第 45 卷第 5 期

2009 年 5 月 机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol .45 No .5

May 2009

DOI：10.3901/JME.2009.05.311

离心压缩机排气蜗壳内部流动分析与优化*

冀春俊1 王雅君 1 王学军 2 么立新 2

(1．大连理工大学能源与动力学院 大连 116023； 2．沈阳鼓风机(集团)有限公司 沈阳 110000)

摘要：利用计算流体动力学专业软件 NUMECA 对某离心压缩机末级流场(包括闭式叶轮、无叶扩压器、排气蜗壳)进行三维

粘性流动的数值计算分析。以计算结果为依据，对等宽变高式排气蜗壳进行了优化设计，末级效率提高约 4.5%。将改进方

法用于另一台压缩机组的末级排气蜗壳，末级效率同样提高 4.5%，由此总结出“焊接式排气蜗壳气动设计规范”，并将其应

用于另一类典型的焊接式排气蜗壳——等高变宽式排气蜗壳的优化设计，末级效率提高约 3%。大量的数值试验证明，所提

出的设计方法具有很好的通用性，可以推广应用于所有的焊接式排气蜗壳设计。

关键词：离心压缩机 焊接式排气蜗壳 数值模拟 效率

中图分类号：TK474.82

Analysis and Optimization of the Internal Flow in Centrifugal Compressor Volute

JI Chunjun1 WANG Yajun1 WANG Xuejun2 YAO Lixin2

(1. School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023; 2．Shenyang Blower Works (Group) Co., Ltd., Shenyang 110000 )

Abstract：The 3D internal viscous flow in the last stage of a centrifugal compressor is analyzed numerically with commercial

computational fluid dynamic software NUMECA. The geometric model includes the close-type impeller, the vaneless diffuser and

the volute. Based on the analytic results, modifications to the constant width volute are proposed and the stage efficiency is increased

by 4.5%. The same approach is applied on the last stage of another centrifugal compressor and the efficiency is also increased by

4.5%. Through summing up the effect of different parameters, the code for the aerodynamic design of the welding type volute is

developed. The code is tested on another compressor with a constant height volute and the last stage efficiency is increased by 3%.

Numerical experiments prove that the code can be used for the aerodynamic design of all welding type volutes.

Key words：Centrifugal compressor Welding type volute Numerical simulation Efficiency

0 前言*

离心压缩机由于单级压比高，工艺性能好，在

航天、能源、化工及冶金等部门发挥着极其重要的

作用。长期以来，人们主要是通过改进并优化离心

压缩机的主要元件——叶轮来提高压缩机的性能，但是忽略了静止元件，如蜗壳的改进[1-2]。随着对节

能型压缩机日益增加的性能需要，人们也逐渐把目

光投向蜗壳等静止元件的研究，以期挖掘其可能存

20080620 收到初稿，20090221 收到修改稿

在的节能潜力，希望借此提高机组的整体运行效率。

而在工厂实际生产过程中也常常发现整机效率比设

计效率低较多的现象，由于基本级都经过严格的试

验验证，能够怀疑的地方仅剩下级间匹配和蜗壳设

计，因此有必要对蜗壳的内部流动进行较深入的 研究。

由于蜗壳几何结构的复杂性以及压缩机研究

重点集中在叶轮上等原因，国内在压缩机蜗壳内部

流动研究方面一直比较薄弱；随着计算技术的不断

提高以及对于静子部件研究的重要性的不断提高，

国外自 20 世纪 90 年代开始对于蜗壳内部的流动进行了计算分析和试验研究等工作[1-3]。

机 械 工 程 学 报 第 45 卷第 5 期期 312

本文借助计算流体动力学专业软件 NUMECA对包括两类典型的焊接式排气蜗壳在内的多台离心

压缩机组末级进行整级数值试验。通过对流场的详

尽分析后，对排气蜗壳结构进行了相应的改进，大

大提高了产品的性能。在所研究工作的基础上，总

结出“焊接式排气蜗壳气动设计规范”。所介绍的设

计方法具有很好的通用性，可以大大缩短今后的焊

接式排气蜗壳设计研制周期，提高效率，节约成本。

1 等宽变高式排气蜗壳数值优化之一

1.1 原结构物理模型 离心压缩机排气蜗壳内部流动现象十分复杂，

蜗壳内流动延续三维有旋运动。要对离心压缩机排

气蜗壳内部流动进行数值模拟并分析其流动状况，

需要建立末级的整级物理模型。根据工厂提供的图

纸对某离心压缩机的末级进行三维造型，如图 1 所示。对于叶轮部分，通过数据文件导入 NUMECA的 AutoGrid5 模块生成几何模型。对于蜗壳及无叶扩压器，在三维造型软件 Pro/E 中建立模型。为保证边界条件的准确性，对叶轮进口、蜗壳出口都进

