多級(jí)離心壓縮機(jī)葉輪逆向工程氣動(dòng)設(shè)計(jì)

劉華潔王金生譚佳健

（1.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司物資裝備部；2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

0　引言

離心壓縮機(jī)是石油化工行業(yè)中關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常直接關(guān)系到整個(gè)工藝流程的連續(xù)化生產(chǎn)。為避免非計(jì)劃停機(jī)引起整個(gè)生產(chǎn)裝置的停產(chǎn)，一方面，需做好離心壓縮機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作；另一方面，針對(duì)機(jī)組核心部件及易損元件需制造備件。在各類(lèi)備件中，轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)多、加工工藝復(fù)雜、精度高、周期長(zhǎng)，所以通常直接由原廠商供貨。但某些特殊情況下，原廠商無(wú)法提供備件轉(zhuǎn)子，此時(shí)常用方法是采用逆向工程方法進(jìn)行備件轉(zhuǎn)子的制造。

逆向工程方法通常是指獲得現(xiàn)有產(chǎn)品或零部件的幾何參數(shù)，然后對(duì)其進(jìn)行剖析、理解、改進(jìn)或重新開(kāi)發(fā)，以獲得同等或更高性能產(chǎn)品的一種研究方法，目前已經(jīng)成為快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要支撐技術(shù)[1,2]。劉會(huì)、琚亞萍等[3,4]曾使用便攜式關(guān)節(jié)臂激光掃描系統(tǒng)獲得了某天然氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的葉輪葉片型線數(shù)據(jù)，并分析了其氣動(dòng)和力學(xué)性能。王晟旻、琚亞萍等[5]以一臺(tái)四級(jí)工業(yè)用離心壓縮機(jī)為對(duì)象，通過(guò)逆向工程技術(shù)與參數(shù)化建模相結(jié)合的方法獲取整機(jī)通流部分的參數(shù)化模型，并通過(guò)CFD計(jì)算驗(yàn)證了該方法在流體機(jī)械工程領(lǐng)域應(yīng)用的有效性。

前人的工作大多是采用逆向工程方法獲得葉輪葉片型線，然后進(jìn)行氣動(dòng)與力學(xué)分析。采用此方法的前提是，離心壓縮機(jī)機(jī)組必須停機(jī)。作為過(guò)程工業(yè)的“心臟”設(shè)備，對(duì)設(shè)備管理制度有著嚴(yán)格的要求，停機(jī)主要有三種可能：其一，工藝流程計(jì)劃?rùn)z修時(shí)，機(jī)組進(jìn)行計(jì)劃停機(jī)；其二，壓縮機(jī)機(jī)組正常維保時(shí)，需計(jì)劃停機(jī)；其三，葉輪損壞、軸瓦溫度高等造成的事故停機(jī)。事故停機(jī)即為非計(jì)劃停機(jī)，此時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失，無(wú)論是在石油化工、制冷、空分等領(lǐng)域都將是巨大的。所以，不會(huì)因?yàn)橹圃靷浼D(zhuǎn)子進(jìn)行非計(jì)劃停機(jī)。

本文將研究一種新備件轉(zhuǎn)子的制造方法，即在保證離心壓縮機(jī)機(jī)組不停機(jī)的條件下，進(jìn)行備件轉(zhuǎn)子的逆向工程氣動(dòng)設(shè)計(jì)。此方法是指在無(wú)法獲得葉輪葉片型線數(shù)據(jù)且保證機(jī)組所有定子部件、子午型線、葉輪葉片前緣及尾緣及葉片數(shù)不變的前提下，通過(guò)重新設(shè)計(jì)葉輪葉片角度及厚度分布，達(dá)到預(yù)期機(jī)組氣動(dòng)性能和強(qiáng)度要求。主要步驟包括：一、機(jī)組數(shù)據(jù)表及通流部件尺寸的確定；二、葉輪氣動(dòng)參數(shù)逆向確定；三、葉輪葉片逆向開(kāi)發(fā)；最終完成備件轉(zhuǎn)子的加工制造。下文將以某國(guó)外離心壓縮機(jī)機(jī)組為研究對(duì)象，依托國(guó)內(nèi)某著名壓縮機(jī)廠商，對(duì)其轉(zhuǎn)子四級(jí)葉輪進(jìn)行逆向工程氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

