大型空分等溫壓縮機氣動特點分析及改進*

趙燕杰 耿文倩 李景銀/西安交通大學能源與動力工程學院

大型空分等溫壓縮機氣動特點分析及改進*

趙燕杰 耿文倩 李景銀/西安交通大學能源與動力工程學院

通過對國外引進的冷卻器內置式的大型空分用等溫離心壓縮機組進行研究，計算了壓縮機各級模型，得到了不同工況下各級流動特性，對各級流場進行分析發(fā)現(xiàn)，在葉輪輪盤轉彎處、葉輪出口及擴壓器的蓋側有明顯的低速區(qū)，易發(fā)生流動分離；研究導葉安裝角對級性能的影響發(fā)現(xiàn)，隨著安裝角的減小，其性能曲線變陡。本文還對第一級的進口流道進行改進，使進口導葉盤側半徑與葉輪進口盤側半徑相同，結果表明其壓比和效率都有明顯提高。

空分壓縮機；等溫壓縮；數(shù)值分析；流動特性

0 引言

大型空分壓縮機廣泛應用于煤化工、石油化工等行業(yè)，目前是國內大型壓縮機制造企業(yè)的優(yōu)先開發(fā)方向。大型空分裝置用離心壓縮機的流量大、壓比高，功率消耗大（可占整個空分裝置的運行成本80％以上），因此，其葉輪都為大寬度三元離心葉輪，且采用級間冷卻，以降低功耗[1-4]。

以前的文獻多是針對普通離心壓縮機某一級或其中的一些部件進行，如Choi Y D[5]等人對離心壓縮機中的葉輪、擴壓器及蝸殼之間的影響進行了研究；劉正先[6]等人則研究了葉輪進口速度的不同分布對離心壓縮機的某一級的性能和流場的影響；席光[7]等人對某帶葉片擴壓器的離心壓縮機進行實驗和數(shù)值研究，分析了不同葉片擴壓器進口安裝角對壓縮機性能和流場的影響。李學臣[8]等人采用CFD方法研究了彎道、回流器和進氣段對多級壓縮機級性能的影響，結果表明進氣段相對彎道、回流器來說對級性能影響最大，而隨著回流器葉片出口角增大，級壓比有所增加；陳宗華[9]等研究了兩級離心壓縮機中的流動情況，發(fā)現(xiàn)在非設計工況下前級出口的速度分布會導致下級流動的惡化。

目前對于空分用的大型等溫離心壓縮機研究的文獻較少。我國從國外引進的空分用離心壓縮機，都采用的是冷卻器內置式等溫型離心壓縮機機組，結構緊湊。但該類離心壓縮機機組的各級葉輪具有什么特點？流場是否合理？葉輪是否高效？我國離心壓縮機制造企業(yè)并不清楚。對這些問題的探索，將對設計開發(fā)我國大型高效空分壓縮機很有裨益。本文通過對某引進大型等溫空分機組的各級離心葉輪的性能和內部流場的研究，分析其離心葉輪的流場特點；在此基礎上，對該機組的通流元件進行改進設計，探索進一步提高該類機組的途徑和效果。

1 數(shù)值模型與計算方法

1.1 物理模型

本文研究的四級等溫離心壓縮機，主要部件包括第一級葉輪前的12個進口導葉；四級葉輪，其中第一級采用11組三元長短葉片，后三級為16個普通三元葉片；前三級的葉片擴壓器，葉片數(shù)都為24；前三級的冷卻器，冷卻方式為內部冷卻。各級葉輪出口直徑分別為900mm、800mm、750mm、630mm，出口寬度則分別為76.5mm、60.5mm、56.5mm、37.5mm。圖1所示為該等溫離心壓縮機子午流道示意圖，左邊進氣。設計點質量流量為40.5kg/s，轉速7 664r/min。等溫壓縮機采用四級壓縮，逐級冷卻方式。性能測試時也采用逐級采集參數(shù)進行測試，測點位置如圖1所示。在各級的機殼側壁上安裝總壓探針、溫度計；第一級葉輪壓縮前參數(shù)測點布置在導葉前的壓縮機機殼側壁上，壓縮后參數(shù)測點布置在冷卻器前的壓縮機機殼側壁上，后三級葉輪壓縮前測點布置在前一級冷卻器后的壓縮機機殼側壁上，二、三級壓縮后測點位于其各級冷卻器前的壓縮機機殼側壁上，第四級壓縮后測點位于其無葉擴壓器的機殼側壁上。

