮级的子午平均速度流线分布。图 3为设计工况下 3种型线闭式叶轮出口在半径 R-0.43 I1截面处的相对速度径向分量分布，图中b为宽度坐标，B为叶轮出口宽度，b/B0表示轮盘侧，b/B1.0表示轮盖侧。从图2和图 3中可以看出，在设计工况下，扩压度较小的 R0A和 R20A闭式叶轮出口处均未出现流动分httpl∥ http：//zkxb.xjtu.edu.cn西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷叶轮出口流动分离区最校文献[14]尧现，半开式叶轮的叶顶间隙并不是越小越好，而是存在-个最佳的叶顶间隙使得流动损失最校本文研究发现，增大叶顶间隙，叶轮级的多变效率和总压 比均有所降低，见图 1O。这可能是，对于本文的 R20A型线叶轮 ，当叶顶间隙增大时，叶顶间隙区附近的叶尖回流区加大 ，从而增大了流动损失的缘故 。

O- 0。柏 i oOO0 5 l0 15 2O 25ts/%图 9 L 与 t。的关系Q /kg.s-(a)多变效率(b)总 压 比图 1O 不同叶顶间隙下的气动性能曲线2.3 扩压器进口收敛角对叶轮出口流动分离的影响文献[15]研究了叶轮叶片载荷和叶轮子午型线对叶轮出口区域流动分离的影响，提出了减小叶轮出口区近轮盖侧的叶片载荷可以有效抑制叶轮出口区流动分离的方法，但该方法并不能将流动分离完全消除。本文采用的 RBOA叶轮就是文献[15]优化了的叶轮。

由于扩压器进 口的几何结构对 叶轮出口流动也会产生较大的影响，所 以本文还研究 了扩压器进 口收敛角对叶轮出 口流动分离的影响。

扩压器进 口收敛角定义为在叶轮出口至叶片扩压器进 口区域 ，轮盖 向流道 内侧的倾斜角 a(见 图11)。以 R20A型线半开式叶轮(叶顶 间隙为 2 mm的均匀间隙)的离心压气机为对象 ，研究了 a分别为0.0。、2.5。、5. 0。、7.5。、10. 0。的 5个算例。图 12为不同 a时叶轮级的气动性能。

叶片扩压器叶轮 出u轮盖轮盘图 11 扩压器进 口收敛角示意从 图 12可以看 出，随着 a的增大 ，叶轮级的性能曲线逐渐向小流量方 向平移 。这主要是 ，增 大 a会减小扩压器的宽度 ，从而减小了扩压器 的通流面积，使 得 叶轮 级 的阻 塞流 量减 小 ，迫 使性 能 曲线左移 。

Q /kg·(a)多变效率(b)总压 比图12 不同a时叶轮级的气动性能http：//WWW.jdxb.CD.http：/zkxb.xjtu.edu.cD。

22 西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷E53 PINARBASI A.Experimental hot-wire measurementsin a centrifugal compressor with vaned diffuser[J]。

International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29(5)：1512-1526。

E6] KANG K J，SHIN Y H，KIM K H.Effect of diffusercontraction for a centrifugal compressor[C]∥ Pro-eeedings of the ASME 2010 3rd Joint US-EuropeanFluids Engineering Summer M eeting and 8th Interna-tional Conference on Nanochannels， Microchannels，and Minichannels.New York，USA：ASME，2010：3O944。

[7] 席光，王尚锦，袁民建，等.离心式叶轮出口及其无叶扩压器内部流场的实验研究 I-J].工程热物理学报，1992，13(2)：996。

Experimental research for the discharge flow of a cen-trifugal impeller and the flowfield in the vaneless dif～user[j].j ournal of Engineering Thermodynamics，1992，13(2)：91-96。

