不同類型擴壓器下離心式壓縮機級性能的數(shù)值模擬與試驗研究

劉 軍，張旭朋，席會杰

(金通靈科技集團股份有限公司，江蘇 南通 226000)

1 引言

離心壓縮機作為一種提高氣體壓力的通用設備，廣泛應用于冶金、電子、造船、食品醫(yī)藥、石油化工、紡織化纖以及污水處理等非常重要的工業(yè)領域[1-2]。近年來隨著我國基礎工業(yè)的快速發(fā)展，資源和環(huán)境等因素開始制約工業(yè)化進程，節(jié)能、減排是當今世界，特別是發(fā)展中國家工業(yè)發(fā)展的主線。我國在20世紀90年代就提出了要走技術(shù)含量高、環(huán)境污染少、資源消耗低、經(jīng)濟效益好、人力資源優(yōu)勢能夠得到充分體現(xiàn)和發(fā)揮的新型工業(yè)化道路。而離心壓縮機在工業(yè)領域耗能巨大，應該要引起社會各界的重視。因此，設計高技術(shù)水平的離心壓縮機是當務之急，提高離心壓縮機實際運行效率，對經(jīng)濟發(fā)展，降低能源消耗，節(jié)能環(huán)保，走新常態(tài)的工業(yè)化道路將會產(chǎn)生重要的影響。

眾所周知，離心壓縮機的通流部件設計和氣動設計相當復雜，其內(nèi)部流動也難以預測，如果氣動設計和結(jié)構(gòu)設計不合理或者動靜元件不匹配，會導致壓縮機級的性能和級的效率降低。常出現(xiàn)的情況有二次流和分離流，另外還有葉片尾跡流、邊界層內(nèi)的流動、葉輪和葉尖動靜面之間的泄漏以及旋轉(zhuǎn)失速和喘振等，在這些流動現(xiàn)象的共同作用影響下，離心壓縮機內(nèi)部的氣動結(jié)構(gòu)及傳熱特性就顯得異常復雜[3-4]。由于復雜流動和各種影響因素又相互作用，因此研究和設計難度顯而易見。

多年以來，研究和設計人員是通過優(yōu)化設計葉輪來提高離心壓縮機的性能，但忽略了非常重要的靜止元件，就是擴壓器和蝸殼，這些靜止部件都存在著能量的損失。對于這些靜止部件特別是擴壓器，其內(nèi)部流動更加復雜，所以非常有必要對擴壓器進行深入的研究和探索[6]。

2 研究對象

研究對象是某高壓比離心壓縮機，該壓縮機葉輪為扭轉(zhuǎn)葉片，采用無葉擴壓，蝸殼是非對稱蝸殼。葉片和擴壓器的主要幾何參數(shù)見表1。葉輪的三維模型圖如圖1所示，其為半開式三元流后彎葉輪[5]。

表1 葉輪和擴壓器主要幾何參數(shù)

圖1 葉輪的三維模型圖

3 葉片擴壓器的數(shù)值模擬和分析

葉片擴壓器可以在不降低壓比的情況下，可以取得一定的增效效果，因此在離心壓縮機設計中獲得廣泛應用。以下對無葉擴壓、7葉片擴壓器和11葉片擴壓器進行了數(shù)值模擬及對比，以及通過對離心壓縮機內(nèi)流場的分析探討葉片擴壓器對離心壓縮機性能的影響及其作用機理[7-11]。

3.1 性能曲線對比

采用NUMCA軟件對無葉擴壓器、7葉片擴壓器和11葉片擴壓器的離心壓縮機級進行數(shù)值模擬，可以得到處理后的性能曲線。圖2為無葉擴壓器、7葉片擴壓器和11葉片擴壓器性能曲線的對比圖。

圖2 無葉擴壓器器、7葉片擴壓器和11葉片擴壓器性能曲線對比

由圖2可見，相比于無葉擴壓器，有葉片擴壓器可以獲得良好的效果，壓縮機級的靜壓比在整個工作范圍內(nèi)得到明顯提高，設計點附近的多變效率也在一定程度上得到了提升，但在偏離設計點較遠的區(qū)域(即近喘振點和近堵塞點區(qū)域)，有葉片擴壓器反而會使壓縮機級的多變效率下降，但7葉片擴壓器的多變效率下降趨勢比11葉片擴壓器的多變效率下降趨勢有所緩和。從整體情況來看，7葉片擴壓器效果較好，其設計點靜壓比提高了12.63%，多變效率提高了0.71%。

3.2 設計點流場分析

圖3是設計點無葉擴壓器、11葉片擴壓器和7葉片擴壓器的葉輪子午面熵值云圖。

圖3 設計點子午面熵值云圖

由圖可見，在葉輪輪蓋側(cè)和擴壓器通道內(nèi)熵值明顯較大。與無葉擴壓器相比，帶葉片擴壓器內(nèi)的熵值有所減小，這是由于擴壓器葉片的導流作用，使葉輪出口的氣流沿著擴壓器葉片的方向流動，縮短了氣流流程，從而損失減小，其中7葉片擴壓器的熵值最小。所以采用葉片擴壓器處理方案后，設計點效率相比于無葉擴壓器有所提高。

