（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

符號(hào)

Φ1流量系數(shù)

Q進(jìn)口容積流量，m3/h

D2葉輪直徑，mm

u2葉輪圓周速度，m/s

Pin級(jí)進(jìn)口壓力，Pa

Pout級(jí)出口壓力，Pa

Tin級(jí)進(jìn)口溫度,K

Tout級(jí)出口溫度，K

τ能頭系數(shù)

cp定壓比熱容，J/(kg·K)

Mu2機(jī)器馬赫數(shù)

k絕熱指數(shù)

Rg氣體常數(shù)，J/(kg·K)

0 引言

離心式壓縮機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中的核心裝備之一，被廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、天然氣、空分、冶金、電力、環(huán)保等領(lǐng)域。離心壓縮機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)方法主要有效率法、流道法和?；ㄈN。目前，國(guó)內(nèi)外知名離心壓縮機(jī)廠商應(yīng)用最廣泛的是模化法。模化法以相似理論為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)過試驗(yàn)獲得的高效率模型級(jí)，采用相似換算方法設(shè)計(jì)新的機(jī)組。采用?；ㄔO(shè)計(jì)出來的新機(jī)組性能可靠。因此，在離心式壓縮機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)中，高效的壓縮機(jī)模型級(jí)的設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。離心模型級(jí)開發(fā)過程中通常用到三種方法：理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[1]。理論分析是最基本的研究方法，可以深入認(rèn)識(shí)離心壓縮機(jī)內(nèi)部流體的本質(zhì)規(guī)律，并可以校驗(yàn)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性；試驗(yàn)研究可以綜合考慮影響流動(dòng)的因素，得到客觀可靠的結(jié)果。數(shù)值模擬可以對(duì)理想或者復(fù)雜工況進(jìn)行模擬。目前，離心壓縮機(jī)模型開發(fā)中，離心壓縮機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)模擬一般采用吳仲華[2]提出的S1-S2流面法，這種方法把復(fù)雜的三元流動(dòng)問題簡(jiǎn)化為兩個(gè)相對(duì)流面的二元流動(dòng)問題進(jìn)行求解。其中一個(gè)是從一葉片到相鄰葉片之間的周向扭曲流面（S1流面），一個(gè)是從輪盤到輪蓋的徑向扭曲流面（S2流面）。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，模擬三維粘性流場(chǎng)的CFD技術(shù)得到極大提升，為采用CFD計(jì)算進(jìn)行離心模型級(jí)的開發(fā)優(yōu)化提供了可能[3]。CFD技術(shù)在模型級(jí)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用如圖1所示。

在模型級(jí)應(yīng)用到產(chǎn)品前，國(guó)外GE、西門子等公司往往根據(jù)以往所制造的壓縮機(jī)經(jīng)驗(yàn)試制模型級(jí)，進(jìn)行試驗(yàn)從而達(dá)到開發(fā)系列化產(chǎn)品的目的[4]。由于受到試驗(yàn)條件和成本的限制，可以采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)模型級(jí)的性能并得到模型級(jí)的幾何尺寸從而指導(dǎo)模型級(jí)的試驗(yàn)，以縮短試驗(yàn)周期并控制成本。目前主流商業(yè)軟件常用的數(shù)值方法為時(shí)間推進(jìn)法和壓力修正法[5]，其中采用時(shí)間推進(jìn)法的代表軟件為NUMECA FINE/Turbo和ANSYS CFX，而采用壓力修正法的代表軟件為ANSYS FLUENT和CD-adapco STAR-CD&CCM+。

圖1 CFD軟件在模型級(jí)設(shè)計(jì)中的作用Fig.1 Function of CFD soft in model stage design

湍流模型的正確性與精度對(duì)于葉輪機(jī)械內(nèi)部湍流流場(chǎng)細(xì)節(jié)及性能的數(shù)值模擬十分重要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-10]對(duì)此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究工作對(duì)各種湍流模型進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。目前，葉輪機(jī)械模擬中廣泛采用的湍流模型為Apalart-Allmaras湍流模型和SST湍流模型。

本文采用Apalart-Allmaras湍流模型以及多重網(wǎng)格方法，對(duì)某管線壓縮機(jī)內(nèi)部的三維粘性流動(dòng)進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道、回流器等部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而完成某長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)模型級(jí)的氣動(dòng)開發(fā)。最后，進(jìn)行了該模型級(jí)的氣動(dòng)性能及產(chǎn)品機(jī)組實(shí)驗(yàn)。

1 開發(fā)對(duì)象及研究目標(biāo)