行了一定的延伸。最终的计算域与网格拓扑结构如

图 2 所示。

(a) 叶轮 (b) 扩压器和蜗壳

图 1 原结构的叶轮、扩压器和蜗壳

图 2 原结构的整级计算网格示意

1.2 计算方法、网格及边界条件 NUMECA 公司开发的粘性流场计算软件

FINE/Turbo 提供了基于密度的全可压缩形式三维雷诺平均 N-S 方程。本文所采用的湍流模型是一方

程 Spalart-Allmaras 模型[4]。采用残差光顺方法，多重网格层数等于 3，选择 CFL 数为 3。在最细层 网格上计算迭代 4 000 步或残差等于 10−6 时，计算结束。

考虑由于蜗壳的影响带来的周向流动的不均

匀性，本文选择在 AutoGrid5 中生成叶轮全通道网格。其余部分的网格在 NUMECA 软件的通用结构化网格生成模块 IGG 中生成。采用转子冻结法进行转/静子连接，总网格数为 6 655 999。网格生成时充分考虑了所采用的湍流模型对 Y + 的要求。

该例中工作介质为空气(理想气体)。边界条件给定轴向进气、进口总温、总压，出口给定质量流

量，转动壁面给定转速，其他壁面转速为 0，壁面处满足无滑移条件。 1.3 原结构计算结果分析

数值计算 5 000 步长后收敛，此时全局残差在10−3 以下。在扩压器中心断面处的速度矢量图如 图 3 所示，蜗壳内速度分布极不合理，从蜗壳起始段开始，很大范围内都存在低速区，主要是断面积

变化规律不合理引起；由于原结构蜗壳与出风筒连

接处有一个很大的拐弯，之后又有一个急拐弯，造

成出风筒进口附近气流分离严重，漩涡堵塞主流道

使得主流区被压迫到很小的区域，出风筒内部大部

分都是低速区，能量耗散严重。如图 4 所示，蜗舌部分流动也是相当紊乱，造成相当大的流动损失。

图 3 扩压器中心断面绝对速度分布矢量图

图 4 蜗舌部分绝对速度分布放大图

如图 5 所示，蜗壳内静压沿周向分布极不均匀，波动很大，这种压力的不均衡已经影响到扩压器甚

至叶轮的工作。如图 6 总压分布图所示，出风筒拐

月 2009 年 5 月 冀春俊等：离心压缩机排气蜗壳内部流动分析与优化 313

弯处存在很大的总压损失，蜗壳内也有较大的总压

损失。

图 5 扩压器中心断面静压分布等值线图

图 6 扩压器中心断面总压分布等值线图

1.4 结构优化 基于对原结构数值试验结果和流场分析，本文

从以下几个方面对蜗壳结构进行了有针对性的优

化：① 重新设计蜗壳断面积，使蜗壳型线能保证蜗壳内气体自由流动，即保持 vθr (vθ 为切向速度，r为半径)为常数[5-6]；② 在结构尺寸允许的条件下，断面形状尽量取为正方形；③ 出风筒与蜗壳出口光滑连接；④ 为了避免出风筒内气流的分离，设计 出风筒时，将当量扩张角控制在合适的范围内[5]；

