雙葉柵葉片回流器在離心式壓縮機應用研究

張治平，劉建飛

（珠海格力電器股份有限公司，廣東　珠?！?19070）

雙葉柵葉片回流器在離心式壓縮機應用研究

張治平*，劉建飛

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

本文討論了擴壓器與回流器對離心式壓縮機運行范圍及穩(wěn)定性的影響，提出應用雙葉柵葉片回流器改善穩(wěn)定性及運行范圍。通過CFD仿真及實驗證明，用雙葉柵葉片回流器/無葉擴壓器方案替代單葉柵葉片回流器/無葉擴壓器方案，可將壓縮機實際運行范圍擴展15%左右。

離心式壓縮機；雙葉柵葉片回流器；無葉擴壓器；運行范圍

0　引言

離心式壓縮機的喘振特性導致的運行范圍過窄一直是離心壓縮機設計與應用面臨的主要問題。為提升壓縮機及機組的部分負荷性能，減少壓縮機喘振的發(fā)生，主要方法有采用無葉擴壓器和采用變轉速調節(jié)［1-2］，但這兩種方式降低最低負荷有限［3］，有些廠家通過增加可調擴壓器或增加導葉機構方式調節(jié)，該種方法雖然可以顯著提高運行范圍，但其部分負荷性能卻會顯著降低，當然也可以在系統(tǒng)中采用熱氣旁通的方式調節(jié)［4］，但該種方式相當于壓縮機做功的浪費。

對多級離心壓縮機，回流器是一個重要的部件，對下一級氣體葉輪進口狀態(tài)有顯著影響，自然也會影響壓縮機運行范圍與喘振特性，但業(yè)內對于回流器的研究較少，隨著行業(yè)對離心式制冷壓縮機運行范圍及部分負荷性能［5］要求越來越苛刻，回流器的設計優(yōu)化顯得越來越重要。

本文主要介紹了一種雙葉柵葉片回流器在離心壓縮機中的應用，將回流器葉片拆分為前后兩列，通過后列葉片限制回流器葉片的邊界層分離，阻止回流器流動惡化，通過提高回流器出口速度場的均勻性改善壓縮機的運行范圍。并通過CFD分析與實驗證明了該方案的可行性與實際效果。

1　理論分析

典型雙級壓縮的離心式壓縮機示意圖如圖1所示，回流器在多級壓縮機中主要用于消除一級擴壓器流出氣流的旋繞［6］，將氣流引向二級葉輪，這會直接影響二級葉輪進口的氣體狀態(tài)，回流器流動惡化會影響二級葉輪進口速度場均勻性，使得二級葉輪及擴壓器流動穩(wěn)定性變差，壓縮機運行效率降低，在惡劣工況下容易出現(xiàn)喘振［7］。

從回流器角度來看，影響回流器流動的主要參數(shù)有回流器入口狀態(tài)、回流器葉片型線、回流器沿流線通流面積，三者在設計中需要仔細考慮［8］。

其中，回流器入口狀態(tài)主要受一級擴壓器影響，目前制冷行業(yè)主要采用無葉擴壓器，采用的葉片回流器如圖2所示。在下文中統(tǒng)一稱現(xiàn)有的單列葉片的回流器為單葉柵葉片回流器，以與文中的雙列葉片的回流器區(qū)分。

圖2　單葉柵葉片回流器

擴壓器內部在小流量條件下仍能保證較好的流動情況，但由于缺少擴壓器葉片來矯正擴壓器出口氣流角，導致在變流量條件下，回流器葉片沖角變化較大。圖3所示為Benvenuti繪制的回流器流道損失隨沖角變化規(guī)律［9］，其中α表示氣流沖角，α6b表示葉片入口角。

從圖3中可以看出沖角變化會顯著影響回流器損失，惡化回流器內流動。流量減小時，沖角變大，會在回流器葉片背壓面出現(xiàn)邊界層分離，產生較大的分離損失［10］，邊界層分離產生的氣流紊亂會影響下一級葉輪進口狀態(tài)，降低二級葉輪流動效率，使得下一級流動惡化，導致壓縮機在小流量下更容易喘振［11］。

