某長輸管線離心壓縮機(jī)模型級開發(fā)**

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

符號

Φ1流量系數(shù)

Q進(jìn)口容積流量，m3/h

D2葉輪直徑，mm

u2葉輪圓周速度，m/s

Pin級進(jìn)口壓力，Pa

Pout級出口壓力，Pa

Tin級進(jìn)口溫度,K

Tout級出口溫度，K

τ能頭系數(shù)

cp定壓比熱容，J/(kg·K)

Mu2機(jī)器馬赫數(shù)

k絕熱指數(shù)

Rg氣體常數(shù)，J/(kg·K)

0 引言

離心式壓縮機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中的核心裝備之一，被廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、天然氣、空分、冶金、電力、環(huán)保等領(lǐng)域。離心壓縮機(jī)機(jī)組的設(shè)計方法主要有效率法、流道法和?；ㄈN。目前，國內(nèi)外知名離心壓縮機(jī)廠商應(yīng)用最廣泛的是?；?。?；ㄒ韵嗨评碚摓榛A(chǔ)，根據(jù)經(jīng)過試驗(yàn)獲得的高效率模型級，采用相似換算方法設(shè)計新的機(jī)組。采用模化法設(shè)計出來的新機(jī)組性能可靠。因此，在離心式壓縮機(jī)機(jī)組的設(shè)計中，高效的壓縮機(jī)模型級的設(shè)計是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。離心模型級開發(fā)過程中通常用到三種方法：理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[1]。理論分析是最基本的研究方法，可以深入認(rèn)識離心壓縮機(jī)內(nèi)部流體的本質(zhì)規(guī)律，并可以校驗(yàn)數(shù)值計算的準(zhǔn)確性；試驗(yàn)研究可以綜合考慮影響流動的因素，得到客觀可靠的結(jié)果。數(shù)值模擬可以對理想或者復(fù)雜工況進(jìn)行模擬。目前，離心壓縮機(jī)模型開發(fā)中，離心壓縮機(jī)內(nèi)部的流動模擬一般采用吳仲華[2]提出的S1-S2流面法，這種方法把復(fù)雜的三元流動問題簡化為兩個相對流面的二元流動問題進(jìn)行求解。其中一個是從一葉片到相鄰葉片之間的周向扭曲流面（S1流面），一個是從輪盤到輪蓋的徑向扭曲流面（S2流面）。隨著現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展，模擬三維粘性流場的CFD技術(shù)得到極大提升，為采用CFD計算進(jìn)行離心模型級的開發(fā)優(yōu)化提供了可能[3]。CFD技術(shù)在模型級設(shè)計中的應(yīng)用如圖1所示。

在模型級應(yīng)用到產(chǎn)品前，國外GE、西門子等公司往往根據(jù)以往所制造的壓縮機(jī)經(jīng)驗(yàn)試制模型級，進(jìn)行試驗(yàn)從而達(dá)到開發(fā)系列化產(chǎn)品的目的[4]。由于受到試驗(yàn)條件和成本的限制，可以采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測模型級的性能并得到模型級的幾何尺寸從而指導(dǎo)模型級的試驗(yàn)，以縮短試驗(yàn)周期并控制成本。目前主流商業(yè)軟件常用的數(shù)值方法為時間推進(jìn)法和壓力修正法[5]，其中采用時間推進(jìn)法的代表軟件為NUMECA FINE/Turbo和ANSYS CFX，而采用壓力修正法的代表軟件為ANSYS FLUENT和CD-adapco STAR-CD&CCM+。

圖1 CFD軟件在模型級設(shè)計中的作用Fig.1 Function of CFD soft in model stage design

湍流模型的正確性與精度對于葉輪機(jī)械內(nèi)部湍流流場細(xì)節(jié)及性能的數(shù)值模擬十分重要，國內(nèi)外學(xué)者[6-10]對此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究工作對各種湍流模型進(jìn)行評價和驗(yàn)證。目前，葉輪機(jī)械模擬中廣泛采用的湍流模型為Apalart-Allmaras湍流模型和SST湍流模型。

本文采用Apalart-Allmaras湍流模型以及多重網(wǎng)格方法，對某管線壓縮機(jī)內(nèi)部的三維粘性流動進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，對葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道、回流器等部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而完成某長輸管線壓縮機(jī)模型級的氣動開發(fā)。最后，進(jìn)行了該模型級的氣動性能及產(chǎn)品機(jī)組實(shí)驗(yàn)。

