劉 軍，張旭朋，席會杰

(金通靈科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南通 226000)

1 引言

離心壓縮機(jī)作為一種提高氣體壓力的通用設(shè)備，廣泛應(yīng)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(lǐng)域[1-2]。近年來隨著我國基礎(chǔ)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(jìn)程，節(jié)能、減排是當(dāng)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(jì)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(jì)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(jī)在工業(yè)領(lǐng)域耗能巨大，應(yīng)該要引起社會各界的重視。因此，設(shè)計(jì)高技術(shù)水平的離心壓縮機(jī)是當(dāng)務(wù)之急，提高離心壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率，對經(jīng)濟(jì)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(jī)的通流部件設(shè)計(jì)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，其內(nèi)部流動(dòng)也難以預(yù)測，如果氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者動(dòng)靜元件不匹配，會導(dǎo)致壓縮機(jī)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(dòng)、葉輪和葉尖動(dòng)靜面之間的泄漏以及旋轉(zhuǎn)失速和喘振等，在這些流動(dòng)現(xiàn)象的共同作用影響下，離心壓縮機(jī)內(nèi)部的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)及傳熱特性就顯得異常復(fù)雜[3-4]。由于復(fù)雜流動(dòng)和各種影響因素又相互作用，因此研究和設(shè)計(jì)難度顯而易見。

多年以來，研究和設(shè)計(jì)人員是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)葉輪來提高離心壓縮機(jī)的性能，但忽略了非常重要的靜止元件，就是擴(kuò)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(kuò)壓器，其內(nèi)部流動(dòng)更加復(fù)雜，所以非常有必要對擴(kuò)壓器進(jìn)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(jī)，該壓縮機(jī)葉輪為扭轉(zhuǎn)葉片，采用無葉擴(kuò)壓，蝸殼是非對稱蝸殼。葉片和擴(kuò)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(kuò)壓器主要幾何參數(shù)

圖1 葉輪的三維模型圖

3 葉片擴(kuò)壓器的數(shù)值模擬和分析

葉片擴(kuò)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(jī)設(shè)計(jì)中獲得廣泛應(yīng)用。以下對無葉擴(kuò)壓、7葉片擴(kuò)壓器和11葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行了數(shù)值模擬及對比，以及通過對離心壓縮機(jī)內(nèi)流場的分析探討葉片擴(kuò)壓器對離心壓縮機(jī)性能的影響及其作用機(jī)理[7-11]。

3.1 性能曲線對比

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

圖2 無葉擴(kuò)壓器器、7葉片擴(kuò)壓器和11葉片擴(kuò)壓器性能曲線對比

由圖2可見，相比于無葉擴(kuò)壓器，有葉片擴(kuò)壓器可以獲得良好的效果，壓縮機(jī)級的靜壓比在整個(gè)工作范圍內(nèi)得到明顯提高，設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的多變效率也在一定程度上得到了提升，但在偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域(即近喘振點(diǎn)和近堵塞點(diǎn)區(qū)域)，有葉片擴(kuò)壓器反而會使壓縮機(jī)級的多變效率下降，但7葉片擴(kuò)壓器的多變效率下降趨勢比11葉片擴(kuò)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(kuò)壓器效果較好，其設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓比提高了12.63%，多變效率提高了0.71%。

3.2 設(shè)計(jì)點(diǎn)流場分析

圖3是設(shè)計(jì)點(diǎn)無葉擴(kuò)壓器、11葉片擴(kuò)壓器和7葉片擴(kuò)壓器的葉輪子午面熵值云圖。

圖3 設(shè)計(jì)點(diǎn)子午面熵值云圖

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

圖4是無葉擴(kuò)壓器、11葉片擴(kuò)壓器和7葉片擴(kuò)壓器在設(shè)計(jì)點(diǎn)的葉輪50%相對葉高展向截面靜壓云圖。

圖4 設(shè)計(jì)點(diǎn)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(jìn)口段到葉輪到擴(kuò)壓器的靜壓是不斷提高的。無葉擴(kuò)壓器葉輪和擴(kuò)壓器通道的靜壓增大變化明顯；采用葉片擴(kuò)壓器處理后，靜壓增大能力提高，流場變得均勻，但在擴(kuò)壓器葉片前緣和尾緣均有一個(gè)小的低速區(qū)，相比于無葉擴(kuò)壓器靜壓比提升。這說明在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，葉片擴(kuò)壓器處理可以提高壓縮機(jī)級的擴(kuò)壓能力，減少擴(kuò)壓器通道內(nèi)的流動(dòng)損失，一定程度上提高壓縮機(jī)級效率。

