葉片前間隙對風(fēng)機(jī)性能的影響

劉龍龍，齊彬彬，郭洪彪，李 雪

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

氮?dú)庋h(huán)離心風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域，為大型壓縮機(jī)組提供穩(wěn)定連續(xù)的密封沖洗氣。風(fēng)機(jī)需要能夠提供穩(wěn)定的壓力氣源，并具備較高效率以獲得合適的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，影響性能的主要參數(shù)為葉輪外徑D2，無葉擴(kuò)壓器進(jìn)、出口尺寸及蝸殼結(jié)構(gòu)。對于小流量的循環(huán)風(fēng)機(jī)，葉片前間隙相對葉片出口寬度所占比例大，故該值對性能會有一定作用。研究葉片前間隙尺寸對性能的影響，對提升整機(jī)性能有非常大的幫助。

國外對壓縮機(jī)葉頂間隙流場研究較早，其中Rains通過試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)葉柵葉頂間隙泄漏流動會產(chǎn)生泄漏渦【1】。在此試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上Rains又建立了簡化的理論泄漏模型，并同時(shí)指出較小葉頂間隙內(nèi)泄漏流動的驅(qū)動力是葉片兩側(cè)壓力差，其主要特性是無粘的。這一結(jié)論后來被Moore 和Storer在渦輪和壓氣機(jī)葉頂間隙流場的研究中進(jìn)一步證實(shí)【2】。Lakshminarayana 基于試驗(yàn)研究【3】，在葉頂泄漏渦無粘模型基礎(chǔ)上提出了剛體渦模型，指出泄漏渦內(nèi)部流動滿足泊松方程。

國內(nèi)對葉輪葉頂間隙研究也有相關(guān)論述，主要集中于軸流壓縮機(jī)。軸流壓縮機(jī)級數(shù)多、葉輪展弦比大(軸向尺寸相對葉輪高度小)，尤其是前面低壓級，介質(zhì)壓比低、密度大，使得葉片高度也較大，葉片葉頂間隙往往取較小值，以獲得效率的提升。對于單級小流量離心壓縮機(jī)，主要靠葉輪外徑D2來提升壓比，而流量的限制使得葉輪展弦比偏小，使得葉頂間隙流動對離心壓縮機(jī)的影響與對軸流壓縮機(jī)影響結(jié)果不同。文獻(xiàn)【4】通過對6種不同間隙值進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隙值增大時(shí)，相比于無間隙情況，效率、壓比都有不同程度下降。文獻(xiàn)【5】研究發(fā)現(xiàn)，間隙變化與葉輪設(shè)計(jì)載荷相關(guān)。軸流壓縮機(jī)葉頂間隙小減少了葉頂泄漏流動，從而獲得效率提升。對于小流量離心壓縮機(jī)來說，葉頂間隙減少不僅會獲得效率提升，且對整機(jī)壓比也有明顯影響。通過數(shù)值模擬的方法并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，研究不同了葉輪前間隙值對性能的影響，研究結(jié)果顯示：前間隙值減少時(shí)，壓比改變較為明顯，效率也會有所改善。分析葉頂泄漏流動對葉輪流場內(nèi)部的干擾，得到同一參數(shù)風(fēng)機(jī)性能差別明顯的原因。該研究可為后期風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，從而改善后期風(fēng)機(jī)性能。

1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)用風(fēng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)流程

實(shí)際工作介質(zhì)為氮?dú)?，試?yàn)采用空氣，兩介質(zhì)性質(zhì)相似，根據(jù)空氣獲得的試驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。按照J(rèn)B/T 3165—1999《離心和軸流式鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)熱力性能試驗(yàn)》中規(guī)定的開式方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)管路對3臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口閥門，以獲得不同流量時(shí)的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制的性能曲線如圖2(a)～圖2(b)所示。

圖2 3臺風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

3臺風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)相同，預(yù)期性能結(jié)果不會有太大差別，而試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)卻不同。整理試驗(yàn)結(jié)果后，從結(jié)構(gòu)尺寸上檢查原因，發(fā)現(xiàn)只有葉輪前間隙值差別明顯，見表2。

表2 3臺風(fēng)機(jī)前間隙測量值

由試驗(yàn)結(jié)果可得：前間隙值越小，壓比越高，效率也會有所不同；間隙尺寸減少0.2～0.4 mm，壓比提升最大為4%；效率值在小流量區(qū)間內(nèi)差別較大。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

CFD流體計(jì)算采用的控制方程為三維雷諾N-S方程，選用κ-ε湍流模型，計(jì)算為高階求解方式。葉輪前間隙和葉片出口采取加密網(wǎng)格處理，整體網(wǎng)格數(shù)分別為：葉輪網(wǎng)格總數(shù)1 914 117，蝸殼網(wǎng)格總數(shù)1 161 326。

計(jì)算邊界條件為：進(jìn)口設(shè)定總溫T*=298 K、總壓P*=101 325 Pa，出口設(shè)定靜壓值。通過改變出口壓力值獲得不同工況點(diǎn)性能結(jié)果。

繪制3個(gè)風(fēng)機(jī)過流部分模型，保證蝸殼結(jié)構(gòu)一致，只有葉輪與輪緣面間隙值不同。三維流體計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 CFD計(jì)算模型