1　機(jī)組數(shù)據(jù)表及通流部件尺寸

以某廠離心壓縮機(jī)組為例，其機(jī)型為BCL804，驅(qū)動(dòng)機(jī)采用汽輪機(jī)。從機(jī)組數(shù)據(jù)表可以得到該機(jī)組多種設(shè)計(jì)工況，選取保證點(diǎn)工況（SOR1）為例，具體參數(shù)如表1所示。

表1　SOR1工況參數(shù)Tab.1　The parameters of SOR1 operation condition

該機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，從圖中可以看出，共包含4個(gè)葉輪，從壓縮機(jī)進(jìn)口至出口方向，依次定義為a葉輪、b葉輪、c葉輪和d葉輪，各級(jí)葉輪主要幾何參數(shù)見(jiàn)表2。以上所有定子及子午尺寸均為已知條件。

圖1　機(jī)組示意圖Fig.1　The centrifugal compressor structure

表2　各級(jí)葉輪主要幾何參數(shù)Tab.2　The main geometry parameters of impellers of each stage

2　葉輪氣動(dòng)參數(shù)逆向確定

葉輪是離心壓縮機(jī)級(jí)中唯一對(duì)氣體做功、使氣體獲得能量的元件，其性能對(duì)壓縮機(jī)整機(jī)性能有重要影響[6]。葉輪氣動(dòng)參數(shù)包括多變效率ηpol、能頭系數(shù)τ、流量系數(shù)φ1和機(jī)器馬赫數(shù)Mu2。葉輪氣動(dòng)參數(shù)逆向確定是指通過(guò)已知離心壓縮機(jī)組數(shù)據(jù)表確定各級(jí)葉輪氣動(dòng)參數(shù)。此壓縮機(jī)組為單缸單段結(jié)構(gòu)，故各級(jí)葉輪氣動(dòng)參數(shù)可依據(jù)段中各級(jí)氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

多變效率確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，一般前面級(jí)效率高，后面級(jí)效率低，逐級(jí)下降。能頭系數(shù)確定：首先，根據(jù)公式1計(jì)算整機(jī)總能量頭；其次，假定各級(jí)能頭系數(shù)相同；再根據(jù)公式2計(jì)算單級(jí)葉輪能頭系數(shù)。壓比確定：由于段內(nèi)各級(jí)之間不存在中間冷卻，所以段壓比與級(jí)壓比之間的關(guān)系可采用公式3確定，再假定各級(jí)壓比相同即可計(jì)算各級(jí)壓比。機(jī)器馬赫數(shù)確定：已知各級(jí)能頭系數(shù)后，根據(jù)公式4可計(jì)算出各級(jí)出口溫度，即可依據(jù)公式5和6計(jì)算出各級(jí)進(jìn)口音速和機(jī)器馬赫數(shù)。流量系數(shù)確定：在確定各級(jí)進(jìn)口壓力及溫度后，可依據(jù)公式7計(jì)算出各級(jí)流量系數(shù)。最終，計(jì)算出各級(jí)氣動(dòng)參數(shù)作為開(kāi)發(fā)目標(biāo)，具體數(shù)值見(jiàn)表3。

其中，Wtot為整機(jī)總耗功J/kg；P為整機(jī)氣動(dòng)功率kW；G為整機(jī)質(zhì)量流量kg/s;I為級(jí)數(shù)；τ為能頭系數(shù)；u2為葉輪周速，m/s；D2為葉輪直徑，m；n為轉(zhuǎn)速，rpm；ε為壓比；Cp為定壓比熱，J/kg·K；Tout為出口總溫，K;Tin為進(jìn)口總溫，K;Cin為進(jìn)口音速，m/s;Z為壓縮性系數(shù)；K為絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/kg.K；Mu2為機(jī)器馬赫數(shù)；φ1為流量系數(shù)；Qin為容積流量，m3/s。

表3　各級(jí)氣動(dòng)參數(shù)Tab.3　The aerodynamic parameters of each stage

3　葉輪葉片逆向開(kāi)發(fā)

