葉片數(shù)對(duì)離心壓縮機(jī)性能的影響

靳亞峰 韓撲塄 王 姍 王娟麗

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

離心式壓縮機(jī)是一種能夠提供壓縮氣體的節(jié)能設(shè)備，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小功率燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)源、石油化工等行業(yè)。

離心式壓縮機(jī)按其結(jié)構(gòu)分，可以分為單級(jí)或多級(jí)離心壓縮機(jī)。單級(jí)離心壓縮機(jī)主要由進(jìn)氣通道、葉輪、擴(kuò)壓器、排氣蝸殼組成。離心壓縮機(jī)的葉片數(shù)直接影響壓縮機(jī)內(nèi)部流道的大小，會(huì)影響壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分布，對(duì)機(jī)組的效率和壓比都會(huì)產(chǎn)生影響。

離心壓縮機(jī)葉片數(shù)目多，可以減少軸向渦流的影響，有利于提高葉輪的做工能力，降低二次流損失和分離損失，但通常會(huì)增大摩擦損失、沖擊損失并加大葉片進(jìn)口的阻塞，而且過(guò)多的葉片數(shù)會(huì)導(dǎo)致葉道的當(dāng)量水力直徑過(guò)小，大大增加流動(dòng)損失。反之，葉片數(shù)過(guò)小，會(huì)增大二次流損失和分離損失，但可以減小摩擦損失、沖擊損失及葉片進(jìn)口的阻塞[1]。因此葉片數(shù)過(guò)多或者過(guò)少都不好。尋求一個(gè)最佳葉片數(shù)，對(duì)工程方案設(shè)計(jì)具有重要的意義。

本文針對(duì)某空分離心式壓縮機(jī)，通過(guò)改變其葉片數(shù)，分析葉片數(shù)對(duì)機(jī)組效率、壓比等的影響，尋求一個(gè)最佳葉片數(shù)，使整個(gè)機(jī)組效率達(dá)到最優(yōu)。

1 模型建立

針對(duì)本空分機(jī)組高壓比、小流量的特點(diǎn)，本文選用帶分流葉柵的閉式葉輪進(jìn)行研究。離心壓縮機(jī)的內(nèi)部流體流動(dòng)遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，葉輪模型如圖1所示。

圖1 葉輪模型Figure 1 Impeller model

2 方案設(shè)計(jì)

由于葉輪及其工作條件比較復(fù)雜，很難有統(tǒng)一的公式計(jì)算出具體條件下葉輪的最佳葉片數(shù)。根據(jù)相關(guān)資料建議，按照平面葉柵最佳葉柵稠度的概念計(jì)算，葉片數(shù)可以由下面公式估算：

式中，β1為葉片進(jìn)口安裝角；β2為葉片出口安裝角；D1為葉輪葉片進(jìn)口直徑；D2為葉輪葉片出口直徑；(lt)opt為為最佳葉柵稠度。

相關(guān)文獻(xiàn)建議最佳葉柵稠度在2.2～4.0之間[2-3]。

針對(duì)本壓縮機(jī)的參數(shù)，由上述公式可以初步估算葉片數(shù)在11～20之間，因此本文選取6組、7組、8組、9組、10組葉片為研究對(duì)象。用NREC軟件對(duì)葉輪進(jìn)行三維造型，保證主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如載荷分布等在合理范圍之內(nèi)。隨著葉片組數(shù)的增加，葉輪上的載荷分布減小，并且保證每組的載荷分布都在0.7以下。

采用AutoGrid5對(duì)葉輪進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，結(jié)合邊界條件，將單流道模型劃分為六面體網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 子午流道及網(wǎng)格模型Figure 2 Meridional flow channel and grid model

在不改變其他結(jié)構(gòu)的情況下，僅對(duì)原模型的葉片數(shù)進(jìn)行修改，分別建立葉片數(shù)為6組、7組、8組、9組、10組的葉輪模型，然后對(duì)所有的模型進(jìn)行分析，研究不同葉片數(shù)對(duì)離心壓縮機(jī)性能的影響。

本離心壓縮機(jī)工質(zhì)為空氣，喘流模型用Spalart-Allmaras(Extended wall Function)模型。葉輪部分設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，擴(kuò)壓器設(shè)置為靜子部件。轉(zhuǎn)靜子交界面采用周期守恒型連接面，固體壁面為無(wú)滑移、絕熱邊界條件。進(jìn)口邊界設(shè)置為總溫總壓，出口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量。收斂條件為2萬(wàn)步或者各項(xiàng)殘差小于10-5。

3 結(jié)果分析

圖3為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、設(shè)計(jì)流量下的不同葉片組數(shù)的離心壓縮機(jī)速度云圖。葉片組數(shù)和壓比、效率的關(guān)系見(jiàn)圖4～5。

葉片組數(shù)10組9組8組7組6組10%葉高50%葉高90%葉高

圖4 葉片組數(shù)和壓比的關(guān)系Figure 4 Relationship between blade number and pressure ratio

圖5 葉片組數(shù)和效率的關(guān)系Figure 5 Relationship between blade number and efficiency

從上述速度云圖、葉片組數(shù)和壓比、效率的關(guān)系圖可以看出，葉片組數(shù)為6組時(shí)，葉輪頂部出現(xiàn)分離渦，葉輪內(nèi)部流動(dòng)較大，低能流體從輪盤(pán)向輪蓋處積聚較多，吸力面輪蓋處速度很小，導(dǎo)致二次流損失嚴(yán)重[4-5]。而葉片數(shù)增多，可以使這一現(xiàn)象得到改善。隨著葉片數(shù)的增加，出口壓力會(huì)有所增加，等熵效率也會(huì)升高，但并不是葉片數(shù)越多越好。葉片組數(shù)為10組時(shí)，葉輪頂部出口位置有脫流，說(shuō)明雖然單個(gè)葉片上的載荷降低了，但葉輪進(jìn)口的阻塞增加了，內(nèi)部流動(dòng)摩擦損失也增加了，所以導(dǎo)致出口壓力降低，效率下降。葉片數(shù)為8組時(shí)，效率和壓比均達(dá)到最大值，因此8組是最佳葉片組數(shù)。

4 總結(jié)

通過(guò)改變?nèi)~片組數(shù)，分別對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分和數(shù)值分析，得到以下結(jié)論：過(guò)多的葉片數(shù)或者過(guò)少的葉片數(shù)都會(huì)對(duì)機(jī)組的效率產(chǎn)生影響，葉片數(shù)過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致摩擦損失過(guò)大，機(jī)組效率下降；葉片數(shù)過(guò)少，葉片載荷分布增加，二次流損失嚴(yán)重，從而使機(jī)組效率下降。因此在方案設(shè)計(jì)時(shí)，需尋求一個(gè)最佳葉片數(shù)，使機(jī)組效率達(dá)到最佳。