时序效应对离心式压缩机的影响的分析

　　在15级低速离心压缩机实验台上进行，该压缩机由进口导叶，叶轮，叶片扩压器和蜗室组成。进口导叶有15个叶片，预旋角和周向位置可以调整。叶轮是三元半开式离心叶轮，直径为796 mm，有20个后弯叶片，其中10个为分流叶片。扩压器有13个翼型叶片，扩压器叶片进口的安装角为17.在实验叶轮转速为3100r/min，流量系数= 0185的工况下，通过改变进口导叶周向位置（导叶时序位置），分别对进口导叶预旋角为20，0和-20的3个导叶时序位置的非定常流场进行了测量。导叶时序位置定义为进口导叶相对于一个导叶栅距周向旋转的角度位置。非定常测量位置是在叶轮出口（扩压器叶片延长线处）和扩压器入口（距离扩压器叶片进口缘约1/4栅距处）2个测量截面的3个叶高方向上，即3个轴向位置：10%（近轮盖侧），50%（中间）和90%（近轮盘侧）叶高。

　　2不同进口导叶预旋角下时序效应对流场的影响

　　西安交通大学席光课题组在进口导叶预旋角分别为20，0，-20下，通过改变导叶clocking位置研究了时序效应对流场性能的影响，同时发现：时序效应会影响效率，即不同进口导叶预旋角，不同时序位置，效率变化有所不同，*高和*低效率对应的导叶时序位置有所不同。时序效应也会影响压力比，但影响得比较小。本文主要研究在一定设计流量，不同进口导叶预旋角下，离心压缩机时序效应对流场的影响。

　　2.1对集平均速度的影响

　　进口导叶预旋角在0，20和-20下，叶轮出口和扩压器进口在50%叶高上的集平均径向速度。cr为径向集平均速度，u2为叶轮出口圆周速度；rotor为一个叶片通过了一个周期。从图中可以看出：叶轮出口的主流区与尾迹区的气流速度差值较大；在扩压器进口处，由于间隙区内气流速度不一，主流，尾迹区的气流速度值逐渐接近，二者间差值较小。主叶片主流区的径向速度小于分流叶片主流区的径向速度，主叶片尾迹区径向速度比分流叶片尾迹区径向速度小得很多，说明主叶片径向速度亏损较大。在分流叶片主流至主叶片主流的区域中，速度波动较为平缓，说明该通道内的径向速度分布较为均匀，径向速度分布的非定常性较小；在主叶片主流至分流叶片主流的区域中，速度波动很大，说明该通道内径向速度分布的非定常性很大。在叶轮出口到扩压器进口的间隙区内，主叶片尾迹的衰减要大于分流叶片尾迹的衰减。

　　在预旋角为0，进口导叶时序位置分别为067和033的情况下，集平均径向速度曲线差别很小。在时序位置为00下的径向速度大于时序位置为067和033的情况，并且整个流动周期内的径向速度变化均比较明显。在叶轮出口处，平均径向速度为020u2.在不同的时序位置，径向速度*大改变量出现在尾迹区附近，改变量超过径向平均速度的10%.在扩压器进口处，平均径向速度为025u2，时序位置为067的径向速度大于时序位置为00和033的情况。对应不同时序位置，径向速度改变量超过平均径向速度的4%.在预旋角为20，进口导叶时序位置分别为00，033和067的情况下，集平均速度曲线差别很小。在叶轮出口处，分流叶片尾迹区附近的径向速度变化比较明显，其他区域3条曲线几乎重合。在扩压器进口处，主叶片主流区的径向速度变化比较明显。