1 開發(fā)對象及研究目標(biāo)

本文開發(fā)了管線壓縮機(jī)模型級，該模型級由葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器組成。其中，葉輪為三元葉片，直徑為500mm。該管線壓縮機(jī)模型級的性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)要求如表1所示。其中，能頭系數(shù)和流量系數(shù)均以設(shè)計點(diǎn)為100%點(diǎn)，其它工況點(diǎn)均以設(shè)計機(jī)器馬赫數(shù)下設(shè)計點(diǎn)的值作為參照。

表1 模型級達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)（Mu2=0.45）Tab.1 Technical target of model stage （Mu2=0.45）

級流量系數(shù)、多變效率、壓比及能頭是衡量模型級性能優(yōu)劣最直接的指標(biāo),其定義如式（1）～式（4）所示[11]。通過級的效率、壓比及能頭曲線可以確定模型級穩(wěn)定工況的流量范圍。

級流量系數(shù)定義：

級效率定義：

級能頭系數(shù)定義：

機(jī)器馬赫數(shù)定義：

2 開發(fā)流程和設(shè)計好壞判斷準(zhǔn)則

在離心式壓縮機(jī)的開發(fā)過程中，模型級的設(shè)計使其關(guān)鍵技術(shù)之一[12]?，F(xiàn)有的離心壓縮機(jī)模型級研發(fā)主要基于S1，S2流面方法進(jìn)行研發(fā)，常規(guī)的離心壓縮機(jī)模型級的設(shè)計過程如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)模型級設(shè)計流程Fig.2 Design process of centrifugal compressor model stage

而判斷離心壓縮機(jī)模型級性能好壞的主要依據(jù)如下：

1）葉輪葉片各個展向截面的相對速度分布差別最大的地方不能在葉輪進(jìn)出口側(cè)。相對速度分布差別最大的地方盡量在60%～70%子午葉片弦長處。近似于橄欖型分布。

2）葉片進(jìn)口相對速度小，并且相對速度馬赫數(shù)小于1。

3）采用準(zhǔn)三維無粘流動計算出來的多變效率盡量高，性能曲線范圍滿足要求。

由于S1-S2準(zhǔn)三維流動計算一般是基于無粘流動假設(shè)，因而，采用S1-S2方法存在如下不足：

1）無法模擬計算葉輪、擴(kuò)壓器、回流器等部件的流動。特別是葉輪進(jìn)出口的流動狀態(tài)。

2）無法準(zhǔn)確考慮不同部件之間的相互影響。

3）無法準(zhǔn)確考慮葉輪及其它流動內(nèi)部的損失大小。

為了克服采用S1-S2方法的缺陷，本文的離心壓縮機(jī)模型級的開發(fā)基于三維粘性流動的CFD分析結(jié)果，詳細(xì)開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 模型級設(shè)計開發(fā)流程圖Fig.3 New design process of centrifugal compressor model stage

本文的離心壓縮機(jī)性能判斷準(zhǔn)則如下：

1）采用三維粘性流動計算出來的整個模型級的效率盡量高；

2）葉輪出口的氣流角、總壓、徑向速度沿軸向分布盡量均勻；

3）模型級的葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器內(nèi)部流動沒有明顯的流動分析；

3 流場分析及優(yōu)化結(jié)果

3.1 模型級CFD性能分析

本文采用NUMECA軟件autoblade模塊進(jìn)行模型級各個部件的參數(shù)建模。采用AutoGrid5模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算域包括葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器，圖4為模型級的計算網(wǎng)格，進(jìn)口邊界條件為給定總溫、總壓及速度方向，出口邊界條件給定為質(zhì)量流量，網(wǎng)格數(shù)量為1 451 461。計算湍流模型采用Apalart-Allmaras，計算邊界條件給定如下：

工質(zhì)：理想空氣

進(jìn)口總壓：98 100Pa

進(jìn)口總溫：293K

進(jìn)口氣流角：軸向進(jìn)氣

出口邊界條件：給定質(zhì)量流量

設(shè)計馬赫數(shù)：0.45

圖4 模型級計算網(wǎng)格Fig.4 Mesh of model stage

經(jīng)過圖3所示的模型級開發(fā)流程反復(fù)迭代優(yōu)化后，最終優(yōu)化完成的模型級在設(shè)計流量點(diǎn)下各個截面CFD分析結(jié)果如圖5所示，其中，效率、壓比及能頭系數(shù)曲線縱坐標(biāo)為對設(shè)計馬赫數(shù)下設(shè)計流量系數(shù)為100%的相對值?？梢钥闯觯Ｐ图壴O(shè)計點(diǎn)效率高于設(shè)計目標(biāo)值1.5%,能頭系數(shù)高于設(shè)計目標(biāo)值近3%，流量范圍65%～140%，滿足設(shè)計要求。