圖1 四級離心壓縮機剖面示意圖

1.2 計算區(qū)域

為了研究等溫離心壓縮機各級的流動，本文對此四級離心壓縮機設置了四個計算模型，每個計算模型所包含的部件如表1所示。

表1 四種計算模型部件表

表2 四種模型網(wǎng)格數(shù)目表

1.3 數(shù)值計算方法

采用ANSYS CFX軟件模擬壓縮機內部的流動，獲得離心壓縮機的氣動性能和流場分布。網(wǎng)格劃分采用Turbogird生成結構化網(wǎng)格，對壁面附近、葉片進出口進行網(wǎng)格加密，各部分網(wǎng)格數(shù)目如表2所示。

第一級、第二級和第三級葉輪與各級擴壓器的動靜交界面處直徑分別為920mm、815mm、760mm；進口導葉與第一級葉輪的動靜交界面位于葉輪進口處。湍流方程采用k-ε模型。進口邊界條件給定總溫、總壓和速度方向：第一級模型的進口總溫303K、總壓98 000Pa；第二級模型的進口總溫314K、總壓191 000Pa；第三級模型的進口總溫318K、總壓308 000Pa；第四級模型的進口總溫320K、總壓484 000Pa。四級的進口速度方向均設為軸向；所有模型的出口都給定質量流量。

2 各級性能計算及改進

2.1 數(shù)值計算算法驗證

為了驗證數(shù)值計算方法的可靠性，首先對文中所研究壓縮機的第一級模型進行數(shù)值模擬，并與實驗結果進行對比。

本文采用了三種不同數(shù)目的網(wǎng)格進行數(shù)值模擬驗證網(wǎng)格無關性，為了定量顯示對比結果，將不同網(wǎng)格計算的40.5kg/s流量下的壓比和效率列于表3。

表3 流量為40.5kg/s下三種網(wǎng)格計算的葉輪壓比和效率表

圖2 第一級模型的性能曲線圖

從表3中可以看出隨著網(wǎng)格數(shù)目加倍，第二種網(wǎng)格計算結果與第三種網(wǎng)格計算結果相差小于0.5％，可以認為已滿足網(wǎng)格無關性。本文所研究的壓縮機第一級的實驗結果分別為壓比1.998，效率0.839，可以認為計算精度滿足性能分析要求。在本文隨后的數(shù)值計算中，將采用同樣的網(wǎng)格密度和網(wǎng)格分布方式。

2.2 壓縮機各級性能分析

圖2為第一級模型的計算性能曲線與實驗值的對比。在整個工況范圍內，壓縮機多變效率最低為82％，在設計點達到最大值83.9％。設計點計算壓比和效率都要高于實驗值，計算壓比比實驗值高2.9％，計算效率比實驗值高2.8％。這是因為實際計算區(qū)域與測量的截面并不重合，實際測量是從壓縮機進口到冷卻器進口，而計算區(qū)域為導葉前到擴壓器出口，所以效率和壓比都比實驗值略高。

圖3所示為第一級葉輪子午面的速度云圖。葉輪子午面上有兩個明顯的低速區(qū)，分別為葉輪進口靠近輪盤側和出口靠近輪蓋側。由于在葉輪進口處，氣流速度沿流道逐漸轉向，葉輪也沒有對氣體做功，故氣流速度從輪蓋側向輪盤側速度逐漸減小，壓力增大，因此形成葉輪進口處輪盤側的低速區(qū)，其影響一直延伸到葉輪內部。在設計流量下其低速區(qū)域最小。而在輪蓋側，從葉輪進口到葉輪出口，氣流是先加速再擴壓，氣流速度逐漸減小。隨著流量的增大，輪蓋側低速區(qū)先減小后增大，在設計流量下最小。其他三級葉輪內的流場也表現(xiàn)出類似流場分布和變化趨勢。

