基于數(shù)學(xué)損失模型的離心式壓縮機變工況性能計算

王友濤　張　磊　孫洪玉

（1.大連理工大學(xué)化工機械學(xué)院　2.中國特種設(shè)備檢測研究院）

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基于數(shù)學(xué)損失模型的離心式壓縮機變工況性能計算

王友濤*1張磊2孫洪玉1

（1.大連理工大學(xué)化工機械學(xué)院2.中國特種設(shè)備檢測研究院）

摘要對離心式壓縮機完成了基于Microsoft Visual C++語言的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過編程實現(xiàn)對壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的快速化計算，進而設(shè)計出一種小流量高壓比單級離心式壓縮機。設(shè)計時全面考慮了壓縮機葉輪和擴壓器中的各種流動損失，建立了符合實際流動的數(shù)學(xué)損失模型。運用VC++對該數(shù)學(xué)損失模型進行計算機集成，完成了離心式壓縮機變工況性能預(yù)測軟件的編寫。利用該軟件對所設(shè)計的壓縮機變工況工作性能進行計算，并通過CFD數(shù)值計算驗證了變工況性能預(yù)測軟件的可靠性。

關(guān)鍵詞離心式壓縮機損失模型變工況數(shù)值模擬效率

*王友濤，男，1989年生，碩士研究生。大連市，116024。

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，離心式壓縮機作為一種主要的葉輪機械在各工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。在冶金工業(yè)領(lǐng)域，高爐鼓風(fēng)、氧氣煉鋼以及燒結(jié)風(fēng)機都需要離心式壓縮機提供充足的氣體；在石油化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，氨合成、石油精煉、石油化工以及制冷過程中離心式壓縮機是關(guān)鍵設(shè)備；在動力工業(yè)領(lǐng)域，離心式壓縮機是燃氣輪機、內(nèi)燃機增壓和動力風(fēng)源必不可少的動力設(shè)備[1]。

目前國內(nèi)的壓縮機技術(shù)研發(fā)水平尚不能滿足我國工業(yè)生產(chǎn)的需求。針對離心式壓縮機在設(shè)計、模擬以及試驗過程中工業(yè)成本高、程序復(fù)雜、產(chǎn)品性能不確定的問題，本文首先開發(fā)了一種用于離心式壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計及變工況性能預(yù)測的計算軟件，并且在此基礎(chǔ)上對離心式壓縮機性能進行了深入的研究。

1　壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

離心式壓縮機的內(nèi)部流動是極其復(fù)雜的無規(guī)則三元流動，且還具有氣流摩擦和邊界層分離現(xiàn)象。氣動參數(shù)不僅沿葉輪流道的每個截面發(fā)生變化，而且在同一截面的不同點處氣動參數(shù)也是不同的。另外，由于葉輪具有固定數(shù)量的葉片，葉輪的旋轉(zhuǎn)使得氣流在空間位置的任一點隨時間而周期性地變化，因而氣體運動也是周期性的不穩(wěn)定流動[7]。

為了在初步設(shè)計階段達到簡化問題的目的，通常需要假設(shè)氣體流動為一維流動。所謂一維流動，就是在每個截面上流體的氣動參數(shù)相同。另外，對每個截面氣動參數(shù)取平均值之后，認為氣流運動為穩(wěn)定流動[1]。離心式壓縮機的一維氣動初步設(shè)計是總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要組成部分。通過初步設(shè)計，可以比較準(zhǔn)確地確定壓縮機主要的幾何尺寸，其中包括輪緣/輪轂直徑、出口直徑、出口寬度、葉片數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。初步設(shè)計的計算結(jié)果決定了后期是否能夠設(shè)計出高效率的壓縮機。

本文根據(jù)入口輪緣處相對馬赫數(shù)最小及出口壓比保持不變等迭代條件，完成了葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的迭代計算；對有葉擴壓器和無葉擴壓器兩種類型擴壓器分別進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計計算；確定圓形蝸殼截面設(shè)計思路，計算得到了不同截面處圓形蝸殼半徑。圖1為離心式壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖。

圖1　離心式壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

1.2程序設(shè)計

本文采用VC++語言編寫簡潔方便的結(jié)構(gòu)設(shè)計可視用戶界面，用戶只需輸入自己要求的壓縮機工況參數(shù)，如質(zhì)量流量、壓比、轉(zhuǎn)速等，就可以快速地計算出壓縮機整體結(jié)構(gòu)尺寸。這種結(jié)構(gòu)參數(shù)計算的程序化設(shè)計簡化了設(shè)計流程，方便了后續(xù)的操作。壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計用戶界面如圖2所示。