圖5、6、7是設(shè)計(jì)點(diǎn)無葉擴(kuò)壓器、11葉片擴(kuò)壓器和7葉片擴(kuò)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(kuò)壓器還是葉片擴(kuò)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(kuò)壓器、11葉片擴(kuò)壓器和7葉片擴(kuò)壓器處理的每個(gè)葉高處熵值，在5%葉高位置，熵值由高到低依次是11葉片擴(kuò)壓器、7葉片擴(kuò)壓器和無葉擴(kuò)壓器；在50%葉高位置，熵值由高到低依次是7葉片擴(kuò)壓器、11葉片擴(kuò)壓器和無葉擴(kuò)壓器；在95%葉高位置，熵值由高到低依次是無葉擴(kuò)壓器、7葉片擴(kuò)壓器和11葉片擴(kuò)壓器。說明在5%葉高位置時(shí)，損失由大到小依次是11葉片擴(kuò)壓器、7葉片擴(kuò)壓器和無葉擴(kuò)壓器；在50%葉高位置時(shí)，損失由大到小依次是7葉片擴(kuò)壓器、11葉片擴(kuò)壓器和無葉擴(kuò)壓器；在95%葉高位置時(shí)，損失由大到小依次是無葉擴(kuò)壓器、7葉片擴(kuò)壓器和11葉片擴(kuò)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(shè)計(jì)點(diǎn)無葉擴(kuò)壓器葉輪5%、50%和95%相對葉高展向截面熵值云圖

圖6 設(shè)計(jì)點(diǎn)11葉片擴(kuò)壓器葉輪5%、50%和95%相對葉高展向截面熵值云圖

圖7 設(shè)計(jì)點(diǎn)7葉片擴(kuò)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(shí)物機(jī)性能試驗(yàn)

由數(shù)值模擬分析可以看出，7葉片擴(kuò)壓器可以獲得更好的增效作用，離心壓縮機(jī)靜壓比有很大提升，并且在設(shè)計(jì)點(diǎn)上多變效率也有所提高，因此，將7葉片擴(kuò)壓器作為優(yōu)選并應(yīng)用于該離心壓縮機(jī)，進(jìn)行性能試驗(yàn)。

4.1 優(yōu)選后實(shí)物機(jī)性能試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析

將優(yōu)選后實(shí)物機(jī)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(jī)實(shí)物機(jī)的試驗(yàn)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(jìn)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(dǎo)致的內(nèi)泄漏和二次流增加的原因。

圖8 優(yōu)選后實(shí)物機(jī)性能測試和CFD數(shù)值模擬對比曲線

圖9 優(yōu)選后實(shí)物機(jī)性能測試和原實(shí)物機(jī)性能測試對比曲線

4.2 優(yōu)選后實(shí)物機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果和原實(shí)物機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果對比分析

優(yōu)選后實(shí)物機(jī)性能測試結(jié)果和原實(shí)物機(jī)性能測試結(jié)果見圖9。由圖可知，在設(shè)計(jì)參數(shù)下，7葉片擴(kuò)壓器的多變效率較無葉擴(kuò)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(shè)計(jì)的2種不同葉片數(shù)的葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別獲得了性能曲線，通過與無葉擴(kuò)壓器的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)葉片擴(kuò)壓器處理在設(shè)計(jì)點(diǎn)可以獲得良好的提升效率的效果。

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

(3)對設(shè)計(jì)的7葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與帶無葉擴(kuò)壓器的級性能進(jìn)行對比，結(jié)果表明：7葉片擴(kuò)壓器能夠在一定的工作范圍內(nèi)提高壓縮機(jī)的多變效率，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率提高0.67%，在偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)較大的情況下效率下降較快，7葉片擴(kuò)壓器在整個(gè)工作范圍內(nèi)都能夠提高壓縮機(jī)的靜壓比，但相比于無葉擴(kuò)壓器，其工作范圍減小。