圖4所示為第一級擴壓器子午面在不同流量下的速度云圖。由于葉輪出口速度和壓力的不均勻，氣體進入擴壓器，沿盤側和蓋側的變化趨勢不同。氣流在擴壓器蓋側的減速流動導致了一個明顯低速區(qū)，但在擴壓器出口處，蓋側分離區(qū)的低速或分離氣流速度又逐漸增大，分離區(qū)并未擴散到擴壓器出口。隨著流量的增大，低速區(qū)逐漸減小。這種擴壓器內的速度分布規(guī)律在后兩級的擴壓器中也可以觀察到。

圖3 不同流量下第一級葉輪子午面相對速度分布圖

圖4 不同流量下第一級擴壓器子午面相對速度分布圖

圖5至圖7分別是后面三級的各級性能曲線，從圖中可以看出，當流量大于42kg/s時，總級壓比下降加快，同時都是在設計點附近達到效率最大值。設計點計算壓比和效率都要高于實驗值，但與實驗的誤差都在3％以內。

圖5 第二級模型的性能曲線圖

圖6 第三級模型的性能曲線圖

圖7 第四級模型的性能曲線圖

2.3 不同導葉安裝角下級性能分析

空分離心壓縮機與管網(wǎng)共同工作時，由于用戶要求，往往需要對氣體流量或出口壓力進行調整，因而需要對壓縮機的性能曲線進行調整。導葉調節(jié)具有調節(jié)范圍寬、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，因此可轉動進口導葉調節(jié)的方法經(jīng)常被采用。

本文對5個進口導葉安裝角（分別為105°， 87°（實際運行值），70°，60°，50°）分別進行了數(shù)值計算，得出離心壓縮機在不同進口角度下的流動性能。圖8為計算得到的級壓比/流量、效率/流量的性能曲線。由圖中可以看出，在安裝角大于70°的情況下，其壓比曲線較為平坦，并且工作效率較高，當安裝角低至50°時，其壓比曲線變得陡峭，穩(wěn)定工作范圍減小，效率降低。

圖8 不同安裝角下的性能曲線圖

圖9 安裝角為50°時小流量下葉輪不同葉高處回轉面流線圖

當進口導葉調節(jié)的角度增大時，盡管導葉流道內的分離流動不明顯，但葉輪流道內的流動分離明顯，在小流量下分離嚴重。圖9是安裝角為50°情況下，小流量下的葉輪回轉面的流線分布。從圖中可以看出，在0.1倍葉高處，在長葉片吸力面前段產生一個較大的旋渦，約占流道的1/2；在0.5倍和0.9倍葉高處，兩者的流動和分離情況相似，葉片前半段流道中，流體流動情況較好，但在葉片后半段的流道中，流動紊亂，流動發(fā)生分離，產生旋渦。這些分離渦團易導致葉片振動和疲勞破壞。在長葉片吸力面和短葉片壓力面組成的流道中，流動情況比其相鄰流道中的流動稍好。

2.4 第一級流道改進研究

該國外引進空分壓縮機，為了便于第一級葉輪套裝，第一級進口導葉的內徑小于葉輪進口處輪盤的內徑，因而在第一級葉輪的進口內徑前有一凸起（見圖10（a）），這會對葉輪進口流動產生較大干擾，影響級效率，甚至影響整個機組的運行。本文通過給第一級葉輪前轉軸加上一個套環(huán)的方式，使進口導葉的內徑與葉輪的進口內徑相同，研究該凸起對壓縮機性能的影響程度。改進后的流道如圖10（b）所示。

圖10 第一級流道改進前后對比圖

圖11為第一級流道改進前后性能對比，從圖中可以看出改進后的第一級的壓比和效率相對于改進前都有所提高。在設計流量下，壓比和效率分別提高了3.2％和2.1％。由此可見，這種工藝簡化方法對第一級離心葉輪的性能影響還是很可觀的。隨著流量增大，轉軸凸起的影響效應逐漸減小。

圖12～14分別為改進前后不同流量下第一級流道子午面絕對速度云圖?？梢钥闯觯倪M前，軸的凸起處都有一個低速區(qū)，導致葉輪進口流場沒有改進后的葉輪流場均勻。進口流道改進效果甚至影響到擴壓器內的速度分布，改善了其內部流動的不均勻性，使擴壓器內部低速區(qū)域減小。