本文開發(fā)了管線壓縮機(jī)模型級(jí)，該模型級(jí)由葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器組成。其中，葉輪為三元葉片，直徑為500mm。該管線壓縮機(jī)模型級(jí)的性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)要求如表1所示。其中，能頭系數(shù)和流量系數(shù)均以設(shè)計(jì)點(diǎn)為100%點(diǎn)，其它工況點(diǎn)均以設(shè)計(jì)機(jī)器馬赫數(shù)下設(shè)計(jì)點(diǎn)的值作為參照。

表1 模型級(jí)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)（Mu2=0.45）Tab.1 Technical target of model stage （Mu2=0.45）

級(jí)流量系數(shù)、多變效率、壓比及能頭是衡量模型級(jí)性能優(yōu)劣最直接的指標(biāo),其定義如式（1）～式（4）所示[11]。通過級(jí)的效率、壓比及能頭曲線可以確定模型級(jí)穩(wěn)定工況的流量范圍。

級(jí)流量系數(shù)定義：

級(jí)效率定義：

級(jí)能頭系數(shù)定義：

機(jī)器馬赫數(shù)定義：

2 開發(fā)流程和設(shè)計(jì)好壞判斷準(zhǔn)則

在離心式壓縮機(jī)的開發(fā)過程中，模型級(jí)的設(shè)計(jì)使其關(guān)鍵技術(shù)之一[12]?，F(xiàn)有的離心壓縮機(jī)模型級(jí)研發(fā)主要基于S1，S2流面方法進(jìn)行研發(fā)，常規(guī)的離心壓縮機(jī)模型級(jí)的設(shè)計(jì)過程如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)模型級(jí)設(shè)計(jì)流程Fig.2 Design process of centrifugal compressor model stage

而判斷離心壓縮機(jī)模型級(jí)性能好壞的主要依據(jù)如下：

1）葉輪葉片各個(gè)展向截面的相對(duì)速度分布差別最大的地方不能在葉輪進(jìn)出口側(cè)。相對(duì)速度分布差別最大的地方盡量在60%～70%子午葉片弦長(zhǎng)處。近似于橄欖型分布。

2）葉片進(jìn)口相對(duì)速度小，并且相對(duì)速度馬赫數(shù)小于1。

3）采用準(zhǔn)三維無粘流動(dòng)計(jì)算出來的多變效率盡量高，性能曲線范圍滿足要求。

由于S1-S2準(zhǔn)三維流動(dòng)計(jì)算一般是基于無粘流動(dòng)假設(shè)，因而，采用S1-S2方法存在如下不足：

1）無法模擬計(jì)算葉輪、擴(kuò)壓器、回流器等部件的流動(dòng)。特別是葉輪進(jìn)出口的流動(dòng)狀態(tài)。

2）無法準(zhǔn)確考慮不同部件之間的相互影響。

3）無法準(zhǔn)確考慮葉輪及其它流動(dòng)內(nèi)部的損失大小。

為了克服采用S1-S2方法的缺陷，本文的離心壓縮機(jī)模型級(jí)的開發(fā)基于三維粘性流動(dòng)的CFD分析結(jié)果，詳細(xì)開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 模型級(jí)設(shè)計(jì)開發(fā)流程圖Fig.3 New design process of centrifugal compressor model stage

本文的離心壓縮機(jī)性能判斷準(zhǔn)則如下：

1）采用三維粘性流動(dòng)計(jì)算出來的整個(gè)模型級(jí)的效率盡量高；

2）葉輪出口的氣流角、總壓、徑向速度沿軸向分布盡量均勻；

3）模型級(jí)的葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器內(nèi)部流動(dòng)沒有明顯的流動(dòng)分析；

3 流場(chǎng)分析及優(yōu)化結(jié)果

3.1 模型級(jí)CFD性能分析

本文采用NUMECA軟件autoblade模塊進(jìn)行模型級(jí)各個(gè)部件的參數(shù)建模。采用AutoGrid5模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算域包括葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器，圖4為模型級(jí)的計(jì)算網(wǎng)格，進(jìn)口邊界條件為給定總溫、總壓及速度方向，出口邊界條件給定為質(zhì)量流量，網(wǎng)格數(shù)量為1 451 461。計(jì)算湍流模型采用Apalart-Allmaras，計(jì)算邊界條件給定如下：

工質(zhì)：理想空氣

進(jìn)口總壓：98 100Pa

進(jìn)口總溫：293K

進(jìn)口氣流角：軸向進(jìn)氣

出口邊界條件：給定質(zhì)量流量

設(shè)計(jì)馬赫數(shù)：0.45

圖4 模型級(jí)計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Mesh of model stage

