王企鲲戴韧陈康民（上海理工大学动力工程学院上海200093）压器、弯道等静止部件内的气动特性及其对整个机组性能的影响。研究结果表明，多级离心压缩机的性能不仅决定于各级动叶本身的气动性能，而且受级间静止部件的气动性能影响较大。各静止部件内气动性能与能量损失各具特点：级间与级后无叶扩压器内的能量损失均很大，并以摩擦损失为主。但级间扩压器中由于其下游弯道对流体的扰动作用，形成了边界层分离，其内的损失是摩擦与分离共同作用的结果；不同位置的弯道对流动不均匀性的影响程度是不同的：连接级间无叶扩压器与回流器的弯道由于其内的流速较低，气流流经弯道后在“自掺混”的作用下，流动显得比较均匀。
但连接回流器与次级动叶间的弯道内，随着流速的增加，经弯道后流动表现出强烈的不均匀性，改变了后级动叶的进气条件，从而影响其工作性能。因此，多级离心压缩机静止部件的设计应充分考虑其各自的气动特点及其间的匹配关系；对级间动叶轮的设计，应充分考虑其进口来流的不均匀性。
基金项目：上海理工大学青年基金（03XQN009）多级离心压缩机的整机性能不仅取决于各级动叶本身的气动性能，而且与级间的连接部件如扩压器、弯道、回流器等气动性能密切相关。就多级压缩机各级动叶本身而言，很大程度上可以借鉴有关单级压缩机动叶己有的研究成果。但与单级离心压缩机大的差别在于，多级离心式压缩机级间存在特有的导向装置：弯道与回流器等。它们的作用是将上级动叶出口沿径向的气流转变成沿轴向且流动均匀的气流，以使之进入下一级动叶。但弯道与回流器内的流动相当复杂，存在着强烈的能量损失，并且随着级数的加，弯道与回流器的个数亦加，其内的能量损失会对整个机组的性能产生很大的影响。长期以来众多学者对单级离心式压缩机气动性能进行了较为详细地研究，但对多级离心式压缩机而言，特别是对于级间弯道与回流器的气动特性的研究报告相对少见。
本文尝试运用新近发展的CFD数值计算方法，对某型二级离心式压缩机整级流场进行了数值模拟，着重研究级间无叶扩压器与弯道等静止部件内的气动特性及其对整个机组性能的影响，以期揭示其内的流动特性，为多级离心压缩机的设计提供一些有益的。
该机组的设计流量为10kg/s，设计转数为12583rpm，工质为氧气。设计压比约3.3.数值计算方法采用有限体积中心格式，时间推进解法，其中包含二阶和四阶人工粘性项，四阶Runge-Kutta（1/4、1/3、1/2、1）显式时间推进。揣流模型选用Spalart-Allmaras叶轮采用H型网格，前缘和尾缘作为钝体处理。
主流道块的网格沿跨叶面、叶高和流向的分布为41X65X153，整个计算域网格总数近300万，采用高性能并行机计算。在叶片近壁面，叶栅端壁、头尾缘等流动复杂区域，对网格进行了局部加密以提高这些区域内解的分辨率，达到了网格法向无量纲尺对于亚音速的进口边界，进口给定总温、总压，以及来流方向；出口给定背压，并调整背压，以满足一定的流量。叶片表面与内、外端壁采用无滑移边界条件。在动静结合面上采用混合平面的条件，并在叶栅前后延伸段的交接面采用周期性边界条件。
3计算结果与分析bookmark3计算采用的是某型二级离心压缩机，其子午通道如所示。其主要由下列部件组成：级导叶（12个叶片）、级动叶（11个主叶片并带11个分流叶片）、级间无叶扩压器、弯道与回流器（14 3.1整机性能与级性能定义等熵效率nis与总压比nt：个回流叶片）、第二级动叶（11个主叶片并带11个分流叶片）、级后无叶扩压器。