圖3　回流器流道損失變化（Benvenuti，1977［9］）

無葉擴壓器/單葉柵葉片回流器方案無法同時兼顧擴壓器與回流器的流動情況，無法同時兼顧效率與運行范圍。針對此問題，我們進行了不斷的研究與探索，在葉片擴壓器中有一種雙葉柵葉片擴壓器［12］的結構，該結構采用前后兩列擴壓器葉片，可以提高葉片擴壓器的運行范圍，我們將此技術應用于回流器中，將葉片分為前后兩列葉片，如圖4所示，后列葉片置于前列葉片尾部，處于兩前列葉片之間，通過與無葉擴壓器配合使用。

圖4　雙葉柵葉片回流器

在額定工況附近運行時，氣流流出上一級擴壓器后，以一個較小的沖角流向前列回流器葉片，通過前列葉片對氣流方向的矯正作用，后列葉片也有一個較好的氣流沖角，流動損失小，下一級葉輪入口氣流速度分布均勻，效率較高。在流量減小時，由于采用無葉擴壓器，擴壓器中流動情況較好，但流出擴壓器的氣流角相對于額定工況下會有較大變化，回流器葉片氣流沖角增大，此時會在前列回流器的根部形成邊界層分離，如圖5所示虛線區(qū)域，分離的邊界層繼續(xù)發(fā)展會遇到后列葉片，后列葉片的壓力面會限制邊界層分離的發(fā)展，阻止回流器流動進一步惡化，與此同時前列葉片壓力面對氣流方向的矯正作用可以阻止后列葉片背壓面出現(xiàn)邊界層分離，通過此種方式可以將邊界層損失限制在前列葉片尾部與后列葉片壓力面之間，進而將下一級葉輪進口的氣流速度分布維持在一個相對均勻的條件下。這樣在離心壓縮機流量變化的過程中，擴壓器與回流器均可以維持在一個相對穩(wěn)定的流動情況，同時消除了回流器流動不穩(wěn)定對下一級葉輪與回流器流動的影響，提高了二級葉輪與回流器的流動效率，拓展整個壓縮機的運行范圍。

圖5　大沖角下雙葉柵葉片流動示意圖

2　方案設計

為后續(xù)分析方便，我們對某單列回流器模型按照雙葉柵葉片形式進行了再設計，其結構參數(shù)示意圖如圖6所示。

圖6　雙葉柵葉片回流器結構參數(shù)示意圖

為使得分析數(shù)據(jù)更具有可比性，取雙葉柵葉片入口安裝角α6b、葉片出口安裝角α7b、葉片入口半徑R6、葉片出口半徑R7均與單葉柵方案保持一致，前后列葉片在骨線的2/3處分離，即（Rd-R7）/（R6-R7）=2/3，后列葉片處于前列兩葉片的中間，即：t/tcm=1/2。具體值如表1所示。

表1　回流器仿真模型參數(shù)

前后兩列采用NACA-65號葉片型線，骨線采用CCR型線，公式如下：

3　CFD仿真分析

在結構方案提出后，我們針對該回流器模型進行了仿真分析，回流器三維如圖7所示。其中（a）為原有的單葉柵葉片回流器，（b）為雙葉柵葉片回流器，詳細參數(shù)如表1所示。在構建仿真模型過程中，為了考慮一級擴壓器出口彎道對于回流器氣流進口的影響，我們將回流器入口的彎道包括在內，同時為衡量回流器對二級葉輪進口的影響，我們也對葉片出口進行了延伸，實際單流道模型如圖8所示。為減少計算量，模型采用旋轉機械常用的周期邊界條件，計算模型采用速度入口邊界條件，靜壓出口邊界條件。

圖7　回流器三維

圖8　CFD仿真模型

采用ANSYS旋轉機械模塊對模型進行了網(wǎng)格劃分及仿真分析，網(wǎng)格劃分效果如圖9所示，其中單葉柵葉片回流器模型單流道網(wǎng)格節(jié)點數(shù)293，508，單元數(shù)273，090，雙葉柵葉片回流器模型單流道網(wǎng)格節(jié)點數(shù)314，535，單元數(shù)284，900。模型采用六面體劃分方式，對計算結果收斂性有益。

圖9　網(wǎng)格節(jié)點示意圖

圖10顯示了沖角為0°時單葉柵葉片回流器仿真結果，在葉片尾部出現(xiàn)了較小的尾跡區(qū)，并未出現(xiàn)邊界層分離，流動較好，模型出口處速度場范圍在10 m/s～32.5 m/s，從該速度場中可以很明顯地看出回流器葉片尾跡對二級進口影響。圖11為單葉柵葉片回流器在入口流量降低40%時的流動仿真結果，圖片顯示在葉片1/3處發(fā)生了很嚴重的邊界層分離現(xiàn)象，回流器出口速度場范圍在0 m/s～23 m/s，流量變小后模型出口徑向、周向均比正常流量下有較大惡化。

