离心压缩机可调进口导叶研究综述-离心风机可调进口导叶研究

离心压缩机可调进口导叶研究综述-离心风机可调进口导叶研究

离心压缩机可调进口导叶研究综述

谭佳健毛义军祁大同/西安交通大学能源与动力工程学院

王锐王学军/ 沈阳鼓风机(集团)有限公司

摘要：综述了国内外对离心式压缩机可调进口导叶的研究状况，概括性地分类介绍了目前研究热点中取得的成绩和面临的问题，并对相关问题进行了探讨。

关键词：离心式压缩机可调进口导叶综述

中图分类号：TH452 文献标识码：A

文章编号：1006-8155（2006）03-0044-06 Research Overview on Adjustable Inlet Guide Vane for Centrifugal Compressor Abstract: The domestic and oversea research state of inlet guide vane of centrifugal compressor is summarized, the development and problems in research are introduced briefly, and the relative problems are discussed.

Key words: Centrifugal compressor Adjustable inlet guide vane Overview

1 引言

大多数离心式压缩机在实际运行时都是在一定工况范围内工作，仅在一个工况点运行的情况较少。所以，除提高设计点的效率之外，提高离心式压缩机的调节性能也是节约能源的有效途径之一。

离心式压缩机常

用的调节方法有进出口节流、可调进口导叶调节、可调叶片扩压器调节和变转速调节等。其中，可调进口导叶(variable inlet guide vanes, 简称VIGV) 调节是通过改变叶轮进口导叶的安装角从而改变气流预旋的调节方法。与变转速调节相比，这种调节方式虽然效率较低，但在某些方面有自己的特色，如：系统结构相对比较简单，可以在不停车的条件下进行调节，利用伺服机构还可实现自动化。因此，具有广阔的应用前景与研究价值。

可调进口导叶在20世纪50年代初就已经用于风机调节[1]，到80年代后期，国外对离心式压缩机可调进口导叶开始了比较全面的理论和试验研究，取得了较大的进步。而国内的研究普遍要晚于国外，总体水平与国外尚有一定差距。目前，国内外学者对离心式压缩机可调进口导叶的研究主要集中在可调进口导叶的调节性能、相关结构参数对导叶性能的影响、可调进口导叶与叶轮非定常相干作用、可调进口导叶的常见故障及处理等方面。

2 可调进口导叶的调节性能

通常，评价可调进口导叶性能的主要标准有两个：一是调节范围的大小；二是调节效率的高低。调节效率是指整个调节范围内或某一规定调节范围内的平均效率。

2.1 调节范围

西安交通大学空气动力实验室曾对一个离心式压缩机级进行了进气预旋试验，得出了预旋角分别

为,21-o,17-o,0o,10+o时的级性能曲线。试验表明，当正预旋增加时，

th

h

下降，能量头曲线()

f

ψϕ

=

就向左下方移动；当负预旋增大时，

th

h

增大，能量头曲线()

f

ψϕ

=

就向右上方移动，从而使稳定工况范围扩大[2]。Williams进行了压比

为1.7的过程压缩机的试验，在60+o的进口预旋角下，测得喘振线往小流量方向移动，压缩机的稳定工况范围扩大[3]。随后，Rodgers对压比为5的小型燃气透平压气机试验表明，在40+o 的进口预旋角下，喘振线同样往小流量方向移动，稳定工况范围也得到了扩大[4]。Yuji Iwakiri [5]对带可调进口导叶的小型离心式压缩机的性能进行了三维CFD研究，并且针对不同的可调进口导叶安装角，用试验验证了安装角分别为0o，

12 +o ，24+o，36+o，48+o，60+o

时，喘振流量随可调进口导叶安装角的增大而减小，与无预旋流动相比最大可减小14%。

2.2 调节效率

理想的可调进口导叶不仅仅需要有较宽的调节范围，还要求有较高的效率，即较低的损失。从其调节原理来看，它既有预旋效应，又有节流效应。当压缩机负荷变化不大即导叶安装角较小时，预旋效应占主导地位，如果导叶叶型设计较好，具有良好的气动性能，这样其产生的损失就较小。西安交通大学空气动力实验室的进气预旋试验还表明，在导叶安装角较小的调节范围内(26-o～10+o)，与无预旋相比，最高级效率值变化并不大，效率曲线的形状及平坦程度也相差无几，具有较高的调节效率。而当负荷变化大，即导叶安装角较大时，节流效应占主导地位，这时就同节流调节一样，调节效率就较低。另外，当导叶安装角较大时，在可调进口导叶的前缘会产生较大的冲击损失，且气流通过导叶产生预旋后，气流方向与叶轮叶片进口安装角不一致，也会产生冲击损失，导致效率降低。值得指出的是，采用可调进口导叶负预旋调节时，理论上可以提高离心式压缩机的压力和流量，但却能导致叶轮

进口气流相对速度的马赫数增大，从而增大损失。因此，采用负预旋调节时，调节范围应有一定的限度[6，7]。

3 结构参数对可调进口导叶性能的

影响

3.1 通道几何形状对性能的影响

3.1.1 柱状环形通道

Swain[8]使用Dawes CFD程序BTOB3D实现了对可调进口导叶柱状环形通道性能的数值研究，但其忽略了在不同导叶安装角下叶顶间隙的变化和内壁的影响，随后Coppinger和Swain使用CFX

(a)叶顶附近的速度矢量

(b)叶根附近的速度矢量

图1

TASC-flow 进行数值分析得到了比较准确的结果，指出可调进口导叶系统柱状环形通道的3个不利之处[9]

。 （1）在导叶安装角较大时，进气通道中心存在一个明显的泄漏区域，这个区域将会导致产生轴向射流。

（2）在中等导叶安装角(30o

～60o

)时，叶顶处打开了一个间隙区域，这个间隙导致

损失增大。

（3）在导叶安装角较大时，气流通过导流叶片时会出现很大的压降，而在叶顶相对其转轴是悬臂的，这将导致叶片承受较大的弯矩。 图1表示了柱状环形通道可调进口导叶在安装角为30+o

时的导叶叶顶和叶根附近的速度矢量图。 3.1.2 球状环形通道 为改进柱状环形通道的性能，Swain 采用了球状环形通道来减少导叶叶顶、叶根附近的叶片间隙。从图2中通道几何形状的比较可以看出，利用球状环形通道内壁面配合

叶顶和叶根为圆弧形状的导叶后，可以明显减少导叶叶顶、叶根附近的叶片间隙，并且对于任何导叶安装角时

叶顶、叶根附近的叶片间隙都恒定不变。图3

为球状环形通道可调进口导叶系统在叶片安装角为30+o

时叶顶和叶根附近的速度矢量图。Swain 研究指出[8]，与柱状环形通道设计相比，这种新型

叶片和通道可使气流通过VIGV 系统时的总压损失明显减少。 3.1.3 圆锥形通道 球状环形通道内壁面配合叶顶和叶根

为圆弧形状的导叶，可以最小化在所有安装角时的叶片间隙，但是它在叶轮进口之前产生了一个弯曲通道截面。

(a) 柱状环形通道 (b)球状环形通道 图2 柱状和球状环形VIGV 通道截面的比较