本文研究對象是微小流量高轉(zhuǎn)速離心式壓縮機，這種高性能電動離心式壓縮機取代了舊有的引氣系統(tǒng)，以此用來驅(qū)動環(huán)控系統(tǒng)正常工作[8-9]。壓縮機設(shè)計工況參數(shù)為：進口質(zhì)量流量0.49 kg/s、進口總壓30 904 Pa、進口總溫244.5 K、壓比5∶1，選取有葉擴壓器。通過離心式壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計程序軟件計算整機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

博格華納公司是致力于提供內(nèi)燃機、混合動力和電動汽車清潔高效驅(qū)動系統(tǒng)解決方案的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。博格華納引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢，并使用智能科技為基于不同法規(guī)、消費者需求和汽車制造商需求提供未來的解決方案。博格華納的創(chuàng)新解決方案使汽車制造商能夠靈活應(yīng)對各種驅(qū)動技術(shù)。憑借同樣全面的產(chǎn)品組合，為全球汽車制造商提供涵蓋所有產(chǎn)品概念的先進解決方案。

圖2　壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計用戶界面

表1　單級離心式壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)

2壓縮機變工況性能預(yù)測

2.1基于數(shù)學(xué)損失模型的性能計算

離心式壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計一個重要的環(huán)節(jié)是預(yù)測壓縮機性能。性能預(yù)測過程中，首先要進行熱力參數(shù)計算，包括壓縮機葉輪進出口和擴壓器進出口的界面參數(shù)的計算，各個階段的計算過程均遵循一維氣動理論并滿足參數(shù)迭代收斂條件。接下來利用壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)和截面氣動參數(shù)考慮各損失模型的計算。本文所設(shè)計的性能預(yù)測程序主要是計算離心式壓縮機在變轉(zhuǎn)速、變流量條件下的葉輪效率、級效率和壓比等性能參數(shù)，從而確定壓縮機穩(wěn)定的工作范圍。圖3為離心式壓縮機性能計算流程圖。

圖3　離心式壓縮機變工況性能計算流程

2.2性能預(yù)測程序設(shè)計

本文編寫的性能預(yù)測程序需要較多的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)，包括一些經(jīng)驗參數(shù)的選取。對于專業(yè)性不熟悉的設(shè)計者來說，需要多次閱讀計算參數(shù)的對照說明，才能完成變工況程序計算，這在一定程度上不能很好地方便用戶的使用。運用VC++語言設(shè)計友好的可視化用戶界面可以很好地解決這一問題，使變工況計算程序中的各類參數(shù)的意義比較明確，提高了程序的可操作性。

圖4為壓縮機變工況性能預(yù)測軟件的參數(shù)設(shè)定界面，通過此界面可以進行擴壓器類型的選定以及壓縮機葉輪和擴壓器的結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)定。圖5為壓縮機工況參數(shù)設(shè)定以及性能計算程序界面，通過此界面用戶可設(shè)定設(shè)計工況下壓縮機的氣體狀態(tài)參數(shù)和壓縮機工作參數(shù)。其中，工作工況參數(shù)設(shè)定窗口需要用戶設(shè)定壓縮機正常工作時需要的工況參數(shù)。通過此窗口中的參數(shù)設(shè)定，可以得到壓縮機在不同轉(zhuǎn)速下的等熵效率、多變效率和壓比隨質(zhì)量流量變化的曲線。

圖4　壓縮機性能計算參數(shù)設(shè)定界面

圖5　壓縮機工況設(shè)定及性能計算

2.3計算結(jié)果分析

通過變工況性能預(yù)測軟件得到了不同轉(zhuǎn)速下壓縮機性能參數(shù)隨質(zhì)量流量的變化曲線，其中包含了轉(zhuǎn)速為1倍、1.05倍及0.95倍設(shè)計轉(zhuǎn)速下的特性曲線。圖6為葉輪的等熵效率和多變效率隨質(zhì)量流量的變化情況，圖7為級的等熵效率和多變效率隨質(zhì)量流量的變化情況。

