带可调进口导叶离心压缩机的性能分析

Performance Analysis of a Centrifugal Compressor with Adjustable Inlet Guide Vanes
XIAO Jun , GU Chuan -gang , SHU Xin -wei , GAO Chuang ( Institute of Turbo - machinery, School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiaotong University, shanghai 200030, China) Abstract: The flow inside a certain centrifugal compressor stage, equipped with adjustable guide vanes, has been investigated by numerical simulation. The performance curve and relative velocity s vectograph, obtained by calculation, shows that the performance curve shifts towards smaller flow volume in case the guide - vanes are turned in the positive direction and towards larger flow volume if turned negative; the efficiency drops relat ively quick after having passed the point of maximum efficiency and entering the region of smaller flow volume; obvious flow separation exists in the region of large flow volume, guide vanes set with a large installation angle cause back flow regions to appear in front of splitter suction surfaces for large flow volume, while flow separat ion occurs on suction surfaces of the long blades under smaller flow conditions. Figs 8 and refs 7. Keywords: power and mechanical engineering; centrifugal compressor; adjust able guide vane; performance curve; installation angle
口导叶调节 , 调节范围宽, 经济性也好。 对于带进口导叶的离心压缩机 , 由于进口导叶 和叶轮间的动静干涉效应及导叶尾涡对后续流场的 影响, 其内部流动现象比较复杂。目前, 带可调进口 导叶离心压缩机的研究多倾向于其工作点调节性能 [ 1] 的现场试验测试 , 关于内流场及其特性的理论研 [2 - 7] 究报道尚不多见 。受实验条件的限制 , 数值模拟 成为研究叶轮机械内部复杂流动的重要手段。本文 采用商业软件 numeca 对某带可调进口导叶的离心
流场分析
调进口导叶离心压缩机级的内部流场。进口导叶、 离心叶轮和无叶扩压器网格用 AutoGrid 模块生成 , 并在 IGG 模块中进行不同网格块的连接及交接面的 设置。各块网格均为 H - I 型 , 总网格点数为 502445。 计算选择空间二阶精度的中心离散格式和 Sparlart Allmaras 方程湍流模型 , 并用多重网格技术加 速收 敛。交接面流场信息传递采用混合平面模型。进口 条件和转速同相应无导叶压缩机级的设计工况 , 轴 向进 气 , 进 口 总压 为 101 930. 68 Pa, 进 口总 温 为
军 ( 1979 -) , 男 , 在读博士 研究生 , 主要从事 叶轮
机械气动热力学方面的研究。
第6期
肖
军 , 等: 带可调进口导叶离心压缩机的性能分析
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压缩机级流场进行了数值模拟和分析, 为设计和研 究带可调进口导叶的离心压缩机提供了一定参考。
Hale Waihona Puke Baidu
293. 16 K。出口给平均压力 p out 。计算通过改变进 口导叶安装角 和出口平均压力 p out 的办法获得性 能曲线上的不同工况点。导叶正旋绕使气流产生正 预旋, 安装角为正 , 反之则反。
1
研究对象
本文的研究对象是一个带可调进口导叶的离心
压缩机级 , 它由可转动轴流导叶、 半开式离心叶轮和 无叶扩压器组成。导叶为直叶片, 截面叶型为 Naca 3 m 翼型, 叶片数为 8, 可绕位于弦线中部的叶片轴转 动, 叶片轴固定于机匣上的机构。离心叶轮长、 短叶 片各 11 片 , 均为径向叶片 , 主叶片前缘根部半径为 30 mm, 前缘叶顶半径为 103 mm, 分流叶片前缘叶根 半径为 63. 76 mm, 前缘叶顶半径为 112. 79 mm, 叶轮 出口半径为 150 mm, 出口叶高为 19. 5 mm 。无叶扩 压器出口半径为 240 mm 。与本文研究对象相应的 无导叶离心压缩机级 , 设计流量为 3. 3 kg s, 设计转 速为 19 038 r min, 设计压比和效率分别为 2. 08 和 83. 2% 。图 1 给出了研究对象的示意图 , 图中进口 导叶与轮毂实际并不连接。
带可调进口导叶的离心压缩机具有良好的调节 性能, 在诸多工业生产领域有着广泛的应用。离心 压缩机与管网联合工作时, 经常由于用户要求的变 动而需要改变气体流量或出口压力 , 此时就要改变 压缩机的性能曲线, 移动工作点。采用可转动的进
收稿日期 : 2006 -05 -29 作者简 介 : 肖 修订日期 : 2006 -07 -25
