改变进气通道结构提高离心压缩机进口导叶调节性能
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（ 1． Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049 ， China； 2． Shenyang Blower （ Group） Co． Ltd． ，Shenyang 110142 ， China） Abstract ： The geometry of the inlet flow channel of a centrifugal compressor was modified to improve the regulating performance
图2
数值模拟区域
本文中 ， 调节曲线是指 ： 在管网阻力特性不 变的前提下 ， 调节导叶角度 θ IGV 时离心压缩机的 性能参数 Y 随流量 m 的变化曲线 Y = f （ m ） 。 根 Y 整机压比 π C 等 ） ， 据 Y 的具体含义 （ 如功率 P 、 = f（ m ） 被称作 功 率 调 节 曲 线 、 整机压比调节曲 线等 。 在压缩机气动性能试验中， 往往用一段带阀 门的排气管道来模拟管网， 并通过调节阀门的开 度 θ OUT 来调节排气管道的阻力特性。 这时， 只要 固定 θ OUT 并测量不同 θ IGV 下的 Y 和 m， 就可获得调 节曲线。
2011 年第 39 卷第 8 期
文章编号： 1005 － 0329 （ 2011 ） 08 － 0019 － 05
流
体
机
械
19
改变进气通道结构提高离心压缩机 进口导叶调节性能
1 刘天一 ， 王 2 1 1 锐 ， 谭佳健 ， 祁大同
（ 1． 西安交通大学， 陕西西安 710049 ； 2． 沈阳鼓风机（ 集团） 公司， 辽宁沈阳 110142 ） 摘 要： 改变离心压缩机的进气通道结构， 以提高其进口导叶的调节性能 。根据对预旋、 阻力影响因素的定性分析， 提
－ R ） c Z0 ρ = m。 因此式 （ 7 ） 可
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） 2 3 （ R2 S0 － R H0 ）
2 H0
∫
S
rc u dm = c u0 m
= c u0 mR0
百度文库
（ 8）
式（ 8 ） 显示了当量预旋半径的物理意义： 在 一维流动假设下， 一定质量、 以一定周向分速度作 R S0 的 旋转运动的气体， 从内外壁半径分别为 R H0 、 和全部从半径 r = 环形通流截面上均匀通过时， R0 处通过时的角动量相等。 可见在讨论预旋问 题时， 适宜用当量预旋半径作为环形通流截面的 特征半径。 记导叶尾缘截面的当量预旋半径为 R IGV 。 在 式（ 5 ） 可化简为： 一维流动假设下， Cr = 式中 mc U － IGV R IGV mc Z0 R0 （ 9）
整个计算区域网格总数约为 146． 3 万， 已满 足网格无关性要求。 经间接实验验证， 本文的数 值方法和计算设置可以满足工程分析的精度要 ［9 ， 10 ］ 。 详情见文献 求， 3 3． 1 设计思路及方案
∫ rc dm = ∫
S u
R S0
R H0
rc u0 （ 2 πrc Z0 ρdr）
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） = c u0 πc Z0 ρ 3 2 2 等号右边分子分母同乘以（ R S0 － R H0 ） ， 得到：
流
体
机 式中
械
21
— — 气体密度 （ 在本节的定性分析中视 ρ— kg / m3 作常数） ， c — — 0 截面上气体的平均轴向分速度， m/ s 珋 Z0 — R0 — — — 0 截面的当量预旋半径， m R0 的定义如下： R0 =
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） 2 3 （ R2 S0 － R H0 ）
收稿日期： 2010 － 05 － 05 修稿日期： 2011 － 06 － 21
2 2． 1
研究对象及方法 研究对象 TR400 压缩机的结构如图 1 所示 ， 其主要通
流部件包 括 径 向 吸 气 室 、 进 口 导 叶、 叶 轮、 无叶 扩压器 、 弯道 、 回流器和出口排气室 。 进口导叶 由 10 片常规平板直叶片组 成 ， 节弦比为 1。叶 片厚度与 半 径 成 正 比 ， 因此在不同半径处叶栅 稠度相同 。 根部附近 A － A 截面处 ， 叶片厚度为 11mm 。
∫
S
2 rc u dm = c u0 π（ R2 S0 － R H0 ） c Z0 ρ
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） 2 3 （ R2 S0 － R H0 ）