離心壓縮機(jī)葉輪流道常常發(fā)生流動分離，其分離主要發(fā)生在兩個部分，一是葉片的非工作面，特別是接近葉輪的出口處；二是在葉輪的輪蓋側(cè)[13]。流動的分離會影響葉輪出口速度分布的均勻性，對擴(kuò)壓器流動不利，進(jìn)而影響模型級的性能。在壓縮機(jī)級中，葉輪無疑是最重要的組成部分，葉輪的性能對整級產(chǎn)生了非常大的影響[14]。本文開發(fā)的管線壓縮機(jī)模型級的周向子午平均及葉輪流線如圖6所示?？梢钥闯?，子午通道在葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器內(nèi)沒有產(chǎn)生明顯的旋渦和回流，葉輪內(nèi)部流動在軸盤和蓋盤側(cè)均沒有發(fā)生分離。

圖5 某壓縮機(jī)模型級CFD性能曲線Fig.5 The performance curves of a centrifugal compressor model stage by CFD

模型級葉輪出口氣流角、徑向速度與總壓分布如圖7所示。橫坐標(biāo)為葉輪沿葉高方向相對位置?？梢钥闯?，在10%～90%葉高范圍內(nèi)，葉輪出口處氣流角在55°～65°之間，這里的氣流角為氣流與徑向的夾角，徑向速度在35m/s～50m/s之間，總壓在12 300kPa～12 700kPa之間，且分布都比較均勻，有利于提高模型級的性能。

圖6 周向子午平均及葉輪流線Fig.6 Stream line in the model stage

圖7 某管線壓縮機(jī)模型級葉輪出口氣流角、徑向速度、總壓分布圖Fig.7 Distribution of flow angle,radial velocity and total pressure for the impeller outlet of a centrifugal compressor model stage

3.2 強(qiáng)度分析

葉輪是離心壓縮機(jī)的核心部件，在壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行時，葉輪不但要承受氣體的反作用力，還要克服葉片自重及其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。葉輪強(qiáng)度不夠，會使葉片產(chǎn)生裂痕甚至損壞，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。因此在模型級設(shè)計開發(fā)過程中，必須對葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析。本文用ANSYS軟件對該管線壓縮機(jī)模型級進(jìn)行強(qiáng)度分析，校核葉片應(yīng)力及軸孔變形量是否滿足設(shè)計要求。

表2為模型級葉輪材料常數(shù)。

表2 葉輪材料常數(shù)Tab.2 Impeller material constant

在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，模型級葉輪的最大等效應(yīng)力為733MPa, 應(yīng)力分布如圖8所示，可以看出，葉片吸力面中部靠近葉輪出口輪蓋側(cè)，滿足周速323m/s時，應(yīng)力值小于833MPa的開發(fā)要求。

圖8 模型級葉輪等效應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of equivalent stress distribution of the impeller of the model stage

軸孔處徑向變形曲線如圖9所示。葉輪軸孔最大徑向變形為0.083，軸孔徑向設(shè)計過盈量為0.07mm,接觸區(qū)域大于50%,滿足設(shè)計要求。

圖9 模型級葉輪軸孔徑向變形Fig.9 Radial deformation of the axial hole of the impeller of the model stage

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成了壓縮機(jī)模型級設(shè)計后，對模型級進(jìn)行性能試驗(yàn)以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ图壴O(shè)計指標(biāo)是否能達(dá)到預(yù)期值。圖10為某壓縮機(jī)模型級實(shí)驗(yàn)臺示意圖。

圖10 某管線壓縮機(jī)模型級試驗(yàn)臺Fig.10 Test bench for a model stage of a pipeline centrifugal compressor

