王娟麗,王鑫,王松,趙先波,唐軍,錢禹龍
(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽,618000)
儲能作為新能源與電力系統(tǒng)的紐帶,是實(shí)現(xiàn)新能源大規(guī)模利用的重要手段,將助力雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。離心式壓縮機(jī)相對于軸流式壓縮機(jī),應(yīng)用于單級壓比較高,廣泛應(yīng)用于壓縮氣體儲能系統(tǒng)。葉輪是離心壓縮機(jī)的唯一做功元件,葉輪的設(shè)計(jì)是離心式壓縮機(jī)研究的關(guān)鍵。西安交通大學(xué)研究了流量系數(shù)為0.2 的大流量系數(shù)的離心壓縮機(jī)[1]。葉輪載荷分布對葉輪的氣動性能影響很大,文獻(xiàn)[2]對比研究了前加載、中部加載、后加載3 種葉型,結(jié)果顯示前加載葉型出口速度分布更均勻,流動損失更小。文獻(xiàn)[3]顯示子午流道轉(zhuǎn)彎半徑越小,氣流在子午流道內(nèi)所受的轉(zhuǎn)彎離心力越大,對葉輪氣動性能和葉輪出口氣流均勻程度的負(fù)面影響越明顯。
本文采用大型商業(yè)流體軟件——NUMECA,針對單級閉式葉輪,帶擴(kuò)壓器進(jìn)行優(yōu)化。葉輪為全三元葉輪,不僅沿流向扭轉(zhuǎn),而且切向存在彎曲。優(yōu)化子午流道,葉片β分布,葉片彎曲規(guī)律,出口切向傾角,出口子午傾角變化對單級離心式空氣壓縮機(jī)氣動性能的影響。
葉輪優(yōu)化中,使用NUMECA 軟件,湍流模型使用S-A 加強(qiáng)壁面函數(shù)模型,由于影響葉輪氣動性能的因素較多,葉片只數(shù)、葉輪軸寬、分流葉片的位置、子午流道、葉片擴(kuò)張角(β 角)分布、出口傾角、葉片彎曲規(guī)律等,本次逐一進(jìn)行優(yōu)化。
三維計(jì)算邊界條件見表1。
表1 計(jì)算邊界條件
計(jì)算模型如圖1 所示。
圖1 計(jì)算模型示意圖
由于Compal 直接導(dǎo)出來的三維計(jì)算強(qiáng)度不符合要求,需要將葉輪入口流道縮高度縮小子午流道變化結(jié)果見表2 和圖2。由表2 可見,不管是縮shroud 面,還是縮hub 面,效率和壓比都要降低。這是因?yàn)榭s小了前半段面積,前半段載荷降低,后半段載荷增加,流體在后半部分更容易脫流,損失增大。而前半段面積縮小后,導(dǎo)致喉部面積縮小,因此壓比降低。改變子午流道Shroud 線對氣動性能的影響比Hub 線敏感。最終結(jié)合強(qiáng)度,選擇方案2。
圖2 子午流道變化
表2 子午流道變化結(jié)果
針對3.1 節(jié)選擇的葉輪方案,優(yōu)化β 角分布,計(jì)算模型為葉輪加擴(kuò)壓器,葉片只數(shù)7 組,分流葉片位置為約30%,子午流道使用上述強(qiáng)度推薦。優(yōu)化參數(shù)為β,優(yōu)化目標(biāo)等熵效率,優(yōu)化約束條件壓比大于1.9。對比優(yōu)化前后的三維結(jié)果見表3。
表3 β角優(yōu)化結(jié)果
從表3 看出,優(yōu)化β 角分布后,第1 級效率、壓比均有顯著提高,優(yōu)化后葉輪效率提高,擴(kuò)壓器中靜壓恢復(fù)系數(shù)提高,總壓損失系數(shù)降低。
圖3 為優(yōu)化前后幾何對比。
圖3 優(yōu)化前后β 對比(虛線原始,實(shí)線優(yōu)化)
圖4 為子午面流線分布,可以看出優(yōu)化前后子午面均沒有流動分離。圖5 為葉輪子午面壓力分布,優(yōu)化后葉輪出口壓力明顯提高。圖6 為葉輪子午面相對馬赫數(shù)分布,優(yōu)化后葉輪相對馬赫數(shù)降低,提高了葉輪效率。