（ 7） 其中， π（ R ： 简化为
2 S0
改进思路 在设计改进方案之前， 首先定性分析预旋和 阻力的影响因素， 以探索改进思路。 以气流通过进口导叶时的总压降 Δp IGV 和获 得的角动量 M IGV ， 来分别衡量阻力和预旋的大小。 Δp IGV 和 M IGV 计算式为： 珋 珋 （ 2） Δp IGV = p IN － p 0 M IGV = 式中
Improve the Regulating Performance of Centrifugal Compressor Inlet Guide Vanes by Modifying the Geometry of the Inlet Flow Channel LIU Tianyi1 ，WANG Rui2 ，TAN Jiajian1 ，QI Datong1
况点， 以获得调节曲线。对于原始方案， 则模拟除 65ʎ 以外的 7 个工况点。对于所有方案， 都令 θ OUT
图1 TR400 离心压缩机结构示意
= 49． 5ʎ ， 以保证改进前后整机压比调节曲线基本 重合， 这样就可以在同一基础上比较改进前后压 ［9 ］ 缩机的功耗 。之所以选择 θ OUT = 49． 5ʎ ， 是因为 49． 5ʎ ） 时， TR400 在改进前， 当 （ θ IGV ， θ OUT ） = （ 0ʎ ， 压缩机恰好位于设计工况点。 以名义省功比 E S 来定量评价改进方案的节 能效果 ， E S 的计算方式如图 3 所示： 以改进前 即图 3 后压缩机功率调节曲线的共同流量部分，
1
前言
6 种不同的通道改进方案， 并以 NUMECA 软件为 工具， 通过数值模拟比较各方案的改进效果 。
为了使离心压缩机能在较为宽广的流量范围 ［1 ， 2 ］ 。 内稳定 工 作， 常用进口导叶对其进行调节 ， 为了达到较好的调节性能 进口导叶需要有较大 的旋阻 比， 即 能 以 较 小 的 损 失， 产生较大的预 ［3 ， 4 ］ 。 旋 提高进口导叶旋阻比的途径有 2 种： （ 1 ） 改进导叶本身， 如改变导叶的翼型、 节弦 ［4 7 ］ ； 比等等 7 ］ （ 2 ） 改变进气通道的结构［6， 。 本文以沈鼓集团 TR400 单级双支撑式离心 从后一种途径入手， 来提高其 压缩机为研究对象， 进口导叶的旋阻比， 以改善其调节性能。 共设计
20
FLUID MACHINERY
Vol. 39 ， No. 8 ， 2011
仿照上述试验方法来进行数值研究， 以获得 进气通道改进前后压缩机性能参数的调节曲线 。 计算区域包括压缩机的主要通流部分 （ 从 IN 截 面至 6 截面， 如图 2 所示） 和一段出口管道。本文 ， “整机 ” 6 两截面之间的 的数值研究中 是指 IN、 通流部分。 θ IGV 数值计算中， 对于每一种改进方案， 都模拟 = 0ʎ ， 10ʎ ， 20ʎ ， 30ʎ ， 40ʎ ， 50ʎ ， 60ʎ ， 65ʎ 等八个工
of its inlet guide vanes． The idea of increasing the equivalent prewhirl radius at the trailing edge of the inlet guide vanes was proposed，as a conclusion of the qualitative analysis on the influence factors of the prewhirl and the loss of the inlet guide vanes． Six improvement schemes for the inlet flow channel were designed according to the idea above． Numerical simulation was applied to compare and analyze the performance of each improvement scheme，and to validate the idea of increasing the equivalent prewhirl radius． Key words： inlet guide vanes； inlet flow channel； centrifugal compressor； equivalent prewhirl radius
∫ rc dm
S u
（ 3）
珋 p — — IN 截面上的平均总压， Pa IN — 珋 p0 — — — 0 截面上的平均总压， Pa cu — — — 气体的周向分速度， m /s r— — — 半径， m m— — — 质量流量， m3 / s 根据角动量守恒定理， 在忽略损失的前提下，