離心壓縮機(jī)葉輪三元葉片的設(shè)計(jì)，可以采用兩種氣動(dòng)命題方程：正命題和反命題。正命題必須先有葉輪的幾何型線才能進(jìn)行流動(dòng)分析，而反命題通過(guò)部分給定流動(dòng)參數(shù)同時(shí)獲得葉片幾何型線和整體流動(dòng)分布[7]。本文的葉輪葉片逆向開(kāi)發(fā)，并非反命題開(kāi)發(fā)，而是指：首先，葉輪子午型線、葉片前緣及尾緣位置和定子元件幾何結(jié)構(gòu)約束條件下進(jìn)行葉片開(kāi)發(fā)；其次，進(jìn)行葉輪力學(xué)強(qiáng)度分析，若不滿足強(qiáng)度要求，再返回葉片設(shè)計(jì)修改，直到葉輪氣動(dòng)性能和強(qiáng)度要求均滿足要求為止；最后，將各級(jí)氣動(dòng)性能曲線疊加成整機(jī)曲線，達(dá)到主要性能參數(shù)不低于原始數(shù)據(jù)表整機(jī)性能曲線為最終目標(biāo)。

3.1　葉輪設(shè)計(jì)及氣動(dòng)性能計(jì)算

離心壓縮機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)過(guò)程可分為兩個(gè)主要部分：一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)和三維葉輪造型[8]。一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法常用的有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和Japikse等[9]在90年代左右提出的TEIS（Two Elements in Series）方法。完成一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)后，在三維造型中將確定葉片中弧線的形狀，厚度分布和積疊線的形式等參數(shù)，最終完成葉輪的造型。

為了提高葉輪設(shè)計(jì)的可靠性，保證獲得更好的氣動(dòng)性能，必須對(duì)葉輪內(nèi)的三維流場(chǎng)有清楚的了解。如果計(jì)算結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，則返回三維造型，重新對(duì)葉輪進(jìn)行造型，重新進(jìn)行計(jì)算。如此反復(fù)，最終完成葉輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作。

3.1.1準(zhǔn)三元計(jì)算及葉片造型

大量的商業(yè)軟件都針對(duì)包括離心壓縮機(jī)在內(nèi)的各種流體機(jī)械開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)分析工具如NREC、ANSYS和NUMECA等軟件。本文將利用NREC軟件的一維和準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行葉輪初步設(shè)計(jì)，再結(jié)合NUMECA軟件的葉片造型模塊進(jìn)行葉片角及厚度分布的調(diào)整。

在進(jìn)行葉片造型設(shè)計(jì)時(shí)，主要參數(shù)有四個(gè)：葉片進(jìn)口安裝角β1A，葉片出口安裝角β2A，葉片數(shù)和徑向葉片的型線。由于本文葉輪子午型線及葉片進(jìn)出口幾何尺寸已經(jīng)約束，所以，為了達(dá)到要求的級(jí)氣動(dòng)性能，可變參數(shù)只有：葉片進(jìn)出口安裝角及徑向葉片的型線。

經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，本文各級(jí)葉輪最終進(jìn)出口安裝角如表4所示，葉片三維幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表4　葉輪進(jìn)出口安裝角Tab.4　The inlet and outlet install angle of each impeller

圖2　各級(jí)葉輪葉片三維造型Fig.2　Three-dimensional modeling of impeller blades for each stage

3.1.2數(shù)值模擬

本文采用NUMECA的FINE/TURBO軟件進(jìn)行上述葉輪及對(duì)應(yīng)定子元件的數(shù)值模擬。采用三維粘性定常雷諾時(shí)均N—S控制方程、中心節(jié)點(diǎn)的有限體積離散、顯示龍格—庫(kù)塔時(shí)間積分、全重網(wǎng)格初場(chǎng)處理、以及多重網(wǎng)格迭代加速。在本文的工作中選用二階精度的中心離散格式，Spalart-Allmaras的一方程湍流模型，假設(shè)全流場(chǎng)為湍流[10]。邊界條件：進(jìn)口給定總溫、總壓及絕對(duì)氣流角，出口給定質(zhì)量流量及初始?jí)毫Α１诿鏋榻^熱無(wú)滑移，葉片和內(nèi)壁（葉輪進(jìn)口到出口）轉(zhuǎn)動(dòng)，其它固壁為靜止。

由于a，b和c葉輪后面定子元件均由無(wú)葉擴(kuò)壓器和葉片回流器組成級(jí)，d葉輪后面定子元件由無(wú)葉擴(kuò)壓器和排氣蝸殼組成級(jí)，所以在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)采取的方案是：性能曲線計(jì)算時(shí)，計(jì)算域由葉輪加無(wú)葉擴(kuò)壓器組成單通道，最后再進(jìn)行葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器及排氣蝸殼組成全通道計(jì)算域的設(shè)計(jì)點(diǎn)分析。

