制冷式離心壓縮機模型級設(shè)計與優(yōu)化

官文超

（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司研究院，遼寧沈陽 110869）

0 引言

離心式壓縮機不僅是基礎(chǔ)原料生產(chǎn)重要設(shè)備，同時也是能源消耗的大用戶。壓縮機的設(shè)計優(yōu)化是一個整體性的工作，對壓縮機的優(yōu)化設(shè)計不能僅僅只關(guān)注葉輪的優(yōu)化設(shè)計方面，離心機的擴壓器、回流器、蝸殼等靜止元器件對整個離心機的性能也起到重要作用。本文將著重依據(jù)壓縮機動、靜元件的設(shè)計、優(yōu)化、匹配等方面進行解析。

1 離心式壓縮機概述

離心式壓縮機是一種將氣體經(jīng)過壓縮機的高速旋轉(zhuǎn)葉輪的離心力作用，后經(jīng)過擴壓器擴壓作用，使氣體壓力增加從而達到氣體壓縮運輸?shù)脑O(shè)備。離心壓縮機是一種旋轉(zhuǎn)式壓縮機，又叫透平式壓縮機，具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高、調(diào)節(jié)方便等特點。

2 運動元件設(shè)計與分析

2.1 葉片的選型設(shè)計

葉片的選擇設(shè)計先對葉片葉型進行設(shè)定以及葉片的進出口角度的設(shè)置，葉片的數(shù)量設(shè)計選擇上要充分考慮葉片數(shù)量如果過多必然會導(dǎo)致葉片載荷降低，摩擦損失增大；如果設(shè)計選擇葉片數(shù)量過少，則葉片的載荷就會加大，同時因為葉片間和氣體流動方向的二次流影響，水力的損失也將隨之增加。

葉片形式結(jié)構(gòu)的設(shè)計選擇，葉片進口的沖角在葉片壓力面與吸力面上形成駐點是沖角不為零，合適的小沖角利于取得高效率點。葉片的出口安裝角度可以按照表1進行選擇。

表1 葉輪出口安裝角度范圍經(jīng)驗值（°）

葉片弧線設(shè)計，葉片弧線因為受葉輪流道輪廓、包角等因素的影響，所以葉片的傾角是無法直接得出，常用公式1進行計算得出。葉片的弧線還應(yīng)該根據(jù)葉片的速度分布、壓力分布因素來進行調(diào)節(jié)葉片的包角，進而調(diào)節(jié)葉片的弧線。

式中 λ——葉片的前傾角度

r——葉輪入口輪蓋半徑

lr——葉輪正角線

ψ——轉(zhuǎn)角

2.2 葉片的分析

葉片壓力分析，葉片的壓力分析可以借助相應(yīng)的計算軟件進行模擬分析，分析的結(jié)果應(yīng)當(dāng)是滿足壓縮機的工作原理，葉片的吸力面壓力小于葉片的壓力面壓力。葉片進口區(qū)域的壓力到葉片出口區(qū)域的壓力應(yīng)當(dāng)是滿足不斷增大的趨勢。如在回轉(zhuǎn)面、吸里面的壓力分布不均勻，存在一定范圍的低壓區(qū)可能會導(dǎo)致小范圍的漩渦現(xiàn)象。

葉片流場分析，分析應(yīng)當(dāng)滿足葉輪壓力面流動現(xiàn)象均勻，無流動分離現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)計流量情況下，擴壓器內(nèi)部介質(zhì)流動狀況較好，流動且趨于穩(wěn)定。當(dāng)流量不斷的減小時，分離現(xiàn)象開始出現(xiàn)在葉片的邊界層上，同時葉輪的蓋側(cè)板上的流動情況最先開始變化，葉輪腹部出現(xiàn)回流，整個葉輪的流道也出現(xiàn)分離渦。隨著流量的再進一步的減弱，更多的流道中出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象。

2.3 葉片優(yōu)化

初始葉片設(shè)計結(jié)構(gòu)難以直接達到理想狀態(tài)，在后期優(yōu)化過程中，首先應(yīng)當(dāng)考慮工況范圍的縮宅，葉片呈現(xiàn)主要的優(yōu)化問題是不能夠很好的滿足低流量的情況，因為低流量情況下葉片的正沖角會增大，所以此時要根據(jù)此情況進行葉輪進口角度進行調(diào)整。另還要著重考慮流程中的流動分層和分離導(dǎo)致的漩渦現(xiàn)象，避免葉輪出現(xiàn)漩渦和流動分離分層現(xiàn)象也是葉片優(yōu)化改進的重點方向。