气体通过导叶后， 作旋转运动的角动量一直不变， 直到流入叶轮。因此从导叶尾缘至叶轮进口的任 何一个通流截面都可以作为∫S rc u dm 的积分域。 为了考虑流速的影响， 将 Δp IGV 和 M IGV 分别无 量纲化为阻力系数 C f 和预旋系数 C r ： Δp IGV Cf = 2 （ 4） ρc 珋 Z0 / 2 ∫S rc u dm Cr = （ 5） mc 珋 Z0 R 0
［9 ］
2． 2
研究方法
本文对压缩机的进气通道， 即位于 0 截面上 游的通流部分（ 如图 2 所示 ） 进行改进设计； 并以 压缩机性能参数的调节曲线 （ 简称调节曲线 ） 来 作为检验改进效果的基本标准
［3 ， 4， 8 ］
。
中垂线 l1 与 l2 之间的部分为积分区域， 可分别求 得改进前、 后功率调节曲线下方的面积 A 和 A' 。 A 和 A' 分别除以 （ q2 － q1 ） ， 即得到改进前后压缩 q2 ， q1］内的名义平均功率 P AVG 和 机在流量区间［ P' AVG 。P' AVG 相对于 P AVG 降低的比例， 就是名义省 功比 E S ： ES = P AVG － P' AVG A － A' = P AVG A
（ 6）
式中
R H0 — — — 0 截面的内壁半径， m R S0 — — — 0 截面的外壁半径， m 以 0 截面作为 S rc u dm 的积分域。 假设气流
总压 95kPa， 总温 298K， －5 2 湍流粘性 2 ˑ 10 m / s， 轴向进气 平均静压 101． 325 kPa
∫
的速度分量 c Z0 和 c u0 在该截面上均匀分布， 那么 就有：
出了增加导叶尾缘处当量预旋半径的改进思路 。基于该思路设计了 6 种改进方案， 并通过数值模拟对各方案的改进效 果以及改进思路的合理性进行了验证 。 关键词： 进口导叶； 进气通道； 离心式压缩机； 当量预旋半径 TH452 文献标识码： A doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 2011． 08． 005 中图分类号：
图3 名义省功比的计算方法
2． 3
数值计算参数设置 以下使用 NUMECA 软件， 进行三维、 粘性、 单
通道、 定常数值模拟。 主要计算参数及边界条件 ［9 ］ 设置如表 1 所示 。
2011 年第 39 卷第 8 期
表1 项目 工质 湍流模型 差分格式 R － S 界面 信息传递方式 叶轮转速 设计流量 入口（ IN 截面） 边界条件 出口（ OUT 截面） 边界条件 主要计算参数及边界条件设置 设置情况 空气， 按理想气体处理 Spalart － Allmaras 中心差分 周向平均耦合法， 保证质量、 动量和能量守恒 9900r / min 4． 291kg / s
图2
数值模拟区域
本文中 ， 调节曲线是指 ： 在管网阻力特性不 变的前提下 ， 调节导叶角度 θ IGV 时离心压缩机的 性能参数 Y 随流量 m 的变化曲线 Y = f （ m ） 。 根 Y 整机压比 π C 等 ） ， 据 Y 的具体含义 （ 如功率 P 、 = f（ m ） 被称作 功 率 调 节 曲 线 、 整机压比调节曲 线等 。 在压缩机气动性能试验中， 往往用一段带阀 门的排气管道来模拟管网， 并通过调节阀门的开 度 θ OUT 来调节排气管道的阻力特性。 这时， 只要 固定 θ OUT 并测量不同 θ IGV 下的 Y 和 m， 就可获得调 节曲线。
2011 年第 39 卷第 8 期
文章编号： 1005 － 0329 （ 2011 ） 08 － 0019 － 05
流
体
机
械
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改变进气通道结构提高离心压缩机 进口导叶调节性能
1 刘天一 ， 王 2 1 1 锐 ， 谭佳健 ， 祁大同
（ 1． 西安交通大学， 陕西西安 710049 ； 2． 沈阳鼓风机（ 集团） 公司， 辽宁沈阳 110142 ） 摘 要： 改变离心压缩机的进气通道结构， 以提高其进口导叶的调节性能 。根据对预旋、 阻力影响因素的定性分析， 提
－ R ） c Z0 ρ = m。 因此式 （ 7 ） 可
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） 2 3 （ R2 S0 － R H0 ）
2 H0
∫
S
rc u dm = c u0 m
= c u0 mR0
百度文库
（ 8）
式（ 8 ） 显示了当量预旋半径的物理意义： 在 一维流动假设下， 一定质量、 以一定周向分速度作 R S0 的 旋转运动的气体， 从内外壁半径分别为 R H0 、 和全部从半径 r = 环形通流截面上均匀通过时， R0 处通过时的角动量相等。 可见在讨论预旋问 题时， 适宜用当量预旋半径作为环形通流截面的 特征半径。 记导叶尾缘截面的当量预旋半径为 R IGV 。 在 式（ 5 ） 可化简为： 一维流动假设下， Cr = 式中 mc U － IGV R IGV mc Z0 R0 （ 9）