其中：Pt表示总压、Tt表示总温；下标in表示进口、out表示出口。表1给出了整机与各个动叶的等熵效率与总压比的分配：表1.机组等熵效率与总压比分配位置out截面位置等熵效率nis总压比如表1所述，机组中两个带分流叶片的动叶本身效率并不低，但整机的总体性能却不高，等熵效率在数值上比单个动叶下降了十几个百分点。这表明除动叶以外的机组静止部件对整机性能的影响甚大。
静止部件内的流动损失大小可以用总压损失来表示。为各个静止部件的总压损失的百分比图。
其中横坐标F表示各静止部件所在的区域（如所示），纵坐标〖表示各静止部件总压损失的百分其中APt表示一静止部件进出口总压降。
表明，总压损失主要集中在通道I与通道V，即两个动叶之后的无叶扩压器内，它们中的损失之和占静止部件总损失的80以上。同时级间弯道（IV）回流器（V）内的损失也不低。高温高压的多级压缩机内，引起损失的因素很多，机理甚为复杂。
尽管显示出机组内主要损失所在部位，但不能揭示其损失机理。以下就机组级间的弯道与大尺寸无叶扩压器内部流场结构进行重点分析，旨在探求其流动损失的原因。
3.2无叶扩压器内气动特性分析本文所研究的二级离心压缩机带有两个无叶扩压器。一个位于级间，连接着动叶与弯道（如中第I部分，本文称其为“级间无叶扩压器”；另一个位于级后，连接着动叶与蜗壳（如中第V部分，本文称其为“级后无叶扩压器”。
度方向是不均匀的，从轮盘一侧向轮盖逐渐降低，这是由于离心叶轮内部流体从轴向转为径向流动的过程中，在惯性力与对流的双重作用下，气流流向叶轮盘侧，使得叶轮出口速度场形成盘侧高于盖侧的特点。这种动叶出口不均匀的速度分布，直接引起无叶扩压器内流动的不均匀性。但随着气流沿扩压器减速压，流体微团间不断地发生动量、能量掺混，使这种径向流动的不均匀性有一定减弱，与都清楚地表明了这一点。
但不同的是，级间无叶扩压器内流速的不均匀性显然要高于级后无叶扩压器。并且级间无叶扩压轮盖轮盘回流区主要集中在截面1-4-1与截面1-5上，即越靠近弯道，回流区强度有所加。为了更清楚地理解这个回流区的成因，给出了级间与级后无叶扩压器内子午流道的速度矢量。该图表明，级后扩压器中子午速度分布均匀，但在级间扩压器内，当气流流向弯道，随着流线的弯曲逐步在盖侧边界层开始分离，产生回流区。事实上无叶扩压器内存在较大逆压梯度，流动本身易于发生分离。但只要叶轮出口的气体速度足够大流动分离即可避免，这就是级后扩压器内未见回流的原因。但级间扩压器由于其后连着弯道，气体在弯曲离心力与逆压梯度的双重作用下发生了大尺度分离，形成较大范围的回流扩压器而言，由于气流受弯道的扰动而导致流动分离，故而其流动损失是在边界层分离与粘性摩擦两种因素的共同作用下形成的，这就是级间无叶扩压器尽管径向尺寸比级后扩压器短，但两者损失几乎相同的原因（如所示）。
区。
无叶扩压器的一个主要功能就是减速扩压，因此静压恢复系数Cp可以表征其性能。的Cp沿扩压器内的进出口总压下降地强烈的原因。
事实上，这种强烈的损失，就级后无叶扩压器而言，由于其内没有明显流动分离，损失完全来源于过长的流动路程所导致的摩擦损失；对级间无叶径向分布曲线表明，级间与级后无叶扩压器内静压恢复的趋势基本一致：在扩压器的前半段静压恢复地比较快，而在后半段静压恢复系数趋于平稳。比较两者差别，不难发现，级间无叶扩压器内进出口静压升要比级后无叶扩压器小，这从另一角度又验证了级间无叶扩压器内由于在流动分离与壁面摩擦这双重作用下，静压损失较大。