計(jì)算模型葉輪前間隙值如表3所示。

表3 CFD計(jì)算前間隙設(shè)定值

過流部分繪制網(wǎng)格模型如圖4(a)～圖4(b)所示。

圖4 網(wǎng)格拓布

2.2 計(jì)算結(jié)果

3臺風(fēng)機(jī)CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如圖5(a)～圖5(b)所示，其中曲線標(biāo)記1.6、1.2、0.8為計(jì)算結(jié)果，曲線標(biāo)記A、B、C為試驗(yàn)結(jié)果。下面將二者進(jìn)行對照研究。

圖5 風(fēng)機(jī)性能對比統(tǒng)計(jì)

由圖5(a)～圖5(b)可見：數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢相吻合，均表現(xiàn)為間隙值越小，壓比越高；相比試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值模擬計(jì)算出的間隙值對壓比的影響差異更為明顯。此結(jié)果證明葉片間隙尺寸是影響其性能的關(guān)鍵因素。間隙尺寸每減少0.4 mm，壓比平均提升2%。

數(shù)值模擬計(jì)算忽略了進(jìn)出口管線和齒輪箱、機(jī)械密封等部件損失，效率比試驗(yàn)結(jié)果偏高，但總體趨勢保持一致；間隙值不同，效率結(jié)果表現(xiàn)也不同。

2.3 結(jié)果分析

下面從流場細(xì)節(jié)來解釋間隙值不同導(dǎo)致性能改變的原因。首先觀察不同軸向尺寸方向上S3流面葉輪流場內(nèi)部靜壓系數(shù)【6】的分布，計(jì)算工況點(diǎn)選擇額定流量點(diǎn)，3個(gè)間隙尺寸結(jié)果如圖6(a)～圖6(c)所示。

圖6 葉輪軸向位置S3流面靜壓系數(shù)分布

對比圖6(a)～圖6(c)可見：靜壓系數(shù)隨著間隙減小而變大，相對于葉輪入口側(cè)，該值在葉輪出口側(cè)改變更為明顯。靜壓系數(shù)在不同S3流面上的分布一定程度上反映了葉輪做功能力的差異，靜壓系數(shù)越高，葉輪壓升越高，做功能力也就越強(qiáng)。

觀察流場徑向S2流面靜壓系數(shù)【6】的分布，結(jié)果如圖7(a)～圖7(c)所示。

圖7 葉輪徑向位置S2流面靜壓系數(shù)分布

越靠近葉輪出口，靜壓系數(shù)隨著間隙減小而增加的趨勢越明顯。同S3流面靜壓系數(shù)分布結(jié)果一致，入口側(cè)變化并不明顯。

從葉片表面靜壓系數(shù)分布觀察葉頂間隙流動對葉片表面載荷的影響，結(jié)果如圖8(a)～圖8(c)所示。

圖8 不同前間隙葉片表面靜壓分布

由圖8(a)～圖8(c)可見：葉片吸力面?zhèn)让黠@存在低壓流動痕跡(低壓系數(shù)后凸區(qū)間)，隨著間隙的增大，低靜壓系數(shù)區(qū)不斷向葉片中部位置移動，說明間隙尺寸越大，葉頂泄漏流動對葉片中部影響越明顯，這對葉輪接近頂部位置處和葉輪中部靜壓系數(shù)的分布均會造成影響；隨著間隙的減小，低靜壓系數(shù)區(qū)域萎縮，較高靜壓系數(shù)區(qū)域擴(kuò)大，使得葉輪加載能力變強(qiáng)，從而使整體性能得到提高。

不同葉片高度上靜壓系數(shù)值的分布可以更為直觀地顯示葉頂泄漏流動對葉片靜壓系數(shù)值的影響，以大間隙和小間隙為例，結(jié)果如圖9(a)～圖9(b)所示。

由圖9(a)～圖9(b)可見：50%葉片高度的靜壓系數(shù)分布差別更為明顯；小間隙時(shí)的70%葉片高度的葉輪尾部(葉片軸向相對位置60%～90%)靜壓系數(shù)值略高于大間隙。因?yàn)槿~片出口高度小，葉片間隙值至少為葉片總高的30%，間隙泄漏流動對葉頂區(qū)域的干擾使得此處的靜壓系數(shù)值差距不會太大，因此間隙尺寸越大，泄漏流動進(jìn)入葉片中部區(qū)域越多。

圖9 不同葉片高度靜壓系數(shù)分布

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果所提供的依據(jù)，對后期相同參數(shù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，控制間隙值，以期獲得性能的提升。設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的試驗(yàn)結(jié)果對比如圖10(a)～圖10(b)所示，其中曲線標(biāo)記a、b、c為后期風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，A、B、C為前期風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果。

由圖10(a)～圖10(b)可見：優(yōu)化后，風(fēng)機(jī)前間隙尺寸控制在1.0～1.2 mm之間，壓比明顯提升，效率也有所改變。

圖10 兩期試驗(yàn)性能結(jié)果對比

3 結(jié)論

1) 小流量壓縮機(jī)葉片出口寬度較小，前間隙值相對于葉輪出口寬度所占比例大。間隙值對整機(jī)性能影響大，在保證安全前提下，前間隙減小會提升整機(jī)性能。因?yàn)槿~輪及軸系軸向竄動量限制，以及加工和裝配的誤差要求，前間隙值不能過小，為保證風(fēng)機(jī)安全工作，葉輪前間隙不得小于0.8 mm。

2) 分析流量參數(shù)可知，葉頂間隙泄漏流動對葉片流場內(nèi)部影響范圍不同，葉輪尾緣比前緣受影響程度更為明顯，葉片前間隙越大對葉片中部流場干擾越明顯。