整个计算区域网格总数约为 146． 3 万， 已满 足网格无关性要求。 经间接实验验证， 本文的数 值方法和计算设置可以满足工程分析的精度要 ［9 ， 10 ］ 。 详情见文献 求， 3 3． 1 设计思路及方案
∫ rc dm = ∫
S u
R S0
R H0
rc u0 （ 2 πrc Z0 ρdr）
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） = c u0 πc Z0 ρ 3 2 2 等号右边分子分母同乘以（ R S0 － R H0 ） ， 得到：
流
体
机 式中
械
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— — 气体密度 （ 在本节的定性分析中视 ρ— kg / m3 作常数） ， c — — 0 截面上气体的平均轴向分速度， m/ s 珋 Z0 — R0 — — — 0 截面的当量预旋半径， m R0 的定义如下： R0 =
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） 2 3 （ R2 S0 － R H0 ）
收稿日期： 2010 － 05 － 05 修稿日期： 2011 － 06 － 21
2 2． 1
研究对象及方法 研究对象 TR400 压缩机的结构如图 1 所示 ， 其主要通
流部件包 括 径 向 吸 气 室 、 进 口 导 叶、 叶 轮、 无叶 扩压器 、 弯道 、 回流器和出口排气室 。 进口导叶 由 10 片常规平板直叶片组 成 ， 节弦比为 1。叶 片厚度与 半 径 成 正 比 ， 因此在不同半径处叶栅 稠度相同 。 根部附近 A － A 截面处 ， 叶片厚度为 11mm 。
∫
S
2 rc u dm = c u0 π（ R2 S0 － R H0 ） c Z0 ρ
3 2 （ R3 S0 － R H0 ） 2 3 （ R2 S0 － R H0 ）
（ 7） 其中， π（ R ： 简化为
2 S0
改进思路 在设计改进方案之前， 首先定性分析预旋和 阻力的影响因素， 以探索改进思路。 以气流通过进口导叶时的总压降 Δp IGV 和获 得的角动量 M IGV ， 来分别衡量阻力和预旋的大小。 Δp IGV 和 M IGV 计算式为： 珋 珋 （ 2） Δp IGV = p IN － p 0 M IGV = 式中
Improve the Regulating Performance of Centrifugal Compressor Inlet Guide Vanes by Modifying the Geometry of the Inlet Flow Channel LIU Tianyi1 ，WANG Rui2 ，TAN Jiajian1 ，QI Datong1
况点， 以获得调节曲线。对于原始方案， 则模拟除 65ʎ 以外的 7 个工况点。对于所有方案， 都令 θ OUT
图1 TR400 离心压缩机结构示意
= 49． 5ʎ ， 以保证改进前后整机压比调节曲线基本 重合， 这样就可以在同一基础上比较改进前后压 ［9 ］ 缩机的功耗 。之所以选择 θ OUT = 49． 5ʎ ， 是因为 49． 5ʎ ） 时， TR400 在改进前， 当 （ θ IGV ， θ OUT ） = （ 0ʎ ， 压缩机恰好位于设计工况点。 以名义省功比 E S 来定量评价改进方案的节 能效果 ， E S 的计算方式如图 3 所示： 以改进前 即图 3 后压缩机功率调节曲线的共同流量部分，
1
前言
6 种不同的通道改进方案， 并以 NUMECA 软件为 工具， 通过数值模拟比较各方案的改进效果 。
为了使离心压缩机能在较为宽广的流量范围 ［1 ， 2 ］ 。 内稳定 工 作， 常用进口导叶对其进行调节 ， 为了达到较好的调节性能 进口导叶需要有较大 的旋阻 比， 即 能 以 较 小 的 损 失， 产生较大的预 ［3 ， 4 ］ 。 旋 提高进口导叶旋阻比的途径有 2 种： （ 1 ） 改进导叶本身， 如改变导叶的翼型、 节弦 ［4 7 ］ ； 比等等 7 ］ （ 2 ） 改变进气通道的结构［6， 。 本文以沈鼓集团 TR400 单级双支撑式离心 从后一种途径入手， 来提高其 压缩机为研究对象， 进口导叶的旋阻比， 以改善其调节性能。 共设计
20
FLUID MACHINERY
Vol. 39 ， No. 8 ， 2011
仿照上述试验方法来进行数值研究， 以获得 进气通道改进前后压缩机性能参数的调节曲线 。 计算区域包括压缩机的主要通流部分 （ 从 IN 截 面至 6 截面， 如图 2 所示） 和一段出口管道。本文 ， “整机 ” 6 两截面之间的 的数值研究中 是指 IN、 通流部分。 θ IGV 数值计算中， 对于每一种改进方案， 都模拟 = 0ʎ ， 10ʎ ， 20ʎ ， 30ʎ ， 40ʎ ， 50ʎ ， 60ʎ ， 65ʎ 等八个工