　　在-20预旋角，3个进口导叶时序位置下，集平均速度变化明显大于20预旋角的情况。在叶轮出口处，主叶片尾迹区至分流叶片主流区的径向速度变化均比较明显，尤其在主叶片尾迹区，不同时序位置下的径向速度改变量超过平均径向速度的10%.在扩压器进口处，分流叶片尾迹区至主叶片主流区的径向速度变化较为明显，不同时序位置下的径向速度改变量约为径向平均速度的4%.由上述分析可以看出，在0预旋角，不同时序位置下，进口导叶的集平均径向速度发生变化的流动区域范围*大，-20预旋角下的其次，20预旋角下的*小。在0，-20预旋角下，进口导叶3个时序位置的集平均径向速度变化的*大幅度基本相同，在20预旋角，不同时序位置下的集平均径向速度变化的*大幅度较小。不同时序位置的集平均径向速度在叶轮出口处变化幅度明显大于扩压器进口处的情况，这表明时序效应随着离开叶轮出口距离的增加而减弱。

　　2.2对集平均绝对气流角的影响

　　（1）0预旋角，3个导叶时序位置下的集平均绝对气流角在较大范围内存在着差别，其中主流区与叶片尾迹区的气流角相差16.当导叶时序位置为00时，集平均绝对气流角*小，其次为导叶时序位置为033的情况，*大的为导叶时序位置为067的情况。

　　（2）在20预旋角下，集平均绝对气流角只在叶片主流区存在着差别。当导叶时序位置为033和067时，对应的气流角较为接近，其相比导叶时序位置为00时的气流角大09.

　　（3）在-20预旋角下，集平均绝对气流角在分流叶片尾迹区至主叶片主流区也存在着差别，分流叶片尾迹区和主叶片主流区在3个导叶时序位置的气流角相差12.当导叶时序位置为00时，集平均绝对气流角*大，其次为导叶时序位置为033的情况，*小的为导叶时序位置为067的情况。

　　2.3对时间平均绝对气流角的影响

　　0预旋角，3个导叶时序位置下的时均绝对气流角相差1.3，其中导叶时序位置为00和0.33的时均绝对气流角比较接近，而与导叶时序位置为0.67相差较大；20预旋角，3个导叶时序位置下的时均绝对气流角相差不足05；-20预旋角，3个导叶时序位置下的时均绝对气流角相差0.84.

　　综上可见，在0预旋角，不同导叶时序位置下的时均气流角差别*大，-20预旋角下的其次，20预旋角下的*小。这个结论可以与性能曲线对应，即当进口导叶预旋角为0，导叶时序位置为067时，整个流动区域的效率*小，而导叶时序位置为00和033时，3个预旋角下的效率比较接近。用X热线热膜测量仪测量对应流量工况，结果是：0预旋角，3个导叶时序位置下的效率差别*大，达22%；20预旋角下，3个导叶时序位置效率几乎相同；-20预旋角下，导叶时序位置为00的效率比导叶时序位置为033和067的效率增加约14%，而导叶时序位置为033和067的效率基本相同。可见，在不同进口导叶预旋角下，时序效应对压缩机性能和流场的影响有所不同。

　　3结论

　　本文采用X热线热膜技术，研究了不同进口导叶预旋角下的时序效应对离心压缩机非定常流场的影响。结果发现，在不同进口导叶预旋角下，时序效应对离心压缩机非定常流场的影响有所不同，主要结论如下。

　　时序效应会影响离心压缩机叶轮出口和扩压器进口的流场，该影响将随叶轮出口的距离增加而减弱。

　　0预旋角，不同导叶时序位置下的集平均径向速度发生变化的流动区域范围*大，-20预旋角下的其次，20预旋角下的*小。在0，-20预旋角下，3个导叶时序位置的集平均径向速度变化幅度很接近，20预旋角，不同时序位置下的集平均径向速度变化幅度比较小。

　　3个导叶时序位置的集平均绝对气流角在较大范围内存在着差别，其中0预旋角下的集平均绝对气流*大变化角为16，20预旋角下的*大变化角为09，-20预旋角下的*大变化角为12.在20，0，-20预旋角和不同导叶时序位置下，扩压器入口的时均绝对气流角均有改变。在0预旋角下，3个导叶时序位置的时均绝对气流角相差13，20预旋角下的相差不足05，-20预旋角下的相差0.84.

　　总的来看，在0预旋角下，时序效应对流场的影响*为明显，而在20预旋角下，时序效应对流场的影响*小。