離心式壓縮機級的改進與優(yōu)化

離心式制冷壓縮機式離心式冷水機組的關鍵部件，而離心式制冷機組都是為一特定的制冷裝置服務的。根據(jù)制冷裝置所需要的低溫要求，可以確定所需相應的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。從而得出所需的能量頭。當單級壓縮機所產(chǎn)生的能量頭不能滿足所需要的能量頭時，如冰蓄冷的離心機以及熱泵工況的離心機，通常采用雙級或多級壓縮的形式。

在多級離心壓縮機中，為了把擴壓器中出來的氣流引入下一級，在擴壓器后裝有彎道和回流器。彎道是隔板和氣缸組成的通道，回流器則由兩塊隔板和裝在隔板之間的葉片組成。研究表明，彎道和回流器中損失并不小，有時可達到級能量的6%-8%，與擴壓器的損失大小接近?？梢姼纳茪饬髟趶澋兰盎亓髌髦械膿p失相當重要。

本文主要介紹一種雙級離心式制冷壓縮機回流器設計改進情況，并利用CFD進行優(yōu)化分析，以期能提高雙級壓縮機級的全工況性能。

原壓縮機級的設計說明

原離心壓縮機為一臺Rl34a，制冷量為6000KW離心壓縮機，壓縮機為半封閉式雙級壓縮的結構形式，級包括進口可轉導葉IGV、一級葉輪、擴壓器、彎道、回流器、二級葉輪、擴壓器、蝸殼幾個部分。級的模型如圖1，原始壓縮機第1級的氣動參數(shù)如下:

下面主要闡述一種雙級離心壓縮機中回流器的設計與優(yōu)化。

回流器設計與優(yōu)化

在離心壓縮機中，回流器是用來引導從擴壓器元件的強旋繞氣流以軸線或所需方向進入下一級的，主要起導流作用?；亓髌髦醒b有葉片，以保證氣流的流動方向。

決定回流器形狀及性能的幾何參數(shù)有:回流器進出口寬度b5、b6，進出口直徑D5，D6，葉片進出口幾何角a 5A、d6A，葉片數(shù)z和葉片型線，這些參數(shù)設計的合理性直接影響壓縮機的性能，以下主要講述這些參數(shù)如何確定。

3.1 葉片型線確定:

回流器葉片型式有等厚度和變厚度的。采用等厚度葉片可以使回流器寬度b基本保持不變。等厚度葉片的回流器，一般做成寬度逐漸向內(nèi)徑方向增大。這時，兩種情況下的回流器，沿流到的截面都變化不大，可以使流速均勻，損失較小。

在回流器中，一般不希望回流器中C6

葉型對回流器流動的影響.通過葉道的有效面積來分析。葉片數(shù)趨于無窮大時，氣流角和葉片角是一致的，而實際上葉片數(shù)是有限的，氣流角和葉片角不可能總是一致。這樣在葉道中間，等厚度葉型的有效通流面積不能隨氣流角變化而變化，這樣就容易使回流器中產(chǎn)生擴壓流動或加速流動，從而使流場惡化。

為此，利用Concepts-NREc離心壓縮機設計軟件對回流器葉片型線進行優(yōu)化設計，將原始等厚度葉片型線改進為變厚度葉片型線，如圖2，圖3，并對二者內(nèi)部流場進行cFD分析，分析結果如下:

從CFD分析結果可以看出，等厚度葉片型線內(nèi)部在葉片吸力面產(chǎn)生較大的漩渦，而變厚度擴壓器在此處的流場得到明顯改善。

3.2 進出口幾何角確定:

研究表明:不同的回流器葉片的進口安裝角對回流器的流動性能有顯著的影響，進口較大的正沖角及負沖角對均會在回流器葉片表面產(chǎn)生大尺度的分離渦團，在給定的流量工況下，在0°沖角時回流器有較好的流動性能

可見進口安裝角對壓縮機級的性能曲線影響較大，為此分別取不同的進口安裝角對級性能進行研究，圖6是不同葉片進口沖角級性能曲線對比。(其中i=a2A-a2)

考慮到離心式制冷壓縮機要求較寬的穩(wěn)定運行工況范圍，故在設計點取較小的負沖角;i=0°

回流器出口安裝角a6A一般取90°，但考慮到氣流出口角a6與a6A會相差一個落后角，故可使a6A朝反方向增加5°-7°，以使實際氣流出口角接近90。，保證以軸向進入下一級。

3.3 回流器寬度的確定

在回流器中一般不希望回流器中C6

考慮到葉輪的b2/D2值=0.058>0.04，葉輪出口寬度較大，D4/D2=1.7，進入擴壓器速度相當較小。故取B5=B4，B6=1.0585。

3.4 葉片數(shù)的確定

回流器的葉片數(shù)一般為Z5=12-18，直徑較小使，z5取較小值，為了為避免發(fā)生共振，設計時取葉輪和回流器的葉片數(shù)互質。本次設計取葉片數(shù)Z5=15。

回流器前設計葉片擴壓器的影響

研究表明，在工況變化時，葉輪出口氣流。及角a 2變化較大，因而直接影響無葉擴壓器出口氣流角a4，這樣回流器的進口氣流沖角i隨之改變，影響壓縮機的全工況性能。試驗證明，葉片擴壓器器后的回流器，在工況變化時損失系數(shù)變化不大，而無葉擴壓器后的回流器的損失系數(shù)變化較大。由于在工況變化時，葉片擴壓器出口氣流角a4基本不變，則a5也變化不大，故進入回流器氣流的角度變化不大，所以它的損失系數(shù)隨流量變化較為平緩。

采用Concepts-NREC離心壓縮機設計軟件對回流器前設置不同擴壓器的級性能進行分析，結果如圖7

從圖中可以看出回流器前置葉片擴壓器器，在設計點60%-115%流量范圍內(nèi)級絕熱效率均比前置無葉擴壓器要高2-3%。

為改善壓縮機的全工況性能，在第一級葉輪后設計一低稠度葉片擴壓器，葉片型線采用NACA65(04)06機翼型葉片;葉片數(shù)為9片。

實驗測試與驗證

試驗方法:采用與原有離心壓縮機相同的試驗方法，即將壓縮機進口lGV全開和保證壓縮機吸氣壓力355KPa以及吸氣溫度5.8℃不變，通過調(diào)整冷卻水進水溫度不斷調(diào)整壓縮機排氣壓力，測試壓縮機性能特性。通過檢測壓縮機吸排氣口溫度壓力參數(shù)，計算壓縮機的壓比及絕熱效率;通過檢測機組的制冷量計算壓縮機的容積流量。

測試數(shù)據(jù)顯示，采用改進后的變厚度回流器與低稠度葉片擴壓器組合方式壓縮機效率及壓比都有較大幅度的提高，在設計點壓縮機絕熱效率約提高了3%-4%，壓比提高2-3%，在7%-100%流量區(qū)域，壓縮機絕熱效率提高較為明顯。在流量低于70%后，壓縮機效率下降較快，分析認為葉片擴壓器的影響致使小流量性壓縮機性能衰減。

結束語

綜上所述，本文探討一種雙級離心壓縮機回流器的結構的改進，初步得出如下結論:

1):采用變厚度的回流器有助于提高壓縮機級的效率和壓比;

2):在回流器前設置低稠度葉片擴壓器器有助于蓋上壓縮機全工況性能。