壓縮機(jī)可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉性能的數(shù)值分析

王娟麗 王 鑫 王 松 陶功新 趙先波

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中，可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)是一種十分常見的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式[1-2]。進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉通過改變導(dǎo)葉開度，氣流在葉輪入口產(chǎn)生預(yù)旋，從而可擴(kuò)寬運(yùn)行范圍，提高葉輪效率，預(yù)防喘振過早發(fā)生。目前，進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)特性的研究可以通過試驗(yàn)研究，及數(shù)值模擬研究[3-5]。通過數(shù)值模擬的方法，分析了IGV及入口導(dǎo)流段隨開度、流量的變化的氣動性能，得到壓損曲線，效率曲線、葉片扭距曲線等，葉輪入口預(yù)旋角隨導(dǎo)葉開度的變化關(guān)系，為預(yù)估葉輪性能提供數(shù)據(jù)。

1 IGV調(diào)節(jié)原理

本次設(shè)計(jì)葉片只數(shù)9只，IGV放置于進(jìn)口管道處，摻混段當(dāng)量收縮角40°，子午流道示意圖如圖1。

圖1 子午流道示意圖Figure 1 Meridional channel

IGV在一定開度下可以實(shí)現(xiàn)氣流預(yù)旋，產(chǎn)生切向速度，由歐拉方程，切向速度將改變?nèi)~輪能頭，同時在相對較大的開度下，會產(chǎn)生節(jié)流效果，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)。IGV相當(dāng)于汽輪機(jī)中的靜葉片，將進(jìn)出口的壓降/焓降轉(zhuǎn)化為切向速度帶入葉輪級，改變?nèi)~輪做功能力。

圖2為葉輪葉片進(jìn)口的氣流預(yù)旋，α1為氣流預(yù)旋角，C1r為α1起始邊，C1為終止邊，α1與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同時為正，反之為負(fù)。圖2(a)，α1=0，C1u=0時，葉輪進(jìn)口氣流無預(yù)旋；圖(b)所示α1>0，C1u>0時，葉輪進(jìn)口氣流正預(yù)旋；圖2(c)所示α1<0，C1u<0時，葉輪進(jìn)口氣流負(fù)預(yù)旋。由歐拉方程看出，正預(yù)旋降低做功能力，負(fù)預(yù)旋提高了做功能力。

圖2 葉輪進(jìn)口的氣流預(yù)旋Figure 2 Air flow prerotation at blade wheel inlet

歐拉方程：Wth=C2uU2-C1uU1

(1)

速度變化如圖3所示，0截面為IGV轉(zhuǎn)軸所在位置，1截面為葉輪入口。由于0截面到1截面氣流通流半徑(通徑)發(fā)生變化，氣流經(jīng)過IGV預(yù)旋后到截面1角度會發(fā)生變化。

圖3 速度變化Figure 3 Speed variation

截面0到截面1氣體流動符合：

C0uR0=C1uR

(2)

C0rA0=C1rA1

(3)

(4)

2 進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉CFD分析

使用CFX軟件，對入口IGV及進(jìn)口導(dǎo)流管進(jìn)行數(shù)值分析。首先針對設(shè)計(jì)流量，變化開度進(jìn)行分析，然后針對不同開度，變化流量進(jìn)行分析。得到不同開度、不同流量下該段的氣動性能。以確定不同工況下游葉輪入口狀態(tài)點(diǎn)。

2.1 不同開度分析

對進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉單獨(dú)進(jìn)行分析。IGV開度由-20°～60°變化。由圖4不同開度流線圖可以看出，開度比較小時流線比較均勻。當(dāng)開度30°～60°時，葉片頂部打開了一個間隙，葉頂處有低速流體，該部分流動導(dǎo)致?lián)p失增大。導(dǎo)葉開度較大時，葉片中心產(chǎn)生明顯的軸向射流。

圖4 不同開度流線圖Figure 4 Flow lines of different openings

圖5可以看出，當(dāng)IGV開度增大，葉片所受氣流扭矩增大。公式(4)計(jì)算得到的葉輪入口角度與CFD計(jì)算的角度基本相等。開度較大時偏差較大，開度為60°時，偏差約2.5°。因此可以按照公式(4)計(jì)算葉輪入口預(yù)旋。IGV前后靜壓損失隨IGV開度增大而增大，當(dāng)開度大于40°時，靜壓損失急劇增大，因此開度越大節(jié)流作用越顯著。

圖5 IGV不同開度扭矩、葉輪進(jìn)口預(yù)旋、靜壓損失系數(shù)及效率變化Figure 5 Torque, blade wheel prerotation, static pressure loss factor and efficiency variation at different IGV openings

通過圖5中的靜壓損失系數(shù)曲線和效率曲線，結(jié)合入口初始參數(shù)，可確定葉輪入口熱力狀態(tài)點(diǎn)。同時，由于葉輪入口預(yù)旋會改變?nèi)~輪本身的能頭系數(shù)和效率，根據(jù)修正后的能頭系數(shù)和效率結(jié)合葉輪入口熱力狀態(tài)，可以計(jì)算得到葉輪出口熱力狀態(tài)，在實(shí)際工程應(yīng)用中就得到了IGV+下游葉輪的組合性能特性。

2.2 不同流量IGV分析

計(jì)算相同IGV開度下，流量變化對IGV性能的影響。圖6中可以看出，同開度下流量增大時，扭矩增大，靜壓損失增大，流量變化對效率幾乎沒有影響。

圖6 IGV不同開度、不同流量下扭矩、靜壓損失系數(shù)及效率變化Figure 6 Torque, static pressure loss factor and efficiency variation of IGV at different openings and flows

3 總結(jié)

(1)IGV到葉輪入口有收縮段，會導(dǎo)致葉輪入口預(yù)旋角與開度之間有變化。葉輪入口預(yù)旋角度可由公式計(jì)算得到，項(xiàng)目運(yùn)行范圍內(nèi)，由公式計(jì)算的葉輪入口預(yù)旋角誤差不大于2.5°。開度越大，誤差越大，流量越大誤差越大。

(2)葉片所受的扭矩隨流量和開度的增大而增大。

(3)葉輪入口預(yù)旋角中部大，根頂部小。

(4)效率隨開度變大而降低，相同開度下，流量變化對效率幾乎沒有影響。

(5)靜壓損失系數(shù)隨開度增大而增大，隨流量的增大而線性增大。