圖6　葉輪等熵效率和多變效率曲線

圖7　級等熵效率和級多變效率曲線

圖6表明：葉輪在設(shè)計轉(zhuǎn)速工況下運行時，其設(shè)計工況質(zhì)量流量的等熵效率和多變效率達到最大值；隨著轉(zhuǎn)速增大，葉輪工況范圍也會隨之增大，并且最大效率值所對應(yīng)的質(zhì)量流量向大流量方向移動，效率特性曲線仍然保持基本相同的變化趨勢，這一特點在葉輪多變效率性能曲線圖中表現(xiàn)格外明顯；在大流量工況下，等熵效率和多變效率下降幅度很大，這是因為流量過大容易導(dǎo)致壓縮機進口阻塞，導(dǎo)致各種效率下降，該性能預(yù)測程序可以很好地預(yù)測這一現(xiàn)象。

圖7表示級等熵效率和級多變效率變化曲線。不同轉(zhuǎn)速下級等熵效率變化曲線同葉輪等熵效率變化曲線趨勢大致相似，其變化特點不再作進一步陳述；級多變效率曲線圖顯示，在設(shè)計轉(zhuǎn)速下多變效率值明顯高于非設(shè)計轉(zhuǎn)速下的計算值，尤其是在小流量工況范圍內(nèi)格外明顯。

3　模型驗證

由于離心式壓縮機受到旋轉(zhuǎn)、曲率和黏性等許多因素的影響，從而氣流變?yōu)閺?fù)雜的、非定常的、黏性的三維湍流運動，這就導(dǎo)致三維流場數(shù)值分析存在諸多困難。

根據(jù)壓縮機基本結(jié)構(gòu)參數(shù)建立三維模型，利用CFD進行數(shù)值計算，將程序計算和數(shù)值模擬兩種方法得到的壓縮機性能曲線進行對比分析，如圖8所示。

分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，程序計算和數(shù)值模擬得到的葉輪效率曲線有較好的一致性。無論是等熵效率還是多變效率，兩者有相近的最佳工況點。對于等熵效率曲線，無論是小流量下還是大流量下，程序計算和數(shù)值模擬所得到的效率值偏差均不超過2％。對于多變效率曲線，大流量工況下程序計算和數(shù)值模擬所得到的效率值一致性非常高；小流量下偏差略大一些，誤差在2％以內(nèi)。

圖8　設(shè)計轉(zhuǎn)速下葉輪效率數(shù)值模擬結(jié)果和程序計算結(jié)果對比

由圖9可知，設(shè)計轉(zhuǎn)速下數(shù)值模擬和程序計算得到的級效率曲線有很好的一致性。數(shù)值模擬和程序計算得到的最佳流量工況點基本一致?？傮w來說，在大流量工況下兩者所預(yù)測的級效率更加接近。在小流量下多變效率的計算存在的誤差較大，但也在5％以內(nèi)。

圖9　設(shè)計轉(zhuǎn)速下級效率數(shù)值模擬結(jié)果和程序計算結(jié)果對比

由以上的分析可知，利用性能預(yù)測軟件得到的性能預(yù)測曲線和利用商用CFD軟件得到的性能預(yù)測曲線有很高的一致性。這在一定程度上也驗證了性能預(yù)測軟件的準(zhǔn)確性和可用性。

4　結(jié)論

本文開發(fā)的一種用于離心式壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計及變工況性能預(yù)測的計算軟件，能夠快速地計算出離心式壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且可以較準(zhǔn)確地預(yù)測離心式壓縮機不同工況下的性能。通過CFD數(shù)值計算并經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，變工況性能預(yù)測軟件具有較高的準(zhǔn)確性和實用性。

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The Centrifugal Compressor Changing-condition Performance Calculation Based on Mathematical Loss Model

Wang Youtao Zhang Lei Sun Hongyu

Abstract：The parametric structure design for the centrifugal compressor via the Microsoft Visual C ++ language is done.The rapid calculation of the main structural parameters of the compressor is realized by programming,thereby,a single-stage centrifugal compressor with small flow and high pressure ratio is designed.In the design process,the flow loss in the impeller and diffuser are taken into comprehensive consideration and the mathematical loss model that meets the actual flow is established.Meanwhile,the computer integration of this mathematical loss model is carried out through VC++ and the compiling of the changing-condition performance prediction software for the centrifugal compressor is completed.By using this software,the changing-condition working performance of the compressor is calculated and its reliability is verified by CFD numerical calculation.

Key words：Centrifugal compressor; Loss model; Changing condition; Numerical simulation; Efficiency

收稿日期：（2015-09-12）

中圖分類號TQ 051.3

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.001