2.4 葉輪轉(zhuǎn)速、進口沖角設(shè)計及優(yōu)化

葉輪的轉(zhuǎn)速設(shè)計應(yīng)當(dāng)首先考慮壓縮機運行的自身轉(zhuǎn)速臨界值，在考慮滿足動力的條件下，葉輪的轉(zhuǎn)速可以依據(jù)比轉(zhuǎn)速來進行確定，葉輪的比轉(zhuǎn)速主要依據(jù)壓縮機工況條件下的壓力比來進行計算。葉輪的最佳高效率比轉(zhuǎn)速0.705～1.018，同時確認比壓力時還要滿足最高壓比工況條件。

葉輪進口的沖角設(shè)計與壓縮機本身的設(shè)計流量具有較大的關(guān)系，同時對壓縮機的喘振大小也有很大的影響。當(dāng)采用負沖角時，壓縮機的流量達到最大值，同時葉輪的蓋側(cè)與頂板達到流量的速度的臨界值；當(dāng)采用正沖角，壓縮機在額定流量下喘振裕度過小，壓縮機的容量調(diào)節(jié)范圍減小，所以葉輪在滿足額定工況條件下應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮負沖角，一般的直紋曲面形式葉片（圖1）就廣泛使用工業(yè)應(yīng)用。

2.5 葉輪出口寬度及安裝角度設(shè)計

葉輪的出口寬度對流道有直接影響，當(dāng)葉輪寬度過小時，導(dǎo)致流道的水力直徑較小，從而增大了介質(zhì)摩擦損失，導(dǎo)致效率降低。當(dāng)葉輪寬度過大時，會影響流道的擴張角度增大和擴壓度的較小，導(dǎo)致效率的降低。壓縮機擴壓器內(nèi)部葉輪安裝角度會影響介質(zhì)進入擴壓器的流動，如安裝角度的不融合會阻擋介質(zhì)流入，使其產(chǎn)生能量損失，導(dǎo)致性能下降。嚴重會使葉輪的流道產(chǎn)生介質(zhì)旋轉(zhuǎn)掉速、回流、分層等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致介質(zhì)流動阻塞。葉片的安裝與流量設(shè)計存在較大關(guān)系，也影響介質(zhì)的流動，當(dāng)設(shè)計大流量時葉片的安裝角度應(yīng)當(dāng)選擇大角度，而設(shè)計小流量時葉片的安裝角度應(yīng)當(dāng)選擇小角度，這樣可以提高介質(zhì)的流動特性和提高壓縮機的使用性能。

圖1 直紋曲面形式葉片

3 靜子元件的設(shè)計及優(yōu)化

3.1 擴壓器的設(shè)計與優(yōu)化

擴壓器主要作用是將壓縮機葉輪后的動能轉(zhuǎn)化為靜壓力，同時還可以延緩氣流分離從而擴大葉輪的工作范圍。擴壓器有有葉與無葉區(qū)分，有葉擴壓器工作效率高，具有可以設(shè)定氣流流向角度以及通過增加半徑以增加減速擴壓，從而達到擴壓能力。無葉擴壓器具有結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，但缺點為氣流流向只能單一的螺旋運動，路徑長，損失大，從而工作效率低。無葉擴壓器，主要依據(jù)壓縮機結(jié)構(gòu)需求，當(dāng)采用有葉擴壓器時器葉片無法安裝在葉輪的出口，即采用無葉擴壓器結(jié)構(gòu)。無葉擴壓器主要的設(shè)計難點，為葉輪出口氣流速度快且不均勻，致使器能量損失較大，對葉片與擴壓器的匹配性不利。主要的優(yōu)化方向是可以通過縮短無葉擴壓器的長度，增加擴壓器的半徑用以減少增壓，避免擴壓器的出口出現(xiàn)激波。對無葉擴壓器進行速度分析，葉輪的出口的徑向速度在進入無葉擴壓器時，輪盤側(cè)的徑向速度較高，而輪蓋側(cè)的徑向速度較低，而在進入無葉擴壓器后的徑向速度同樣是輪盤側(cè)徑向速度高于輪蓋側(cè)。最后徑向速度會隨著流通面積和流通半徑的增大而出現(xiàn)減弱，且為不均勻性的減弱。在無葉擴壓器的內(nèi)部切向速度也會隨著流通面積的增加而減弱，當(dāng)無葉擴壓器為收斂結(jié)構(gòu)形式時，沿葉高部分的速度分布較為均勻，當(dāng)為平行結(jié)構(gòu)時輪盤側(cè)的速度明顯大于輪盤蓋側(cè)。