[8] 刘小民，席光，王尚锦，等.叶片扩压器内跨盘-盖流场的实验研究 [J].流体机械，i997，26(1)：6-10。

LIU Xiaomin，XI Guang，WANG Shangjin，et a1.Ex-perimental research for the flowfield in the vaned dif-user I-J].Journal of Fluid Machinery，1997，26(1)：6-l0。

[9] 楚武利，刘志伟.间隙泄漏对半开式离心叶轮性能影响的实验研究与分析 [J].推进技术，1996，20(3)：69-72。

CHU Wu1i，LIU Zhiwei.Experiment study on effectof tip clearance on centrifugal impeller performance[J].Journal of Propulsion Technology，1996，20(3)：69-72。

[10]LI Xuechen，XI Guang，JfANG Hua，et a1.Investiga-tion of the wake effect from the centrifugal splitter im-peller blade to the vaned diffuser[c]//Proceedings ofASME Turbo Expo.New York，USA：ASME，2012：68927。

[11]LI Xuechen，XI Guang，JIANG Hua，et a1.Compari-son of two unsteady CFD methods applied to a 1.5stage centrifugal compressor： nonlinear harmonicmethod and the domain scaling method Ec]Proceed-ings of the Asia Joint Conference on Propulsion andPower.Xian，China：AJCPP，2012：16O。

[12]徐忠.离心压缩机原理 [M].北京：机械工业出版社，1990：32，221。

[131席光，王晓锋，蒋三红，等.基于三维粘性流动分析的离心压缩机叶轮设计方法 [J].工程热物理学报，2002，23(S1)：54-57。

Design method of centrifugal compressor impelersbased on 3-D Viscous flow analysis EJ].Journal of En-gineering Thermodynamics，2002，23(S1)：54-57。

[14]GAO Limin，XI Guang，WANG Shangjin.InfluenceOf tip clearance on the flow field and aerodynamic per-formance of the centrifugal impelerJ].Chinese Jour-nal of Aeronautics：English Edition，2002，15(3)：139-144。

[15]xi Guang，LI Xuechen，GONG Wuqi，et a1.Study onthe controlling of flow separation zone near unshroudedimpeler exit for centrifugal compressors[c]f/Pro-ceedings of ASME Turbo Expo. New York， USA：ASM E，2013：94792。

[本刊相关文献链接]徐立群，王志恒，席光.迷宫密封泄漏对小流量离心叶轮气动性能影响的研究.2010，44(11)：23-27.Idol：10.7652/xjtuxb201011005]陈浩，李开泰，王尚锦.叶轮机械通道内压力的修正方程和数值模 拟.2010，44(11)：98-102.[doi：10.7652/xjtuXb2O1o11o203刘小民，张文斌.采用遗传算法的离心叶轮多目标 自动优化设计.2010，44(1)：31-35.[doi：10.7652/Xjtuxb2O1O 010082姜华，宫武旗，张炜，等.带分流叶片离心叶轮非定常流场 的实验 研 究.2009，43(9)：14-18.[doi：10.7652/xjtuxb200909004]刘小民，肖立宁.射流式漩涡发生器对离心叶轮性能的影响。

2009，43(6)：123-128.Idol：10.7652/xjtuxb200906026]王宏亮，席光.离心叶轮几何 形 变对气 动性 能 的影响.2009，43(05)：46-50.Idol：10.7652/xjtuxb2OO9O5O10]毛义军，祁大同，许庆余.离心压缩机叶轮叶片疲劳断裂故障的数值分析.2008，42(11)：1336-1339.Idol：10.7652/xjtuxb20081 1005]李景银 ，田华，梁亚勋.轮 盖开孔 的离心风机 流场研 究.2008，42(9)：11t7-1121.[doi：10.7652/xjtuxb2008。gO12]胡小文，闻苏平，席光.离心叶轮的速度 系数对级性能的影响.2008，42(7)：807-810.Idol：10.7652/Xjtuxb2Oo8O7OO5](编辑 苗凌 荆树蓉)http httpt zkxb.xjtu.edu.cn