該模型級氣動性能試驗(yàn)在離心壓縮機(jī)模型級試驗(yàn)臺上進(jìn)行，滿足ASME PTC10試驗(yàn)要求。開式試驗(yàn)，熱平衡法確定壓縮機(jī)耗功，壓力測量采用總壓探針，壓力測點(diǎn)布置在試驗(yàn)臺位進(jìn)口管路上，噴嘴測量流量，出口壓力測量采用總壓疏狀探針，測量位置為回流器出口與出氣室之間，溫度測量采用玻璃水銀溫度計。溫度和壓力探針在使用前均經(jīng)標(biāo)定。試驗(yàn)樣機(jī)做采用的儀器儀如表3所示。試驗(yàn)樣機(jī)測點(diǎn)布置如圖11所示。

表3 模型級試驗(yàn)用儀器儀表Tab.3 Instruments for the model stage test

圖11 試驗(yàn)樣機(jī)測點(diǎn)布置圖Fig.11 Layout of the test

模型級試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，機(jī)器馬赫數(shù)為0.45時，開發(fā)的四個模型級設(shè)計流量系數(shù)下性能參數(shù)CFD結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比如表4所示。試驗(yàn)的多變效率、壓比及能頭系數(shù)為以設(shè)計馬赫數(shù)設(shè)計點(diǎn)CFD結(jié)果為參照。

表4 模型級性能參數(shù)CFD結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比Tab.4 Comparison of the CFD result and the test result for the performance of the model stage

試驗(yàn)性能曲線與CFD計算得到的性能曲線對比如圖12所示?？梢钥闯?，所開發(fā)的模型級CFD分析結(jié)果與模型級試驗(yàn)結(jié)果吻合，亦證明了CFD分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖12 某管線壓縮機(jī)模型級各個馬赫數(shù)下的性能曲線Fig.12 Performance curves of a centrifugal compressor model stage

5 產(chǎn)品性能試驗(yàn)

圖13為采用該模型級的某型號管線壓縮機(jī)機(jī)組，該機(jī)組由該模型級?；蟮乃膫€不同直徑的基本級組成。表5為整機(jī)設(shè)計進(jìn)氣條件。在機(jī)組出廠前進(jìn)行了廠內(nèi)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，進(jìn)口條件為常溫常壓。為了驗(yàn)證該機(jī)組的性能，將該機(jī)組在空氣介質(zhì)下的性能進(jìn)行了預(yù)測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 某型號管線壓縮機(jī)機(jī)組性能試驗(yàn)Fig.13 Performance test of a pipeline centrifugal compressor

表5 某管線壓縮機(jī)機(jī)組設(shè)計進(jìn)氣條件Tab.5 Inlet conditions of a pipeline centrifugal compressor

表6和圖14為該管線壓縮機(jī)機(jī)組試驗(yàn)氣動性能結(jié)果，其中，氣動性能結(jié)果已經(jīng)轉(zhuǎn)化成介質(zhì)為天然氣時的氣動性能結(jié)果，效率及壓比以設(shè)計點(diǎn)為參照。可以看出，壓縮機(jī)機(jī)組試驗(yàn)的效率及壓比均高于設(shè)計值。該機(jī)組的性能超過了設(shè)計預(yù)期。

表6 某管線壓縮機(jī)機(jī)組在流量為10 282m3/h時試驗(yàn)氣動性能Tab.6 Test results of aerodynamic performance of a pipeline centrifugal compressor at flow rate of 10 282 m3/h

圖14 某管線壓縮機(jī)機(jī)組試驗(yàn)性能與設(shè)計性能對比Fig.14 Performance comparison of the test and design for a pipeline centrifugal compressor

6 結(jié)論

本文采用Apalart-Allmaras湍流模型以及多重網(wǎng)格方法，對某管線壓縮機(jī)內(nèi)部的三維粘性流動進(jìn)行模擬。根據(jù)CFD模擬結(jié)果，對葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器等部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而完成某長輸管線壓縮機(jī)模型級的氣動開發(fā)。并對該模型級進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試研究，得到結(jié)論如下：

1）采用本文提出的設(shè)計流程及性能判斷依據(jù)能夠開發(fā)高效的離心壓縮機(jī)模型級。

2）該管線壓縮機(jī)模型級性能曲線CFD預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。在設(shè)計點(diǎn)流量系數(shù)下，管線壓縮機(jī)模型級的多變效率實(shí)驗(yàn)值比預(yù)測值低0.2%，能頭系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值比預(yù)測值高4.5%。

3）采用該模型級進(jìn)行某管線壓縮機(jī)機(jī)組設(shè)計，空氣性能試驗(yàn)表明該機(jī)組的性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，具有很高的效率。