有葉擴壓器，有葉擴壓器特點是流經(jīng)氣流可以隨著半徑的增加而讓速度降低，同時還可以控制設(shè)定氣流的偏轉(zhuǎn)角度，進而進一步的提高擴壓器的工作效率。無葉擴壓器機構(gòu)雖然較有葉擴壓器結(jié)構(gòu)簡單，且在工況穩(wěn)定下運行更加的穩(wěn)定和范圍廣，但有葉擴壓器能夠控制氣流流動角度，摩擦損失較小，能量損失也就較小。對其工況流體分析，隨著半徑的增大，其靜壓力增加，葉片擴壓器內(nèi)的斜切邊段的是主要的靜壓力恢復(fù)區(qū)，但是同時在通過對擴壓器的半徑進行調(diào)節(jié)對靜壓力的恢復(fù)十分有限，但是在對流道的長度進行增加時，因為氣流摩擦的原因?qū)е缕淠Σ翐p失的加大，能量的損失增加。同時擴壓器中的速度流場存在不均勻性，因為進氣的三維特性，擴壓器的輪蓋和輪盤雖然是平行的壁面，但氣流呈現(xiàn)的是三維特征，擴壓器內(nèi)部的切向與徑向速度分布在葉高區(qū)域，隨著流通面積與半徑的增加，氣流的速度明顯降低，同時徑向速度從側(cè)盤流向輪蓋側(cè)速度均勻。

3.2 蝸殼設(shè)計與優(yōu)化

蝸殼是壓縮機導(dǎo)流與擴壓的重要固定元件，與蝸殼匹配的元件和流動狀況直接將影響設(shè)備的整體性能。蝸殼內(nèi)部器軸向和周向流動都極為不均勻，在蝸殼內(nèi)部與流體之間的摩擦、壓力、離心力等因素使得蝸殼內(nèi)部的流場運動極為復(fù)雜。

對蝸殼內(nèi)部流場的分析可以借助相應(yīng)的計算軟件進行分析，壓縮機蝸殼內(nèi)部進口角的增大，靜壓力也不斷的隨之減小，從而也體現(xiàn)出蝸殼內(nèi)部氣流流動的不均勻性。同樣蝸殼氣流出口位置的參數(shù)也是不均勻性的，其主要原因是擴壓器出口氣體流動與蝸殼內(nèi)部的流程的渦旋特性效果，進而產(chǎn)生周向的不均勻性。蝸殼內(nèi)部橫截面的漩渦流動隨著流量的增加而增加，在低的流量比狀況向漩渦值較小，反之在高比流量比值下漩渦值較大，主要的影響原因，在流量較小的時候，相對的擴壓器氣體流動速度較小，同時擴壓器內(nèi)部流道在小流量時可能發(fā)生堵塞，更加進一步的降低了速度，則漩渦值則小。同時蝸殼壓力分布也會隨著流量的增大而增加，當(dāng)靜壓力減小時，葉輪流道的不均勻性也明顯體現(xiàn)出來，致使葉輪流道產(chǎn)生周期性的堵塞現(xiàn)象。葉道的這種不規(guī)律運動直接將影響氣流流動的角度的變化，使其流道載荷的不規(guī)律性，間接的是壓縮機的工作效率降低。

蝸殼內(nèi)部的氣流流動損失的一般計算方法參照蝸殼內(nèi)部動能損失公式。

式中Δhx——蝸殼內(nèi)部動能損失總和

Δhr——蝸殼內(nèi)部徑向沖擊的動能損失

Δhm——蝸殼內(nèi)部周向沖擊的動能損失

Δhf——蝸殼內(nèi)部壁面與氣流摩擦產(chǎn)生的動能損失

Δhd——蝸殼橫截面到蝸殼出口位置橫截面管道擴張的動能損失

ζ——蝸殼內(nèi)部徑向沖擊動能損失系數(shù)

4 結(jié)束語

以壓縮機模型級的動、靜元件為主要的分析對象，對其各個設(shè)計和優(yōu)化要點進行了詳細的闡述分析，并依據(jù)各個種工況下對其運動元件葉輪進行系統(tǒng)的闡述了設(shè)計方案及優(yōu)化方向，對壓縮機的靜子元件擴壓器及蝸殼也進行了詳細的分析對比，羅列了不同的設(shè)計方案及優(yōu)化點。同時壓縮機內(nèi)部流場的分析模擬要充分的結(jié)合相關(guān)的運動元件葉輪、靜子元件擴壓器、蝸殼等進行統(tǒng)一的模擬分析對比，才能得出完整科學(xué)的數(shù)據(jù)，這樣才能為壓縮機后期的設(shè)計優(yōu)化提供科學(xué)正確的設(shè)計依據(jù)。