Relat ive velocity vectograph at impeller s mid -span for
installation angle of the vanes and working at p o ut = 170 000 Pa outlet pressure
20 、 35 、 50 导叶安装角情况下经最高效率点进入小 流量区最早出现分离的 3 个工况点为例。分离区均 位于长叶片吸力面上 , 随着导叶安装角的增加 , 分离 区逐渐增大, 且分离位置逐渐提前。 20 导叶安装角 情况 , 分离区位于长叶片中后部, 35 时略有提前 , 50 时已提前至短叶片前部位置。图 5 为 50 导叶安装 角情况下出口平均压力 170 000 Pa 时的叶轮中截面 相对速度矢量图。近堵塞点时 , 35 、 50 导叶安装角 情况下, 短叶片吸力面前部均出现了回流区。35 时 回流范围狭窄, 回流速度较小。 50 时回流区前移 , 回流的范围和速度亦显著增大。图 6 为 50 导叶安
第 26 卷 第 6 期 2006 年 12 月
动 力 工 程 Journal of Power Engineering
Vol . 26 No. 6 Dec. 2006
文章编号: 1000 -6761( 2006) 06 - 804 - 04
带可调进口导叶离心压缩机的性能分析
肖 军, 谷传纲, 舒信伟, 高 闯
图1
带可调进口导叶的离心压缩机示意图 图2 压比 流量性能曲线
Fig 1 Sketch of a centrifugal compressor with adjustable guide vanes
2
数值模拟
本文采用商业计算软 件 NUMECA 来分析 带可 3. 2
Fig 2
Pressure rat io f low volume performance curve
3
3. 1
结果分析
特性分析
数值 计 算求 解了 5 个进 口导 叶 安装 角 ( = - 15 、 = 0 、 = 20 、 = 35 、 = 50 ) 情况下, 共计 40 个工况点的流场。图 2、 图 3、 图 4 分别为计算得 到的级压比 流量、 等熵效率 流量和功率 流量特性 线。可以看出, 进口导叶正旋绕时性能曲线向小流量 区移动 , 负旋绕时性能曲线向大流量区移动。这一结 果与理论分析和试验结果一致。各导叶安装角情况 下最小流量点的连线可认为是喘振边界线。由图 2 和图 3 可知, 导叶 0 安装角时的最高压比点和最高 效率点接近相应无导叶压缩机级的设计点, 说明 0 安装角情况下导叶段流动阻力的影响不大。经峰值 点进入小流量区后效率值下降较快, 说明流动状况 恶化 , 工况已临近喘振边界。进口导叶尾流的不均 匀性也会在一定程度上减小小流量区的稳定裕度。 图 4 显示级功率和流量近似成正比关系 , 说明叶轮 进出口气流切向速度随出口平均压力变化不大。
图 3 等熵效率 流量性能曲线 Fig 3 Isentropic effi ciency f low volume performance curve
况点长、 短叶片尾缘的一对反向涡流最为显著, 其中 短叶片的尾涡比较对称。
图 6 50 导叶安装角、 出口压力 120 000 Pa 时叶轮中 Fig 6 图 4 功率 流量性能曲线 Fig 4 Power flow volume perf ormance curve 截面相对速度矢量图 Relative velocity vectograph at impeller s mid -span for = 50 installation angle of t he vanes and working at p out = 120 000 Pa out let pressure
图5 Fig 5
50 导叶安装角、 出口压力 170 000 Pa 时叶轮中 截面相对速度矢量图 = 50
图 7 0 导叶安装角、 出口压力 120 000 Pa 时叶轮 中截面 长、 短叶 片 尾缘相对速度矢量图 Fig 7 Relative velocity s vectograph near blade s trailing edge at impeller s mid -span for = 0 and working at p out = 1. 2 105 Pa outlet pressure
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动
力
工
程
第 26 卷
装角情况下出口平均压力 120 000 Pa 时的叶轮中截 面相对速度矢量图。 由于长、 短叶片尾缘均为钝头, 气流从叶道流出 时通流面积突然加大 , 在叶片尾部形成了充满漩涡 的尾迹。40 个计算点 的结果均可观察到叶片尾迹 区一对反向涡流的存在 , 但受主流、 边界层流动在尾 迹区混合的影响 , 尾涡大 小及形状存在明 显差异。 图 7 为 0 导 叶 安 装角 情 况 下 出 口平 均 压 力 120 000 Pa时叶轮中截面尾迹涡流速度矢量图, 该工
对每一导叶安装角情况, 计算了出口平均压力 从 120 000 Pa 到 170 000 Pa 以上不同工况点的流场。 由于计算工况点较多 , 本文只选取具有代表性的计 算点进行分析。计算结果表明, 导叶在大安装角情 况下, 在从近喘振点到近堵塞点宽广的流量范围内, 进口导叶流道内均存在显著的分离回流现象。随着 导叶安装角的增大 , 回流区占据的通道面积加宽 , 回 流速度增大。 对离心叶轮内流动的分析 , 近喘振边界时 , 以
( 上海交通大学 机械与动力工程学院, 叶轮机械研究所 , 上海 200030) 摘 要: 以数值模拟的方式对某带可调进口导叶的离心压缩机级内部流动进行了分析研究 。 对计
算得到的性能曲线及相对速度矢量图的分析表明 , 进口导叶正旋绕时性能曲线向小流量区移动, 负 旋绕时向大流量区移动; 经最高效率点进入小流量区后效率下降较快 ; 在进口导叶大安装角情况 下, 在大的流量范围内导叶区域均存在显著分离, 大流量时短叶片吸力面前部有回流区, 小流量时 长叶片吸力面上发生分离 。图 8 参 7 关键词: 动力机械工程 ; 离心压缩机; 可调进口导叶; 性能曲线 ; 安装角 中图分类号 : TK474. 82 文献标识码: A