經(jīng)過圖3所示的模型級(jí)開發(fā)流程反復(fù)迭代優(yōu)化后，最終優(yōu)化完成的模型級(jí)在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)下各個(gè)截面CFD分析結(jié)果如圖5所示，其中，效率、壓比及能頭系數(shù)曲線縱坐標(biāo)為對(duì)設(shè)計(jì)馬赫數(shù)下設(shè)計(jì)流量系數(shù)為100%的相對(duì)值?？梢钥闯觯Ｐ图?jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率高于設(shè)計(jì)目標(biāo)值1.5%,能頭系數(shù)高于設(shè)計(jì)目標(biāo)值近3%，流量范圍65%～140%，滿足設(shè)計(jì)要求。

離心壓縮機(jī)葉輪流道常常發(fā)生流動(dòng)分離，其分離主要發(fā)生在兩個(gè)部分，一是葉片的非工作面，特別是接近葉輪的出口處；二是在葉輪的輪蓋側(cè)[13]。流動(dòng)的分離會(huì)影響葉輪出口速度分布的均勻性，對(duì)擴(kuò)壓器流動(dòng)不利，進(jìn)而影響模型級(jí)的性能。在壓縮機(jī)級(jí)中，葉輪無疑是最重要的組成部分，葉輪的性能對(duì)整級(jí)產(chǎn)生了非常大的影響[14]。本文開發(fā)的管線壓縮機(jī)模型級(jí)的周向子午平均及葉輪流線如圖6所示?？梢钥闯?，子午通道在葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器內(nèi)沒有產(chǎn)生明顯的旋渦和回流，葉輪內(nèi)部流動(dòng)在軸盤和蓋盤側(cè)均沒有發(fā)生分離。

圖5 某壓縮機(jī)模型級(jí)CFD性能曲線Fig.5 The performance curves of a centrifugal compressor model stage by CFD

模型級(jí)葉輪出口氣流角、徑向速度與總壓分布如圖7所示。橫坐標(biāo)為葉輪沿葉高方向相對(duì)位置?？梢钥闯觯?0%～90%葉高范圍內(nèi)，葉輪出口處氣流角在55°～65°之間，這里的氣流角為氣流與徑向的夾角，徑向速度在35m/s～50m/s之間，總壓在12 300kPa～12 700kPa之間，且分布都比較均勻，有利于提高模型級(jí)的性能。

圖6 周向子午平均及葉輪流線Fig.6 Stream line in the model stage

圖7 某管線壓縮機(jī)模型級(jí)葉輪出口氣流角、徑向速度、總壓分布圖Fig.7 Distribution of flow angle,radial velocity and total pressure for the impeller outlet of a centrifugal compressor model stage

3.2 強(qiáng)度分析

葉輪是離心壓縮機(jī)的核心部件，在壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，葉輪不但要承受氣體的反作用力，還要克服葉片自重及其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。葉輪強(qiáng)度不夠，會(huì)使葉片產(chǎn)生裂痕甚至損壞，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。因此在模型級(jí)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，必須對(duì)葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析。本文用ANSYS軟件對(duì)該管線壓縮機(jī)模型級(jí)進(jìn)行強(qiáng)度分析，校核葉片應(yīng)力及軸孔變形量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

表2為模型級(jí)葉輪材料常數(shù)。

表2 葉輪材料常數(shù)Tab.2 Impeller material constant

在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，模型級(jí)葉輪的最大等效應(yīng)力為733MPa, 應(yīng)力分布如圖8所示，可以看出，葉片吸力面中部靠近葉輪出口輪蓋側(cè)，滿足周速323m/s時(shí)，應(yīng)力值小于833MPa的開發(fā)要求。

圖8 模型級(jí)葉輪等效應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of equivalent stress distribution of the impeller of the model stage

軸孔處徑向變形曲線如圖9所示。葉輪軸孔最大徑向變形為0.083，軸孔徑向設(shè)計(jì)過盈量為0.07mm,接觸區(qū)域大于50%,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 模型級(jí)葉輪軸孔徑向變形Fig.9 Radial deformation of the axial hole of the impeller of the model stage

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成了壓縮機(jī)模型級(jí)設(shè)計(jì)后，對(duì)模型級(jí)進(jìn)行性能試驗(yàn)以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ图?jí)設(shè)計(jì)指標(biāo)是否能達(dá)到預(yù)期值。圖10為某壓縮機(jī)模型級(jí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖。

圖10 某管線壓縮機(jī)模型級(jí)試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 Test bench for a model stage of a pipeline centrifugal compressor