静压恢复系数定义为：Cp 3.3弯道内气动特性分析弯道也是多级离心式压缩机所特有的部件，它起着将流体经拐弯后进入下一级叶轮的作用。按所处的位置不同，弯道可以分为两类：一类是连接级间无叶扩压器出口与回流器进口的弯道（本文称其为一类弯道，即中IV部分）；另一类是连接回流器出口与二级动叶进口间的弯道（本文称其为二类弯道，即中VI部分）。
流体弯曲流动会受离心力与粘性力的共同作用，形成“二次流”与“分离流”等复杂的流动现象。但弯道内流动的重要性却是不言而喻的，其出口流体的气动参数是回流叶片与次级动叶设计的重要依据。但两类弯道内的气动特性是不尽相同的：一类弯道由于位于扩压器末，其内的气流速度是很低的；而二类弯道则位于动叶进口，其内气流速度相对较高。
为便于分析，是弯道（包括级间无叶扩压器、回流器等）的子午面示意图。下面的气动分析主要在图中所标的AH八个截面上进行。
参见）上子午速度Vm的周向平均值，其中横坐标为无量纲规范化值，方向由轮盖指向轮盘。两图中子午速度的分布特点体现了离心力对流体的作用：在各个截面子午速度总是外侧小而内侧大，这样就形成了由外向内的压力梯度，以提供向心加速度使流体拐弯流动。但中一类弯道内速度分布表明，这种由外向内的子午速度梯度沿弯道是变化的，总趋势是进口处很不均匀，但随着流动该不均匀性逐步减弱，到了弯道出口己变得均匀化。这种流动对改善其后回流器内的流动是有益的。这种流动的均匀化在很大程度上是由于低速流动的“自掺混”所造成的。这说明弯道前无叶扩压器的径向高度的选取是有讲究的：较大的径向尺寸、气流扩压能较为充分、流速降低，这样就有利于降低弯道本身几何结构对流动所造成的不均匀程度。就0就而言，在二类弯道中，由于其流速很高，流动“自内尽管入口处气流角分布不均匀，但由于低速流动的”自掺混“作用，经180度拐弯后在截面E（即回流叶片进口）分布趋于均匀化，这对有利于改善回流叶片内气动状况。但二类弯道中的气流角由于流速较高，沿叶高方向呈现强烈地不均匀性。并且这种不均匀性随着流体的拐弯而不断加强，进而影响着次级动叶进口来流状况。
上述分析表明，由于流速的不同，弯道对气流不均匀性的影响几乎是截然不同的：一类弯道，由于其内气体的流速低，流经弯道后，随流体自掺混作用而是气动参数有所均匀化；但对二类弯道，其内流体的高速运动加剧了气动参数的不均匀性。由directioninthesecondtypeofcrossover于二类弯道出口气流己不再是均匀地沿着轴向，级后动叶的设计就必须充分考虑这种来流的非均匀性，以达到级间部件的匹配与优化。
4结论本文运用CFD技术，对某型两级离心压缩机内流场进行了整级联算，着重研究了该机组内无叶扩压器与级间弯道等静止部件内的气动特点，可以得到如下结论：由于多级离心式压缩机本身所具有的特殊几何结构，其整体效率并不完全决定于各个动叶轮的效率。其静止部件如扩压器、弯道与回流器内的气动性能对整机效率有较大影响；级后无叶扩压器中的能量损失以粘性摩擦损失为主，但级间无叶扩压器内由于受到弯道与前级动叶出口气流不均匀性的影响，存在大尺度的分离区，其损失是摩擦与分离两种因素共同作用的结果；弯道对流动的影响随其位置的变化而变化：一类弯道中，由于气流速度很低，弯道对气流的扰动不明显，并随着低速流体的自掺混作用，流动能趋于均匀；但在二类弯道中，由于流速高，气流本身的不均匀性易受弯道的扰动而加剧，进而影响了下一级动叶的气动性能；对于多级压缩机动叶的设计应充分考虑上级来流的气动特性，单纯的均匀轴向进气条件并非符合实际流动特点。
