离心叶轮出口与无叶扩压器内部流动特性的DPIV实验研究

　　0　引　言

　　扩压器是离心式叶轮机械最重要的固定元件,其内部流动状态对整级的性能和效率有深刻的影响,认识和理解其内部复杂的流动特性是优化通流元件和提高整级效率的前提。由于无叶扩压器结构简单、加工方便、性能曲线平坦而广泛应用于实际工程中,因而人们很早就开展了相应的研究工作。继Dean和Senoo提出叶轮出口“射流-尾迹”[1]模型后,Eckardt[2]使用双焦距激光速度仪(L2FV)对一较高转速的离心压缩机叶轮进行测量,进一步证实了叶轮出口尾迹区的存在。Денг.н.[3]认为无叶扩压器内的流动首先取决于起始段的流动状态,他着重分析了在平均气流角小且宽度较大的无叶扩压器中壁面边界层产生的复杂的分离倒流现象。Inoue[4]利用热线风速仪(HWA)对无叶扩压器内部切向速度、径向速度、静压分布、总压分布作了详细的测量,并研究了不同流量系数时各参数的变化规律。随着流动测量技术的快速发展,新的非接触式的激光测速仪为深入研究扩压器内流动提供了有力支持。在过去的二十多年里,LDV代表了激光测速的主要手段,很多研究者用LDV对旋转机械内部流场进行了测量,如Ubaldi[5]对无叶扩压器沿流向的三个截面和沿宽度方向中央的径向面的径向、周向速度等参量进行测量。最近10年来,随着PIV技术的发展日趋成熟,由于具有整场、瞬态、非干扰式激光测量的特点而倍受青睐,被广泛地用于研究旋转机械内部的流动。早在1989年Paone[6]利用两维PIV技术测量了离心泵的无叶扩压器沿宽度方向中央的径向面内的速度场和涡量场,并与LDV的结果进行了定性比较。

　　上述研究结果揭示了无叶扩压器内的流动结构和流动状态,但它们大多是基于单点测量方法,不仅得到的数据量有限而且费时;已有的无叶扩压器内的整场测量对流动沿宽度方向的变化关注不够。此外,由于离心叶轮出口与无叶扩压器的流动状态及流动特性研究是叶轮与叶片扩压器之间动静干涉作用研究的起点和恰当的参照对象,因而仍需对其深入研究。本文利用两维数字式粒子图像速度场仪(DPIV)对风机模型从离心叶轮出口至无叶扩压器内部区域的流动状态进行整场的瞬态测量,然后采用整场与局部单点相结合的办法对时均流场的流动特性进行深入分析,加深对流动现象的理解,并为数值模拟结果提供比较的可能。

　　1　实验设备和方案

　　1.1　实验装置

　　风机模型包括叶轮、扩压器、蜗壳及排气管。为了适应激光测量的要求,叶轮、扩压器和蜗壳均采用有机玻璃加工制成。叶轮由5.5kW的直流电机驱动,通过ACS 400变频器可实现在不同转速下工作;利用排气管上安装的闸阀调节流量。表1给出后弯式闭式叶轮和平行壁无叶扩压器的主要几何参数;实验装置如图1所示。