經(jīng)數(shù)值計(jì)算，各級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)氣動(dòng)性能參數(shù)見(jiàn)表5，從表中可以看出，各級(jí)能頭系數(shù)均高于預(yù)期；a，b和c級(jí)多變效率均高于預(yù)期目標(biāo)，詳細(xì)分析d級(jí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉輪出口至蝸殼進(jìn)口處的多變效率為90.9%，排氣蝸殼導(dǎo)致的效率損失達(dá)7.7%，最終導(dǎo)致整級(jí)效率低于預(yù)期值。

表5　各級(jí)計(jì)算氣動(dòng)參數(shù)Tab.5　The numerical aerodynamic parameters

圖3分別顯示各級(jí)葉輪流道內(nèi)50%葉高處的相對(duì)速度矢量分布。從圖中可以看出，在設(shè)計(jì)工況下，各級(jí)葉輪內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定，相對(duì)速度沿流向沒(méi)有旋渦區(qū)和低速區(qū)。

圖3　各級(jí)葉輪50%葉高相對(duì)速度矢量圖Fig.3　The 50%blade height relative speed vector of different stages impeller

為預(yù)測(cè)各級(jí)在非設(shè)計(jì)工況下的氣動(dòng)性能，相應(yīng)的進(jìn)行了多個(gè)工況的數(shù)值計(jì)算，得到各級(jí)性能曲線，見(jiàn)圖4和圖5，圖中a，b，c，d代號(hào)分別代表各級(jí)性能曲線。從圖中可以看出，各級(jí)葉輪保持了較好的氣動(dòng)性能，在較寬的流量范圍內(nèi)都能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　各級(jí)無(wú)量綱流量系數(shù)與多變效率曲線圖Fig.4　Non-dimensional flow rate vs polytropic efficiency curve of each stage

圖5　各級(jí)無(wú)量綱流量系數(shù)與能頭系數(shù)曲線圖Fig.5　Non-dimensional flow rate vs energy head coefficient curve of each stage

3.2　葉輪力學(xué)強(qiáng)度分析

經(jīng)過(guò)CFD氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化得到各級(jí)葉輪的幾何參數(shù)后，再基于有限元分析技術(shù)，采用ANSYS分析經(jīng)過(guò)CFD性能設(shè)計(jì)優(yōu)化后的葉輪力學(xué)強(qiáng)度特性[11]。綜合考慮葉輪強(qiáng)度需有足夠的安全裕度，故選用在跳閘轉(zhuǎn)速下，即葉輪周速在350m/s時(shí)，進(jìn)行葉輪強(qiáng)度校核。經(jīng)計(jì)算，在屈服強(qiáng)度低于833MPa條件下，各級(jí)葉輪均滿足要求，其應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6。

圖6　各級(jí)葉輪應(yīng)力分布圖Fig.6　The stress distribution of each stage impeller

3.3　整機(jī)氣動(dòng)性能校核

離心壓縮機(jī)的整機(jī)氣動(dòng)性能曲線和單級(jí)性能曲線形狀類(lèi)似，只是它所反映的是整機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系。當(dāng)多級(jí)串聯(lián)工作時(shí)，由于氣體密度變化的影響，機(jī)器的喘振流量增大，堵塞流量減小，性能曲線的形狀比單級(jí)時(shí)陡，穩(wěn)定工況范圍比單級(jí)工作時(shí)窄。因此，為了擴(kuò)大整機(jī)的穩(wěn)定工況范圍，應(yīng)盡量設(shè)法使后面級(jí)的性能曲線平坦些。本文對(duì)后幾級(jí)采用β2A角較小的葉輪，因?yàn)檫@種葉輪具有較寬的穩(wěn)定工作范圍和平坦的性能曲線。

在相同進(jìn)口條件及物性參數(shù)下，采用重新設(shè)計(jì)的4個(gè)葉輪進(jìn)行整機(jī)曲線疊加計(jì)算，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速，使出口壓力達(dá)到SOR1工況相同的出口壓力，具體參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。從表中可以看出，在達(dá)到相同出口壓力時(shí)，重新設(shè)計(jì)的機(jī)組相比原機(jī)組，轉(zhuǎn)速可降低276r/min，氣動(dòng)功率低18.76kW，多變效率高0.4%，可見(jiàn)此工況點(diǎn)達(dá)到預(yù)期要求。整機(jī)性能曲線對(duì)比見(jiàn)圖7，從圖可以看出，新設(shè)計(jì)的整機(jī)性能曲線在小流量區(qū)壓力要高于原機(jī)組，新機(jī)組喘振流量相比原機(jī)組小2.3%，新機(jī)組堵塞流量相比原機(jī)組小3.1%。從上述計(jì)算及分析可知，采用逆向工程氣動(dòng)設(shè)計(jì)葉輪的整機(jī)性能達(dá)到預(yù)期要求。