圖11 第一級流道改進前后性能對比圖

圖12 小流量下的第一級改進前后子午面速度云圖

圖13 設計流量下第一級改進前后子午面速度云圖

圖14 大流量下第一級改進前后子午面速度云圖

3 結論

本文對一臺四級大型空分等溫離心壓縮機進行研究，分析了各級內部流場，得到相應的性能曲線，與設計點實驗值對比，計算結果可靠。在此基礎上，對進口導葉對首級性能的影響進行了性能分析，并對首級流道進行改進，得出以下結論：

1）該等溫壓縮機在小流量下，其葉輪的出口蓋側及擴壓器的蓋側均存在較明顯的低速區(qū)，易發(fā)生分離；隨著流量的增大，葉輪出口蓋側的低速區(qū)先減小后增大，而擴壓器蓋側的低速區(qū)則明顯減小。

2）首級壓縮機的穩(wěn)定工況范圍隨著進口導葉安裝角的減小而變窄。在導葉調節(jié)角度過大的情況下，第一級動葉會產生比較大的分離渦團，惡化葉輪中流體的流動，并會誘發(fā)葉片疲勞破壞。

3）對壓縮機第一級的進口流道進行改進，發(fā)現(xiàn)首級轉子前的軸部凸起對第一級的壓比和效率都有明顯影響，值得做相應改進。

[1]徐忠.離心式壓縮機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[2]James M.Sorokes,Mark J Kuzdzal,張海界.離心壓縮機的發(fā)展歷程[J].風機技術，2011（3）：61-71.

[3]花嚴紅，袁衛(wèi)星，王海.離心壓縮機研究現(xiàn)狀及展望[J].風機技術，2007（3）：59-62.

[4]張玉珠，齊智勇.3萬8空分單軸懸臂多級離心壓縮機的研制[J].風機技術，2011（6）：22-25.

[5]Choi Y D,Kurokawa J,Matsui J.Performance and internal flow characteristicsofaverylowspecificspeedcentrifugal compressor[J].ASME Journal of Fluids Engineering,2006,128 (2):341-349.

[6]劉正先，王桂林，李俊峰.入口非均勻氣流對離心壓縮機級性能的影響[J].工程熱物理學報，2009,30（3）：415-418.

[7]席光，周莉，丁海萍，等.葉片擴壓器進口安裝角對離心壓縮機性能影響的數(shù)值與實驗研究[J].工程熱物理學報，2006,27（1）：61-64.

[8]李學臣，席光，李心偉.離心壓縮機中間級內流動數(shù)值研究[J].工程熱物理學報，2010，31（6）：955-958.

[9]陳宗華，谷傳綱，舒信偉.采用混合工質的兩級離心壓縮機性能數(shù)值分析[J].流體機械，2011,39（3）：23-27.

Aerodynamic Characteristics Analysis and Improvement for a Large-scale Air Separation Isothermal Centrifugal Compressor

Zhao Yan-jie，Geng Wen-qian，Li Jingyin/SchoolofEnergyandPower Engineering,Xi'an Jiaotong University

Numericalsimulationshave been conducted on a large-scale isothermalcentrifugalcompressorusedforair separation with built-in coolers,introduced from abroad,to obtain the characteristics of each single stage in the compressor.Flow separationorlow-speedregionsare typically found to occur near the hub side at the impeller inlet turning,next to the shroud side at the impeller outlet,and on theshroudsideinthediffuser.The influence of the inlet guide vane angles on the characteristics of the first stage is investigated.Theperformancecurve becomes steeper with the decrease in the stagger angle of the inlet guide vane.The design of the first stage is improved by making the inner radii of the inlet guide vane equal to the radii of the impeller hub in the meridional plane,which results in an evident increase in both the pressure ratio and the efficiency.

Air separation compressor; isothermalcompression;numerical analysis;flow characteristic

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2016）02-0023-07

10.16492/j.fjjs.2016.02.5022

國家自然科學基金（51276137）

2015-10-12陜西西安710049