离心式冷压缩机内部流动数值模拟

• 作 者: 胡号朋
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 冷压缩机 内部流动 数值模拟 结构优化

大型氦低温制冷系统一般通过透平膨胀机和J-T节流阀，可以获得4.2K～20K温区数百瓦甚至万瓦级的冷量，为用户装置的正常运行提供所需的超低温环境。但随着超流氦技术的应用，4.2K～20K温区的低温环境已经无法满足需求，需要采用2K（包括2K以下）温区的超流氦低温制冷系统。离心式冷压缩机作为2K温区的氦低温系统的关键部件，其运行的稳定性、运行效率、安全工作范围都直接影响到整个系统的性能，因此开展离心式冷压缩机的研制具有重要意义。叶轮作为离心式冷压缩机通流部分中最重要，也是结构最复杂的部件，其设计将直接影响整个流场的均匀性和稳定性，从而影响冷压缩机的效率，因此本文采用数值模拟的方法主要对冷压缩机叶轮部分进行了设计和分析。　　首先针对超低温负压氦气的特殊工况，对计算普通离心压缩机叶轮几何结构尺寸的公式进行了修改和优化，得到了冷压缩机叶轮的主要几何结构尺寸和气流在叶轮进出口的温度、压力和速度等参数。对数值模拟软件中工质的物性参数在设计工况下的准确度进行了检验，把数值模拟得到的叶轮进出口气流参数，和理论计算值进行了对比，分析了偏差原因。　　利用CFD后处理软件研究气流在叶轮内部的流动状态，分析了叶轮内部流场的压力分布、速度矢量分布及马赫数分布。通过对二次流、叶片出口尾迹及叶顶侧漏等问题的分析，研究了气流在叶轮内部的流动损失机理。在叶轮几何结构不变和定转速下，得到了进出口总压比和效率随流量变化的特性曲线以及叶轮的安全工作质量流量范围。同时在超低温的工况下，对叶轮进行了材料选取与强度分析。　　最后，在原有几何外形的基础上分别修改叶轮的叶片数、叶片出口安装角、叶顶间隙，对修改后的叶轮流道重新进行数值模拟，得出参数变化对叶轮效率和内部流场分布的影响规律，从而对冷压缩机通流部分设计提供借鉴。