基于三维反问题设计理论之不同载荷的离心压缩机性能研究.pdf
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1、Chinese Journal of Turbomachinery第65卷,2023年第3期Http:/turbo- Vol.65,2023,No.3A Performance Investigation of Centrifugal CompressorsDesigned by the 3D Inverse Approach with Different BladeLoadingsMing-ding Zhang(Advanced Design Technology(Shanghai),Ltd.)Abstract:Two different centrifugal impellers with
2、 different blade loading prescriptions are designed using the 3D inverse designsoftware TURBOdesign Suite.ANSYS CFX is used for the CFD simulations to predict the two individual compressors performanceat design and off-design points.The internal flow analyses can help to reveal the nature of losses
3、due to secondary flows and shocksat the leading edge,and visualize the flow behaviors with 3D streamlines.The results show that a combination of aft-loading on thehub and midspan and for-loading on the shroud can lead to better suppressions of secondary flows,and therefore give a higherefficiency.Me
4、anwhile,the efficiency of higher flows on the performance curve is also noticeably improved.Keywords:3D Inverse Design;TURBOdesign Suite;Centrifugal Compressor Blade Design;Secondary Flow Loss摘要:使用基于三维反问题设计理论的TURBOdesign Suite软件设计出两款相同工况、不同叶片载荷的离心压缩机叶片。并通过ANSYS CFX软件对两款设计的叶片进行流场仿真,研究不同形式的叶片载荷加载对离心压缩
5、机叶片工况点和非工况点的影响。通过流场分析,对比不同载荷下离心压缩机叶片的二次流损耗、前缘激波损耗以及三维流线。研究结果发现,当叶片载荷为“轮毂层及中间层后加载,轮盖层前加载”形式时,该设计拥有更好的二次流抑制效果及更高的设计点效率,同时性能曲线上高流量点的效率也有明显提升。关键词:三维反问题设计;TURBOdesign Suite;压缩机叶片设计;二次流损耗中图分类号:TH452文章编号:1006-8155-(2023)03-0027-06文献标志码:ADOI:10.16492/j.fjjs.2023.03.0005张铭鼎(奥德旺斯(上海)软件科技有限公司)基于三维反问题设计理论之不同载荷的
6、离心压缩机性能研究0引言离心压缩机的设计从1940年代发展至今,设计技术与方法经历了多次更迭。Casey和Robinson1以及Braembussche2出版的教科书为设计者提供了详细的理论知识与设计指导。对于离心压缩机叶片损耗,Wang3以及Xi4也提出了对其在CFD流场中分析与对比方法。在CFD技术发展成熟的今天,人们大多采取叶片几何参数化的方式对叶片进行设计和优化。比如,Ji等5提出的一种基于计算机3D视觉辅助预测框架的优化方法,运用91个参数将叶片几何进行参数化。此种方法在带来性能提升的同时,因其采用大量的设计参数也导致大量CFD计算资源的消耗。在1991年Zangeneh6提出了一种
7、基于三维反问题理论的设计方法为离心压缩机的设计提供了新的思路。与传 27Chinese Journal of Turbomachinery统设计理论不同,三维反问题设计对叶片载荷进行参数化,通过控制叶片流场,减小叶片损耗,从而使叶片性能提升。其设计逻辑如图1所示,设计者能更直接地控制流场,解决诸如二次流、激波及间隙流等问题。这种方法可以让载荷参数与实际流场之间建立更直接的联系,极大减少设计迭代次数,缩短整体设计时间。本文通过对流向载荷的控制,设计出两种拥有不同载荷分布的离心压缩机叶片。最终通过CFD流体仿真验证以及流场分析,对比这两种拥有不同载荷的离心压缩机叶片的性能。本文在流场分析对比时会着
8、重比较载荷对叶片二次流损耗和激波损耗的影响。1三维反问题设计方法离心压缩机叶片的设计采用三维反问题设计软件TURBOdesign1(TD1)来展开。Zangeneh6提出以叶片无量纲化的欧拉功rVt*来定义叶片载荷。TD1通过定义叶片展向载荷以及流向载荷的方法,可以用少量的设计参数对叶轮整体流场加以控制,最终达到减少叶片吸力面二次流损耗8-10、控制离心压缩机叶片前缘激波11的目的。在TD1确定总欧拉功大小后,再通过控制流向载荷的分布方式以达到控制叶片做功分布的目的。正如Zangeneh提出6,可以将欧拉功rVt*在子午面方向上的一阶导数与叶片载荷P联系在一起,如式(1)所示7:P=P+-P-
