Page 54 - 《真空与低温》2026年第2期

郝昭璋等：稀释式制冷氦离心压缩机叶轮设计与模拟分析 173

图 4（b）是叶轮子午面上的静压分布云图，可 根据 Yoon 等 [14] 的研究，喘振通常发生在特性曲线
以看出气体能够在叶轮内较为均匀地增压，同样也 的零斜率或正斜率处，为了避免喘振现象，可以利
验证了设计的合理性。图 4（c）、图 4（d）展示了基 用出现最大压比时所对应的质量流量预测该叶轮
于 Q 准则，并以静态熵着色以表征流动损失情况 在目标转速下的喘振点，进而建立喘振线。
的涡量云图，涡主要集中在叶顶间隙区域并有较为 通过预测冷压缩机各转速下喘振点，对预测
明显的叶顶间隙损失，压力面及吸力面内流道状况 出的喘振点进行拟合，得到了喘振线，建立了本文
较为良好。 所设计冷压缩机叶轮的特性曲线，如图 5（a）所示。
2.2 变工况下的性能分析及建立喘振线 根据叶轮不同转速下，等熵效率随流量的变化绘
为了解压缩机在实际运行中可能遇到的非设 制图 5（b），在叶轮转速过高时，会出现范围较大
计点表现，以及为了避免出现喘振和阻塞现象，本 的局部马赫数大于 1 的现象，如图 6 所示为相同
文通过调整压比和叶轮转速，对其变工况性能进行 压比下，不同转速下 95% 叶高截面的马赫数分布
了探究。 云图，可以看到叶顶区域在高转速下形成了明显的
喘振是压缩机在恒定转速下质量流量降低时 跨声速流动区域，引发了激波以及激波与边界层
发生的不稳定性非定常流型，不仅会导致压缩机性 相互作用诱发的二次流，进而导致了叶轮效率的
能的恶化，对叶片及机械结构也会产生负面影响 。 下降。
[13]

82
2.75
80
2.50
2.25 78
压比 2.00 −1 效率/% 76
1.75 转速/（r·min ）
−1
9 000 转速/（r·min ）
1.50 9 500 74 9 000
10 000 9 500
1.25 10 500 72 10 000
11 000 10 500
1.00 喘振预测线 11 000
70
2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8
−1
−1
流量/（g·s ） 流量/（g·s ）
（a）压比随流量的变化 （b）效率随流量的变化
图 5 不同转速下叶轮的特性曲线
Fig. 5 Impeller characteristic curves at different speeds

马赫数
1.500
1.175

0.850

0.525

0.200 9 000 r/min 9 500 r/min 10 000 r/min 10 500 r/min 11 000 r/min

图 6 不同转速下 95% 叶高截面处马赫数分布云图
Fig. 6 Contour of Mach number distribution at 95% span under different rotational speeds

3 总结 一维平均流线法与三维 CFD 数值模拟相结合的手

本文针对稀释制冷机氦循环系统的大流量需 段，完成了叶轮的气动设计与性能评估。结果验证
求，提出并验证了离心式冷压缩机技术方案。通过 了设计方法的有效性。基于参数化扫描与迭代优