圖4是無葉擴壓器、11葉片擴壓器和7葉片擴壓器在設計點的葉輪50%相對葉高展向截面靜壓云圖。

圖4 設計點葉輪50%相對葉高展向截面靜壓云圖

由圖可見，整體情況下，從進口段到葉輪到擴壓器的靜壓是不斷提高的。無葉擴壓器葉輪和擴壓器通道的靜壓增大變化明顯；采用葉片擴壓器處理后，靜壓增大能力提高，流場變得均勻，但在擴壓器葉片前緣和尾緣均有一個小的低速區(qū)，相比于無葉擴壓器靜壓比提升。這說明在設計工況點，葉片擴壓器處理可以提高壓縮機級的擴壓能力，減少擴壓器通道內(nèi)的流動損失，一定程度上提高壓縮機級效率。

圖5、6、7是設計點無葉擴壓器、11葉片擴壓器和7葉片擴壓器的葉輪5%、50%和95%相對葉高展向截面熵值云圖。

結(jié)合圖5、6、7比較分析可見，無論采用無葉擴壓器還是葉片擴壓器，從葉輪葉根到葉頂，熵值增加，損失增大。再依次對比無葉擴壓器、11葉片擴壓器和7葉片擴壓器處理的每個葉高處熵值，在5%葉高位置，熵值由高到低依次是11葉片擴壓器、7葉片擴壓器和無葉擴壓器；在50%葉高位置，熵值由高到低依次是7葉片擴壓器、11葉片擴壓器和無葉擴壓器；在95%葉高位置，熵值由高到低依次是無葉擴壓器、7葉片擴壓器和11葉片擴壓器。說明在5%葉高位置時，損失由大到小依次是11葉片擴壓器、7葉片擴壓器和無葉擴壓器；在50%葉高位置時，損失由大到小依次是7葉片擴壓器、11葉片擴壓器和無葉擴壓器；在95%葉高位置時，損失由大到小依次是無葉擴壓器、7葉片擴壓器和11葉片擴壓器。但從整體的云圖分布來看，熵值分布都較為均勻。

圖5 設計點無葉擴壓器葉輪5%、50%和95%相對葉高展向截面熵值云圖

圖6 設計點11葉片擴壓器葉輪5%、50%和95%相對葉高展向截面熵值云圖

圖7 設計點7葉片擴壓器葉輪5%、50%和95%相對葉高展向截面熵值云圖

4 優(yōu)選后實物機性能試驗

由數(shù)值模擬分析可以看出，7葉片擴壓器可以獲得更好的增效作用，離心壓縮機靜壓比有很大提升，并且在設計點上多變效率也有所提高，因此，將7葉片擴壓器作為優(yōu)選并應用于該離心壓縮機，進行性能試驗。

4.1 優(yōu)選后實物機性能試驗與CFD數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析

將優(yōu)選后實物機性能測試結(jié)果和CFD模擬結(jié)果見圖8。由圖可知，離心壓縮機實物機的試驗效率及靜壓比與數(shù)值模擬結(jié)果相比均偏低了較多。分析其原因：一方面是由于制造誤差造成的，也有可能是由于流道表面粗糙，摩擦損失增大了；另一方面是由于裝配誤差造成的，再進一步深究也有可能是葉輪輪蓋面和與其配合的集流器間隙過大導致的內(nèi)泄漏和二次流增加的原因。

圖8 優(yōu)選后實物機性能測試和CFD數(shù)值模擬對比曲線

圖9 優(yōu)選后實物機性能測試和原實物機性能測試對比曲線

4.2 優(yōu)選后實物機性能試驗結(jié)果和原實物機性能試驗結(jié)果對比分析

優(yōu)選后實物機性能測試結(jié)果和原實物機性能測試結(jié)果見圖9。由圖可知，在設計參數(shù)下，7葉片擴壓器的多變效率較無葉擴壓器多變效率提高約0.67%，靜壓比提高了9.34%。

5 結(jié)論

(1)對設計的2種不同葉片數(shù)的葉片擴壓器進行了數(shù)值模擬，分別獲得了性能曲線，通過與無葉擴壓器的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)葉片擴壓器處理在設計點可以獲得良好的提升效率的效果。

(2)從壓縮機壓比提高的角度、以及對其內(nèi)流場的分析，分析了葉片擴壓器處理的增效機理，并對比分析了2種不同葉片數(shù)的葉片擴壓器對級性能的影響，發(fā)現(xiàn)7葉片擴壓器可以獲得比11葉片擴壓器更良好的提升效率的效果，在設計點多變效率提高0.25%。

(3)對設計的7葉片擴壓器進行了性能試驗，試驗結(jié)果與帶無葉擴壓器的級性能進行對比，結(jié)果表明：7葉片擴壓器能夠在一定的工作范圍內(nèi)提高壓縮機的多變效率，設計點效率提高0.67%，在偏離設計點較大的情況下效率下降較快，7葉片擴壓器在整個工作范圍內(nèi)都能夠提高壓縮機的靜壓比，但相比于無葉擴壓器，其工作范圍減小。