某离心式压缩机可调进口导叶叶型研究

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离心压缩机在实际运行过程中随着气候条件和用户需求，经常需要对进入压缩机的气体流量进行控制，在压缩机首级前安装进口导叶是-种常见且有效的调节流量方式。然而传统的导叶设计流量调节范围有限，导致在冬天或用户需求流量减少时将相当-部分压缩气放空，造成大量的浪费。如我国某生产厂家的压缩机在冬天需要放空的气量高达 3O ，而国外先进的设计仅需放空15 左右，因此对于导叶设计方法的研究是急需解决的-项关键技术。

本文从导叶叶型人手 ，选取六种 NACA翼型作为改进方案，其中导叶节弦比，叶片数及导叶通道几何结构与原叶型保持-致[1]。着重分析了不同导叶叶型对流量调节性能的影响，为今后导叶性能的改进提供了参考，对离心压缩机运行节能有重要指导意义。

1 研究对象及数值计算方法1.1 研究对象本文研究对象是-个带有可调进口导叶的离心压缩机首级，由进气室、导叶、叶轮和扩压器组成[2 ]。导叶带有 11个对称直叶片，可绕 自身轴转动；叶轮是半开式，带有 19个后弯式叶片；扩压器带有 20个直叶片。在保证计算准确性和分析效率的前提下，本文对原结构作了-定简化，物理模型取导叶和叶轮部分，进气室以-延长段来代替。

本文采用 NUMECA软件提供的AutoGrid5拈进行网格划分，它可以通过调整拓扑构型和节点数目生成高质量的网格，但是计算模型要有完整的 hub和 shroud面，否则网格无法生成。基于该原因本文对 hub线的选萨行-定处理，即在 hub线断开处用-段圆弧连接。各块的网格均为 H-I型，网格总数为 1 600万左右。子午通道和整级网格如图 1、2所示 。

图 1 子午通道示意图Fig.1 Sketch of meridiona1 channel收稿 日期 ：2013-03-16； 修 回 日期：2013-04-22。

作者简介：冀春俊(1962-)，男，河南镇平人，博士，教授，主要研究方向为动力机械及流体机械内部的流场模拟、分析及结构优化以及振动分析.E-mail：chunji###dlut.edu.cn热 科 学 与 技 术 第12卷图2 整级网格示意图Fig.2 Sketch of grid of whole stage1.2 数值计算方法计算采用 Navier-Stockes方程和时间推进法求解，Sparlart-Almaras湍流模型，空间二阶精度的中心离散格式，同时采用完全多重网格，隐式残差光顺技术加速收敛[1]。计算边界条件为工质 ：空气；人 口边界条件 ：总温 263 K(冬季)、303 K(夏季)总压力 97 kPa、轴向进气 ；出口边界条件：给定平均静压；转速 ：7 460 r/rain；初场 ：均匀场；设计工况点质量流量：32.29 kg/s。

2 不同导叶叶型的计算结果及分析本文通过对进 口导叶调节原理及调节性能的评价指标进行分析，选取了六种 NACA四位数叶型作为改进方案，从导叶厚度及弯度方面分析不同叶型对流量调节性能的影响[4]。在导叶节弦比、叶片数及导叶通道几何结构-致的前提下，本文对各导叶安装角风--20。，0。，20。，40。，60。的导叶级的计算区域进行全通道定常数值模拟。为消除网格差异引起的误差 ，对 于所有导叶叶型改进方案均采用与原叶型相同的网格拓扑结构。

(a)原叶型- - 00l8- O0l2(b)直叶型- - 6412- - 4412(c)弯叶型图 3 最大弦长处叶型Fig.3 Profiles of VIGV in biggest chord2.1 直叶型流量调节性能分析图 4为直叶型夏季功率调节性能曲线。图 4表明：当 从-2O。向 6O。逐步调节时，各叶型对应的P随之下降；叶型改进前后，各工况点对应的功率变化不明显。说明夏季直叶型对离心压缩机功耗影响不大。本文各情况功率变化与之相同。

4 5004 0003 50≥ 3 0002 5002 00l 5001 000图 4 直叶型功率调节性能曲线Fig.4 Curve of power regulation range of straight VIGV图 5为直叶型流量调节范围曲线 。从图 5可见 绝对值较小时调节范围几乎不变，而 卢A较大时调节范围变化比较大，调节范围由大到小依次为 NACA0008、NACAo012、NACAoo18，其中NACA0008的调节范围明显比原始叶型大。由表 1、2可以看出，夏季流量调节范围扩大程度要高于冬季。与原始叶型相比，NACA0008叶型在夏季时流量调节范围扩大了 12.43 9/6，冬季时扩大了5.19%，其流量调节性能明显优于其他两种直叶型。

36322824201612导叶安裟角 )(a)夏季导叶安装角/(。)(b)冬季图 5 直叶型流量调节范围曲线Fig.5 Curve of mass flow regulation rangeof straight VIGV第2期 冀春俊等：某离心式压缩机可调进 口导叶叶型研究表 1 直叶型流量调节范围变化( -60。，夏季)Tab.1 Change of mass flow regulation rangeof straight VIGV (舟 - 60。，summer)表 2 直叶型流量调节范围变化( -60。，冬季)Tab.2 Change of mass flow regulation rangeof straight VIGV ( - 60。，winter)2.2 弯叶型流量调节性能分析图6为弯叶型流量调节范围曲线。从图6可见，无论正预旋还是负预选调节，弯叶型的流量调节范围均扩大。虽然负预旋可以提高离心式压缩机的压力和流量，但流动损失较大，因此调节范围应有-定限度[5]。所以本文只考虑正预旋流量调节范围的变化。当风 值较大时调节范围由大到小依次 NACA6412、NACA4412、NACA2412，绝对值较小时变化规律与之相反。由表 3、4可以36322824201612(a)夏季(b)冬季图6 弯叶型流量调节范围曲线Fig.6 Curve of mass flow regulation rangeof curved VIGV表 3 弯叶型流量调节范围变化( -60。，夏季)Tab.3 Change of mass flow regulation rangeof curved VIGV ( - 60。，summer)表4 弯叶型流量调节范围变化( -60。，冬季)Tab.4 Change of mass flow regulation rangeof curved VIGV (口A 60。，winter)看出，夏季流量调节范围扩大程度要高于冬季；与原始叶型相比，NACA6412叶型在夏季时流量调节范围扩大了13.38 ，冬季时扩大了6.03 。

3 结 论本文通过对离心压缩机进口导叶系统中导叶叶型进行数值研究，对改进前后离心压缩机流量调节范围大续行了分析，得到结论。

1)有预旋与无预旋相比流量范围增大，说明可调进口导叶调节作为-种调节方式可以改变来流预旋条件，从而进行工况调节。

2)叶型改进前后 ，离心压缩机的耗功变化不大，即在保证节能效果的前提下，选取流量调节范围比较大的叶型，有利于降低离心压缩机的运行成本。

3)直叶型前缘厚度越小，弯叶型弯度越大，流量调节范围越大，而且弯叶型的流量调节能力高于直叶型。本文选取 的六种新 叶型 中 NA-CA6412叶型的流量调节能力最大，与原始叶型相 比夏季时调节范 围扩大 了 13.38 ，冬季时扩大了 6.03 o//，这相当于冬季节省了 6 左右的能耗 。