圖12顯示了沖角為0°時雙葉柵葉片回流器仿真結果，在小沖角條件下，前后兩列葉片均有一個較好的流動情況，模型出口流場18 m/s～35 m/s，整個回流器出口流場較為均勻，幾乎看不到尾跡區(qū)的影響，這為下一級的葉輪創(chuàng)造了比較好的流動入口，改善了整個壓縮機的流動效率，但由于有前后兩列葉片，氣流要兩次沖擊葉片，實際上回流器的總損失是增加的。圖13顯示了流量降低40%時，雙葉柵葉片回流器的流動情況，邊界層在前列葉片2/3處發(fā)生了分離現(xiàn)象，分離發(fā)散后被后列葉片阻擋，被限制在前后兩列葉片之間，同時后列葉片起到了光順氣流的作用，減少尾跡區(qū)對回流器出口的影響，回流器出口流場速度分布在12 m/s～24 m/s，氣流尾跡影響區(qū)遠小于單葉柵方案。

圖10　小沖角下單葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

圖11　大沖角下單葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

圖12　小沖角下雙葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

圖13　大沖角下雙葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

CFD仿真證明，雙葉柵葉片回流器可以起到限制分離的作用，確保了回流器出口（二級葉輪進口）的速度場分布均勻。葉輪是壓縮機最重要的做功部件，對入口敏感。良好的入口特性將提高葉輪的做功效率，同時提高二級擴壓器的流動效率，尤其是在小流量條件下，均勻的葉輪入口條件尤為重要，這可以有效提高二級葉輪及擴壓器流動穩(wěn)定性，提升壓縮機在惡劣工況下的表現(xiàn)，拓展壓縮機運行范圍。需要指出的是，雙葉柵葉片回流器與單葉柵葉片回流器相比，由于存在兩次氣流對葉片的沖擊，損失要大一些。

4　實驗驗證

為驗證無葉擴壓器/雙葉柵葉片回流器的實際效果，我們在該變頻機組中通過實驗進行了驗證，對比了無葉擴壓器/雙葉柵葉片回流器（方案1）、無葉擴壓器/單葉柵葉片回流器（方案2）兩個方案實際效果。結果如圖14所示，n表示額定轉速，在不使用導葉調節(jié)與可調擴壓器調節(jié)，僅采用轉速調節(jié)的條件下，與無葉擴壓器/單列葉片回流器方案相比，運行范圍提高15%以上。但是兩個方案的壓縮機效率無明顯變化。實驗證明方案1可有效改善壓縮機的運行范圍。

圖14　擴壓器與回流器方案實驗數(shù)據(jù)對比

5　結論

1）雙葉柵回流器可通過后列葉片限制前列葉片尾部的流體分離，光順葉片后氣流流動，改善二級葉輪入口流動，達到穩(wěn)定回流器內部流動的目的。

2）無葉擴壓器/雙葉柵葉片回流器方案可有效提高離心壓縮機的運行范圍約15%。

3）回流器的設計對壓縮機運行范圍有顯著影響，在更精細的壓縮機設計中需要仔細考慮。

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Application of Double Cascade Vaned Return Channel in a Centrifugal Compressor

ZHANG Zhi-ping*，LIU Jian-fei
（GREE Electric Appliances Inc，Zhuhai，Guangdong 519070，China）

The effect of diffuser and return channel on the stability and operation range of centrifugal compressors is discussed.Then it is referred that using the double cascade vaned return channel can improve the stability and operation range.Through the CFD simulation and experiment，it is proved that the real operation range of the compressors can be improved about 15% when using the scheme of vaneless diffuser plus double cascade vaned return channel instead of using the scheme of vaneless diffuser plus vaned return channel.

Centrifugal compressor；Double cascade vaned return channel；Vaneless diffuser；Operation range

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.204

*張治平（1982-），男，工程師，學士，產品經(jīng)理。研究方向：離心式冷水機組及離心式制冷壓縮機設計。聯(lián)系地址：廣東省珠海市前山金雞西路789號珠海格力電器股份有限公司商用空調技術一部，郵編：519070。聯(lián)系電話：18023037253。E-mail：Zzping001@126.com。

國家科技支撐計劃課題“新型溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)關鍵技術研究與設備開發(fā)”（No.2014BAJ02B01）