該模型級(jí)氣動(dòng)性能試驗(yàn)在離心壓縮機(jī)模型級(jí)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，滿足ASME PTC10試驗(yàn)要求。開式試驗(yàn)，熱平衡法確定壓縮機(jī)耗功，壓力測(cè)量采用總壓探針，壓力測(cè)點(diǎn)布置在試驗(yàn)臺(tái)位進(jìn)口管路上，噴嘴測(cè)量流量，出口壓力測(cè)量采用總壓疏狀探針，測(cè)量位置為回流器出口與出氣室之間，溫度測(cè)量采用玻璃水銀溫度計(jì)。溫度和壓力探針在使用前均經(jīng)標(biāo)定。試驗(yàn)樣機(jī)做采用的儀器儀如表3所示。試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

表3 模型級(jí)試驗(yàn)用儀器儀表Tab.3 Instruments for the model stage test

圖11 試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.11 Layout of the test

模型級(jí)試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，機(jī)器馬赫數(shù)為0.45時(shí)，開發(fā)的四個(gè)模型級(jí)設(shè)計(jì)流量系數(shù)下性能參數(shù)CFD結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4所示。試驗(yàn)的多變效率、壓比及能頭系數(shù)為以設(shè)計(jì)馬赫數(shù)設(shè)計(jì)點(diǎn)CFD結(jié)果為參照。

表4 模型級(jí)性能參數(shù)CFD結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of the CFD result and the test result for the performance of the model stage

試驗(yàn)性能曲線與CFD計(jì)算得到的性能曲線對(duì)比如圖12所示。可以看出，所開發(fā)的模型級(jí)CFD分析結(jié)果與模型級(jí)試驗(yàn)結(jié)果吻合，亦證明了CFD分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖12 某管線壓縮機(jī)模型級(jí)各個(gè)馬赫數(shù)下的性能曲線Fig.12 Performance curves of a centrifugal compressor model stage

5 產(chǎn)品性能試驗(yàn)

圖13為采用該模型級(jí)的某型號(hào)管線壓縮機(jī)機(jī)組，該機(jī)組由該模型級(jí)?；蟮乃膫€(gè)不同直徑的基本級(jí)組成。表5為整機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)氣條件。在機(jī)組出廠前進(jìn)行了廠內(nèi)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，進(jìn)口條件為常溫常壓。為了驗(yàn)證該機(jī)組的性能，將該機(jī)組在空氣介質(zhì)下的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 某型號(hào)管線壓縮機(jī)機(jī)組性能試驗(yàn)Fig.13 Performance test of a pipeline centrifugal compressor

表5 某管線壓縮機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)進(jìn)氣條件Tab.5 Inlet conditions of a pipeline centrifugal compressor

表6和圖14為該管線壓縮機(jī)機(jī)組試驗(yàn)氣動(dòng)性能結(jié)果，其中，氣動(dòng)性能結(jié)果已經(jīng)轉(zhuǎn)化成介質(zhì)為天然氣時(shí)的氣動(dòng)性能結(jié)果，效率及壓比以設(shè)計(jì)點(diǎn)為參照?？梢钥闯觯瑝嚎s機(jī)機(jī)組試驗(yàn)的效率及壓比均高于設(shè)計(jì)值。該機(jī)組的性能超過了設(shè)計(jì)預(yù)期。

表6 某管線壓縮機(jī)機(jī)組在流量為10 282m3/h時(shí)試驗(yàn)氣動(dòng)性能Tab.6 Test results of aerodynamic performance of a pipeline centrifugal compressor at flow rate of 10 282 m3/h

圖14 某管線壓縮機(jī)機(jī)組試驗(yàn)性能與設(shè)計(jì)性能對(duì)比Fig.14 Performance comparison of the test and design for a pipeline centrifugal compressor

6 結(jié)論

本文采用Apalart-Allmaras湍流模型以及多重網(wǎng)格方法，對(duì)某管線壓縮機(jī)內(nèi)部的三維粘性流動(dòng)進(jìn)行模擬。根據(jù)CFD模擬結(jié)果，對(duì)葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器等部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而完成某長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)模型級(jí)的氣動(dòng)開發(fā)。并對(duì)該模型級(jí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，得到結(jié)論如下：

1）采用本文提出的設(shè)計(jì)流程及性能判斷依據(jù)能夠開發(fā)高效的離心壓縮機(jī)模型級(jí)。

2）該管線壓縮機(jī)模型級(jí)性能曲線CFD預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。在設(shè)計(jì)點(diǎn)流量系數(shù)下，管線壓縮機(jī)模型級(jí)的多變效率實(shí)驗(yàn)值比預(yù)測(cè)值低0.2%，能頭系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值比預(yù)測(cè)值高4.5%。

3）采用該模型級(jí)進(jìn)行某管線壓縮機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)，空氣性能試驗(yàn)表明該機(jī)組的性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有很高的效率。