⑤ 蜗舌部位根据出风筒结构作精细设计，以消除原结构蜗舌部位的涡流。

根据以上几点，前后尝试了 11 种方案，在优化过程中又总结出其他有效的改进因素。在此，仅介

绍最终的优化方案。 在设计蜗壳断面时，对流量进行修正，取修正

系数为 1.08；将出风筒抬起约 15º，以减少小蜗壳 的切削量；为了保证小蜗壳部分的断面积变化规律，

将其设计成矩形结构，轴向尺寸大于径向尺寸；在

5º左右设计蜗舌；对钝头蜗舌进行倒圆角，并在 出风筒侧以 30º切削形成蜗舌的隔板，以减少该部 位气流与隔板间的冲角。改进后的蜗壳结构如图 7所示。

图 8～10 显示了这种改动以后的速度场数值计算结果。整体速度分布很合理，蜗舌及出风筒内的

流动都很顺畅，完全消除了原来的涡结构，对气流

有很好的导流。

(a) 蜗壳 (b) 蜗舌放大

图 7 优化后的蜗壳及蜗舌放大

图 8 改进后的扩压器中心断面绝对速度分布矢量图

图 9 改进后的蜗舌部分绝对速度分布放大图

图 10 出风筒部分绝对速度分布放大图

从图 11 和图 12 可以看出叶轮、扩压器及蜗壳内静压、总压分布非常均匀，具有很好的周向均 匀性。 1.5 结果对比

从表 1 的模拟结果看出，优化前后整级多变效率提高约 4.5%。

机 械 工 程 学 报 第 45 卷第 5 期期 314

图 11 改进后的扩压器中心断面静压分布等值线图

图 12 改进后的扩压器中心断面总压分布等值线图

表 1 优化前后整级性能对比(优化一)

性能参数 原结构 优化结构

等熵效率 ηs / %

多变效率 ηp / %

静压比 π

总压比 π*

79.26

79.98

1.302 4

1.286 7

83.85

84.46

1.325 0

1.308 6

2 等宽变高式排气蜗壳数值优化之二

将上述设计原则应用于另一台压缩机组，同样

是等宽变高式排气蜗壳。 2.1 建模与计算方法

相同的方法建立物理模型，生成网格，总网格

数是 6 419 449。该例中工作介质为空气(理想气体)。边界条件和湍流模型等采用与前一个算例相同的处

理方法。 2.2 原结构计算结果分析

如图 13 所示，在蜗壳起始段内存在很大范围的低速区，蜗舌及出风筒底部有复杂的涡流，造成

该区域内大的流动损失。综合分析蜗壳内部总压分

布(图 14)，蜗壳内部流动存在与上一个算例几乎相同的问题。 2.3 结构优化

对该蜗壳采用与上一台机组末级蜗壳同样的

优化方法。图 15、16 显示了优化后的速度场、压力场。原蜗舌、出风筒部位的涡流已完全消除，蜗壳

内的压力分布也具有很好的周向均匀性。

图 13 扩压器中心断面绝对速度分布矢量图

图 14 扩压器中心断面总压分布等值线图

图 15 优化后的扩压器中心断面绝对速度分布矢量图

图 16 优化后的扩压器中心断面总压分布等值线图

2.4 结果对比 从表 2 的模拟结果看出，优化前后整级多变效

率也提高了 4.5%。由此可见，这种优化方法对等高变宽式排气蜗壳具有普遍意义。

表 2 优化前后整级性能对比(优化二)