表6　整機(jī)工況參數(shù)對(duì)比Tab.6　The comparison of condition parameters between SOR1 and design

圖7　整機(jī)相對(duì)流量與出口壓力對(duì)比圖Fig.7　The relative flow rate vs outlet pressure of compressor

4　應(yīng)用前景

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油化工、天然氣、化肥及新型煤化工等行業(yè)得到迅猛增長(zhǎng)，其核心設(shè)備離心壓縮機(jī)的數(shù)量也隨之劇增。離心壓縮機(jī)制造商主要有：沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司、上海鼓風(fēng)機(jī)廠有限公司、陜西鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司等國(guó)內(nèi)廠家；GE油氣、曼透平、西門(mén)子、三菱重工、日立株式會(huì)社等國(guó)外供應(yīng)商。其中，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司已為市場(chǎng)提供3 000多臺(tái)套離心壓縮機(jī)，GE油氣已為中國(guó)提供1 000多臺(tái)套離心壓縮機(jī)，可見(jiàn)整個(gè)備件轉(zhuǎn)子數(shù)量巨大。

國(guó)內(nèi)各供應(yīng)商備件轉(zhuǎn)子的供應(yīng)周期約3～6個(gè)月不等，而國(guó)外供應(yīng)商，由于采購(gòu)流程、運(yùn)輸?shù)纫蛩氐挠绊?，周期將?huì)更長(zhǎng)。

采用本文的研究方法，可在離心壓縮機(jī)機(jī)組不停機(jī)的情況下提供備件轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及加工制造，這將降低非計(jì)劃停機(jī)的經(jīng)濟(jì)損失。以本文研究對(duì)象為例，該離心壓縮機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)，其直接經(jīng)濟(jì)損失約為100萬(wàn)元/天。若選用常用逆向工程方法，該機(jī)組至少需非計(jì)劃停機(jī)15天，這將導(dǎo)致1 500萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。此外，使用本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子，功率較原機(jī)組低約20kW，年節(jié)約運(yùn)行成本約16萬(wàn)元。

5　結(jié)論

1）本文提出了一種離心壓縮機(jī)備件轉(zhuǎn)子新的制造方法，即多級(jí)離心壓縮機(jī)葉輪逆向工程氣動(dòng)設(shè)計(jì)。此方法有別于傳統(tǒng)逆向工程設(shè)計(jì)。主要體現(xiàn)在沒(méi)有各級(jí)葉輪性能及幾何參數(shù)。所以，本文首先需分析整機(jī)數(shù)據(jù)表，并進(jìn)行各級(jí)葉輪氣動(dòng)參數(shù)逆向反復(fù)校驗(yàn)，最終確定各級(jí)葉輪的參數(shù)開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

2）以某離心壓縮機(jī)機(jī)組為例，采用多級(jí)離心壓縮機(jī)葉輪逆向工程氣動(dòng)設(shè)計(jì)。最終，使采用重新設(shè)計(jì)的葉輪機(jī)組具有較寬的穩(wěn)定工況范圍和較高的效率，重新設(shè)計(jì)的機(jī)組相比原機(jī)組，轉(zhuǎn)速可降低276r/min，氣動(dòng)功率低約20kW，多變效率高0.4%；新設(shè)計(jì)的整機(jī)性能曲線在小流量區(qū)壓力要高于原機(jī)組，新機(jī)組喘振流量相比原機(jī)組小2.3%，新機(jī)組堵塞流量相比原機(jī)組小3.1%，完全達(dá)到了原機(jī)組的要求。

3）多級(jí)離心壓縮機(jī)葉輪逆向工程氣動(dòng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用將為離心壓縮機(jī)用戶(hù)提供另一種備件轉(zhuǎn)子的采購(gòu)方案，這將大大減少備件轉(zhuǎn)子的采購(gòu)周期及成本；該方法可在離心壓縮機(jī)機(jī)組不停機(jī)的情況下提供備件轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及加工制造，這將降低非計(jì)劃停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)，對(duì)先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化也有一定的參考意義。