9、=2NBWmblrVt*m(1)其中,NB为叶轮叶片数目;Wmbl为子午面速度。在子午面形状以及叶轮叶片数确定的情况下,叶片载荷P直接由rVt*m决定。在TD1中,我们把rVt*m在流线方向的定义切割为“三段”,以此实现不同流向位置处的载荷定义。此方法是将展向方向上某一叶高处(如轮毂、轮盖处)的rVt*m变化分布用四个变量“NC,ND,Slope,DRVT”进行参数化。之后,在定义好至少两层(轮毂和轮盖处)载荷分布的情况下,可以通过平均化插值的方法得出叶片整体载荷的分布。如图2所示,如此可以做到最少用8个参数(轮盖、轮毂位置载荷每层各4个参数)即可将叶轮总体载荷分布进行参数化。图1三维反问题设
10、计方法流程Fig.1Schematics of the 3D inverse design method图2TD1中的叶片流向加载方法Fig.2The prescription method of the streamwise blade loading in TD1通过反问题设计方法,在叶轮子午面形状、叶片数及厚度不变的前提条件下,可以在保持离心压缩机叶片总体欧拉功大小不变的同时,对叶片流向载荷分布进行修改和再规划。如此,可以更简单直观地对相同工况、不同流向载荷分布下的离心压缩机叶片的性能及流场进行研究。2离心压缩机的反问题设计2.1设计参数离心压缩机叶片的设计参数如表1所示。因本文重点研究
11、、比较不同流向载荷对叶片性能的影响,故在设计时叶片子午面几何保持不变。如图3所示,叶片厚度分布采取翼型分布,轮毂处最大厚度为3mm,轮盖处最大厚度为2mm。在CFD仿真时假设0.5mm的叶顶间隙。参数质量流量/(kg/s)转速/(r/min)压比叶片数叶轮出口直径/mm叶顶间隙/mm数值5.8200002.1133600.5表1离心压缩机设计点参数Tab.1The design point parameters of centrifugal compressor基于三维反问题设计理论之不同载荷的离心压缩机性能研究 28Chinese Journal of Turbomachinery第65卷,
12、2023年第3期Http:/turbo- Vol.65,2023,No.32.2反问题设计为了更好地对比不同载荷分布对离心压缩机叶片设计点性能的影响,两款设计会在保证总欧拉功rVt*不变的前提下,利用TD1软件对叶片流向载荷分布进行重新规划。载荷设定采用“三段法”,并且在原有“轮毂”与“轮盖”层设定载荷之外,引入“中间层”更好地控制叶片展向50%处的载荷。如图4所示,红、绿、蓝三色分别代表叶轮展向上轮毂层、中间层、轮盖层的位置。设计1的三层载荷峰值都出现在叶片流向80%的位置,从云图中可以看出是一款离心压缩机常见的“后加载”式的设计。而设计2叶片流向载荷分布采用“轮毂以及中间层后加载,轮盖处载
13、荷前加载”的形式。同时在表2中给出了两款设计在TD1中具体设计参数的数值对比。图3叶片厚度分布Fig.3The distribution of designed blade thickness图4两款设计的叶片载荷Fig.4Blade loading prescriptions of the two designs根据Goto和Zangeneh8-101996年提出的理论,设计2这样的加载形式可以有效地抑制叶片吸力面的二次流损耗。Zangeneh8指出,当叶轮流场在涡度方向上有一个静压降低的梯度时,就会产生二次流。降低的静压Pr可以用以下公式表示:Pr=P-2r22(2)其中,P是静压;是密度
14、;是转速;r是旋转半径。由此,静压降低的系数可以表示为:Cp=Rotary stagnation pressure-Pr0.5Uref2(3)计算结果如图5所示,叶片载荷经过重新规划后,设计2的静压降梯度在0.61.0处明显降低。相比于设计1,设计2在子午位置0.6处Cp由0.4降低至0.34,在子午位置0.8处由0.24降低至0.15。对二次流的抑制作用及流场的影响在后续CFD分析中将更直观地体现出来。图6展示了设计1在0.9叶高处TD1与CFX中的叶片载荷对比。靠近叶片前缘(即图中流线方向00.2的位置)两者载荷有所不同,这是由于CFX中仿真的模型前缘进行了倒圆处理,而TD1中的叶片进口是
15、切开式的。除此差异之外,可以明显看出TD1与CFX中载荷大小以及变化趋势基本一致,这保证了在进行反问题设计时结果的准确性。图7是两款设计最终的叶型对比,灰色为设计1,红色为设计2。可以看出,在靠近轮盖处,载荷由设计1的“后加载”变为设计2的“前加载”后,叶片轮盖处几何形状与角度也发生了相应的改变。从图8两款设计叶片角度对比中可以看出,经过对叶片轮盖处以及中间层载荷修改后,设计2在位置A以及位置B叶片角明显减小。NCNDSlopeLELoading设计1轮毂0.20.80.950.2中间层0.20.81.30.4轮盖0.50.81.50设计2轮毂0.20.80.950.2中间层0.20.80.5
16、0.4轮盖0.20.8-0.20表2两个设计的载荷参数Tab.2The blade loading parameters of the two designs 29Chinese Journal of Turbomachinery3CFD以及流场分析3.1网格及CFD设置为保持对比的一致性,两款设计同时在TurboGrid软件中进行结构性网格划分,合计网格数量为单通道1百万。随后在ANSYS CFX软件中进行单通道CFD仿真(图9),且模型为“进口段+叶轮段+无叶扩压器段”的组合。仿真进口总压为1atm,进口总温为288.15K。叶片表面Y+都小于10,所以选取SST湍流模型。仿真针对2000
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