of its inlet guide vanes． The idea of increasing the equivalent prewhirl radius at the trailing edge of the inlet guide vanes was proposed，as a conclusion of the qualitative analysis on the influence factors of the prewhirl and the loss of the inlet guide vanes． Six improvement schemes for the inlet flow channel were designed according to the idea above． Numerical simulation was applied to compare and analyze the performance of each improvement scheme，and to validate the idea of increasing the equivalent prewhirl radius． Key words： inlet guide vanes； inlet flow channel； centrifugal compressor； equivalent prewhirl radius
∫ rc dm
S u
（ 3）
珋 p — — IN 截面上的平均总压， Pa IN — 珋 p0 — — — 0 截面上的平均总压， Pa cu — — — 气体的周向分速度， m /s r— — — 半径， m m— — — 质量流量， m3 / s 根据角动量守恒定理， 在忽略损失的前提下，
气体通过导叶后， 作旋转运动的角动量一直不变， 直到流入叶轮。因此从导叶尾缘至叶轮进口的任 何一个通流截面都可以作为∫S rc u dm 的积分域。 为了考虑流速的影响， 将 Δp IGV 和 M IGV 分别无 量纲化为阻力系数 C f 和预旋系数 C r ： Δp IGV Cf = 2 （ 4） ρc 珋 Z0 / 2 ∫S rc u dm Cr = （ 5） mc 珋 Z0 R 0
［9 ］
2． 2
研究方法
本文对压缩机的进气通道， 即位于 0 截面上 游的通流部分（ 如图 2 所示 ） 进行改进设计； 并以 压缩机性能参数的调节曲线 （ 简称调节曲线 ） 来 作为检验改进效果的基本标准
［3 ， 4， 8 ］
。
中垂线 l1 与 l2 之间的部分为积分区域， 可分别求 得改进前、 后功率调节曲线下方的面积 A 和 A' 。 A 和 A' 分别除以 （ q2 － q1 ） ， 即得到改进前后压缩 q2 ， q1］内的名义平均功率 P AVG 和 机在流量区间［ P' AVG 。P' AVG 相对于 P AVG 降低的比例， 就是名义省 功比 E S ： ES = P AVG － P' AVG A － A' = P AVG A
（ 6）
式中
R H0 — — — 0 截面的内壁半径， m R S0 — — — 0 截面的外壁半径， m 以 0 截面作为 S rc u dm 的积分域。 假设气流
总压 95kPa， 总温 298K， －5 2 湍流粘性 2 ˑ 10 m / s， 轴向进气 平均静压 101． 325 kPa
∫
的速度分量 c Z0 和 c u0 在该截面上均匀分布， 那么 就有：
出了增加导叶尾缘处当量预旋半径的改进思路 。基于该思路设计了 6 种改进方案， 并通过数值模拟对各方案的改进效 果以及改进思路的合理性进行了验证 。 关键词： 进口导叶； 进气通道； 离心式压缩机； 当量预旋半径 TH452 文献标识码： A doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 2011． 08． 005 中图分类号：
图3 名义省功比的计算方法
2． 3
数值计算参数设置 以下使用 NUMECA 软件， 进行三维、 粘性、 单
通道、 定常数值模拟。 主要计算参数及边界条件 ［9 ］ 设置如表 1 所示 。
2011 年第 39 卷第 8 期
表1 项目 工质 湍流模型 差分格式 R － S 界面 信息传递方式 叶轮转速 设计流量 入口（ IN 截面） 边界条件 出口（ OUT 截面） 边界条件 主要计算参数及边界条件设置 设置情况 空气， 按理想气体处理 Spalart － Allmaras 中心差分 周向平均耦合法， 保证质量、 动量和能量守恒 9900r / min 4． 291kg / s