性能参数 原结构 优化结构

等熵效率 ηs / %

多变效率 ηp / %

静压比 π

总压比 π*

81.74

82.57

1.416 3

1.386 3

86.38

87.04

1.455 0

1.419 0

月 2009 年 5 月 冀春俊等：离心压缩机排气蜗壳内部流动分析与优化 315

2.5 焊接式排气蜗壳气动设计规范 在对以上两台压缩机组的末级排气蜗壳数值

优化的基础上，总结出影响矩形断面蜗壳性能的 3个主要的结构参数：① 横断面面积及形状；② 出风筒结构；③ 蜗舌的位置及形状[6]。

根据以上几项影响参数，制定出“焊接式排气

蜗壳气动设计规范”，其设计精髓在于以下几点。 (1) 蜗壳断面设计，应该以满足蜗壳内气体自

由流动为准则，即保持 vθr 为常数，考虑对设计流量的修正。

(2) 断面形状在结构尺寸允许的情况下尽量取为正方形。但对于蜗壳起始断面，为了减少切削量，

需考虑增加轴向尺寸，减少径向尺寸，以弥补切削

掉的蜗壳面积。 (3) 设计出风筒时，应注意保证与蜗壳出口光

滑连接，起始型线与蜗壳出口气流主流方向保持一

致，当量扩张角控制在某一合适范围内，必要时还

需要将出风筒抬起。 (4) 蜗舌合适位置的选取，优化蜗舌头部，使

蜗壳出口气流能很好地进入出风筒。 (5) 出风筒与蜗舌结构应该是个集成设计的过

程，两者应该同时考虑。

3 等高变宽式排气蜗壳数值优化

将“焊接式排气蜗壳气动设计规范”中介绍的

设计方法应用于另一类典型的焊接式排气蜗壳——等高变宽式排气蜗壳。 3.1 建模与计算方法

仍然使用 Pro/E 建立物理模型，在 IGG 和AutoGrid5 中生成网格，总网格数是 8 311 630。该例中工作介质为空气(理想气体)。边界条件和湍流模型等采用与前一个算例相同的处理方法。 3.2 原结构计算结果分析

图 17 显示了原结构数值试验的速度场，该例的主要问题在于蜗壳起始范围内有较大的低速区。

出风筒设计较合理，仅在底部有低速区，这主要是

由于当量扩张角不合适造成的分离。

图 17 扩压器中心断面绝对速度分布矢量图

3.3 结构优化及结果 优化结构原则同前两个算例，按照编制的设计

规范进行重新设计。图 18 显示了优化后的速度场，从图 18 中可以看出整体流动很均匀。通过对出风筒当量扩张角的优化，消除了出风筒内气流的分离。

图 18 优化后的扩压器中心断面绝对速度分布矢量图

从表 3 的模拟结果看出，优化前后整级多变效率提高约 3.0%。充分说明“焊接式排气蜗壳气动设计规范”中提出的设计方法的有效性和通用性。

表 3 优化前后整级性能对比

性能参数 原结构 优化结构

等熵效率 ηs / %

多变效率 ηp / %

静压比 π

总压比 π*

80.27

81.08

1.380 2

1.345 8

83.22

83.93

1.399 3

1.358 9

4 结论

在本文研究的压缩机生产厂家的生产实际中，

性能试验经常出现低于设计值的现象，特别是在一

段仅有一个叶轮的情况下，效率比设计值要低 4%～5%，这种现象一直困扰着压缩机的设计者。本文的研究结论与工厂的试验结果正好吻合，从而揭示了

原来性能试验结果不理想的根本问题所在，同时这

一结果与新比隆介绍的情况大体相当。本文研究结

果表明以下几点。 (1) 压缩机中静止元件对整个压缩机组的工作

效率有相当大的影响，排气蜗壳的地位不容忽视，

它在提高离心压缩机的性能、拓宽其稳定运行范围

方面发挥着显著的作用。 (2) 本文以三台压缩机组末级排气蜗壳为研究

对象，使用计算流体动力学技术，分析原来设计的

两类典型焊接式排气蜗壳内存在的问题，进行了有

效的优化设计。在此基础上，总结出“焊接式排气

蜗壳气动设计规范”。大量数值试验结果证明，该规

范具有很好的通用性，可以推广应用于所有的焊接

式排气蜗壳设计。

机 械 工 程 学 报 第 45 卷第 5 期期 316

(3) 蜗壳断面面积变化规律直接影响蜗壳内部流速和压力的均匀性，压力波动可以向上游传播，

进而影响扩压器甚至叶轮的工作，因此应该仔细 设计。

(4) 喉口以及出风筒的设计一定要考虑气流不能有急剧转折，否则将引起较大的流动损失。

(5) 该规范为工厂以后的蜗壳设计提供了依据，按照这种方法设计，可以大幅度地提高每段末

级的效率，大大减少机器运行成本(大型机组每年可节省数百万元)，提高产品的市场竞争力。

参 考 文 献

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作者简介：冀春俊，男，1962 年出生，博士，教授。主要研究方向为叶

轮机械气体动力学和计算流体力学。

E-mail：chunji@dlut.edu.cn

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作者简介：王一治(通信作者)，男，1966 年出生，博士研究生，高级工

程师。主要研究方向为机器人技术与应用。

Email：wyz@shu.edu.cn

常德功，男，1950 年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机

构设计、智能机械系统。