圖4 子午流面流線分布
圖5 葉輪子午面壓力分布
圖6 葉輪子午面相對馬赫數(shù)分布
圖7 為葉輪及擴(kuò)壓器根、中、頂截面流線分布圖,可以看出,中部截面原始葉輪出口有少量脫流,優(yōu)化后脫流消失。頂部截面原始葉輪中后部有嚴(yán)重脫流,優(yōu)化后脫流消失,該流動分離是引起葉輪效率降低的主要因素。圖8為葉片表面極限流線,可以看出原始葉輪吸力面、中后部的頂部有脫流,優(yōu)化后幾乎沒有流動分離。
圖7 特征截面流線分布
圖8 葉片表面極限流線
圖9 為優(yōu)化前后載荷分布,原始方案95%截面吸力面載荷分布不光滑,并且載荷靠后,而優(yōu)化后載荷分布光滑,載荷分布向前偏。
圖9 葉片載荷分布
圖10 為葉輪出口流動參數(shù)沿葉高分布,優(yōu)化后出口絕對氣流角分布,絕對馬赫數(shù)分布,出口子午速度分布更均勻,優(yōu)化后葉輪出口絕對馬赫數(shù)小于原始葉輪,改善了擴(kuò)壓器入口條件,降低了擴(kuò)壓器總壓損失。
圖10 葉輪出口參數(shù)沿葉高分布
為了研究出口傾角變化對效率影響,本次將出口傾角轉(zhuǎn)10°、-10°進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)出口傾角正時(shí),效率略提高,而壓比略降低,出口傾角為負(fù)值時(shí)正好相反,見表4。這是因?yàn)槌隹趦A角轉(zhuǎn)為正值時(shí),流道通流面積略變小壓比變小,β 角變大,效率略提高,如圖11 所示。因此,若想提高效率可以略正向出口傾角增大,而在壓比略小的情況下,可適當(dāng)將出口傾角負(fù)向增大。
圖11 出口傾角改變幾何對比(虛線0°、實(shí)線10°)
針對3.2 節(jié)自動優(yōu)化的葉輪,不改變β 角,統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果列于表5,point2 負(fù)向彎曲,效率較低,引起壓比降低,當(dāng)point2 正向彎曲,效率增加,如圖12 所示。從圖13、圖14 可以看到,負(fù)向彎曲后,吸力面尾部出現(xiàn)流動分離,因此效率降低。
表5 彎曲變化結(jié)果
圖12 彎曲規(guī)律改變幾何對比
圖13 吸力面表面尾部極限流線圖
圖14 中截面流線圖
對3.2 節(jié)自動優(yōu)化的幾何,不改變β角,對葉輪出口子午面傾角進(jìn)行優(yōu)化。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表6。葉輪出口正向傾斜,效率、壓比均增加,負(fù)向傾斜則效率、壓比均降低,如圖15 所示。
表6 出口子午傾角變化結(jié)果
圖15 出口子午傾角對比
本文以單級葉輪、擴(kuò)壓器為研究對象,對葉輪進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。得到如下結(jié)論:
(1)子午流道中間縮小,壓比降低。改變子午流道Shroud 線對氣動性能的影響比Hub 線敏感。
(2)β角分布對氣動性能影響顯著,本文β角優(yōu)化后的三元葉輪級等熵效率提高約3%,總壓比提高約8%。
(3)三元直紋面葉片,負(fù)向出口切向傾角有助于壓比的提高,正向出口切向傾角有利于效率提高。但提高潛力有限。
(4)全三元葉片,葉片中部正向彎曲,可提高效率,壓比幾乎不變。負(fù)向彎曲效率和壓比顯著降低。
(5)出口正向子午傾角,效率、壓比均提高,而負(fù)向子午傾角相反。
綜上所述,在子午流道、β 角優(yōu)化的基礎(chǔ)上,如果想進(jìn)一步優(yōu)化效率,可以考慮將直紋面的三元葉輪設(shè)計(jì)為全三元葉輪,葉片中部正向彎曲,設(shè)計(jì)出口正向切向傾角和正向子午傾角均有助于提高效率。