陳 勇，崔小健

（南通大通寶富風(fēng)機有限公司，江蘇 南通 226000）

1 研究背景

20 世紀(jì)80年代隨著中國對工業(yè)項目環(huán)保節(jié)能要求的提高，MVR 技術(shù)被引進(jìn)到國內(nèi)，MVR 是機械式蒸汽再壓縮技術(shù)（Mechanical Vapor Recompression）的簡稱，是利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，經(jīng)蒸汽壓縮機壓縮做功，提升二次蒸汽的熱焓，導(dǎo)進(jìn)冷卻塔，冷卻塔的冷卻水循環(huán)預(yù)熱物料。如此循環(huán)向蒸發(fā)系統(tǒng)提供熱能，從而減少對外界能源的需求的一項節(jié)能技術(shù)。

國產(chǎn)MVR 高溫升蒸汽壓縮機于21 世紀(jì)初期開始起步，其中離心式高速壓縮機技術(shù)源自單級高速鼓風(fēng)機，普遍以高轉(zhuǎn)速（15000～35000 r/min）、溫升（10～24 ℃）為主，技術(shù)趨于成熟且已占領(lǐng)國內(nèi)市場。

低溫升MVR 壓縮機技術(shù)特征為低轉(zhuǎn)速（7000 r/min以下）、低溫升（8 ℃以下）。該產(chǎn)品技術(shù)含量較高，設(shè)計難度較大，加工制造難度低，目前國內(nèi)終端及總包用戶均依賴進(jìn)口。隨著國家政策法規(guī)對工業(yè)生產(chǎn)廢水處理的要求日趨嚴(yán)格，MVR 蒸發(fā)器（包括低速壓縮機）的市場需求會越來越大。低速蒸汽壓縮機與單級高速蒸汽壓縮機相比，結(jié)構(gòu)更簡潔，運行更平穩(wěn)。

本文對用于MVR 蒸發(fā)器裝置的低溫升壓縮機的葉輪、蝸殼進(jìn)行了氣動設(shè)計，并分別對葉輪、整機進(jìn)行了數(shù)值模擬。表1 為設(shè)計點技術(shù)要求。

表1 設(shè)計點技術(shù)要求

2 一維設(shè)計方案結(jié)構(gòu)及性能分析

葉輪機械內(nèi)部流動是一個逆壓過程，葉輪的高速旋轉(zhuǎn)和葉道復(fù)雜幾何形狀都使其內(nèi)部流動變成了非常復(fù)雜的三維湍流流動。本文數(shù)值計算采用TurboTides商用軟件包，基于k－ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

由于第二級需在第一級葉輪基礎(chǔ)上通過流道切割形式得到，因此主要對第一級葉輪進(jìn)行氣動設(shè)計，在完成第一級設(shè)計后再對第一級進(jìn)行切割，確定第二級的主要尺寸。

2.1 一維詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

鼓風(fēng)機采用葉輪+焊接蝸殼結(jié)構(gòu)布局，其中葉輪為封閉式葉輪，帶一體式導(dǎo)風(fēng)輪。具體參數(shù)參見表2、表3、表4 和圖1、圖2。

圖1 一級子午流道結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖2 二級子午流道結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表2 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 葉輪角度分布（第一級/第二級）

表4 蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 一維性能分析

基于上述的一維模型及表1 的設(shè)計條件，對其進(jìn)行性能分析，具體如表5、表6、表7 所示。

表6 葉輪一維設(shè)計點性能

表7 蝸殼一維設(shè)計點性能

由表5可知，一維評估出二級出口靜壓為157.56 kPa。在設(shè)計流量下，整機的氣動消耗功率（不含盤損和泄漏損失）約為2297 kW，一、二級功率分別為1149 kW、1148 kW，總效率均達(dá)到或超過84%，可以滿足設(shè)計要求。

表5 一維設(shè)計點性能

3 詳細(xì)三維幾何造型及三維CFD 仿真性能分析

3.1 最終模型氣動三維幾何造型

圖3 和圖4 為基于一維設(shè)計的最終三維氣動模型示意圖。

圖3 三維幾何建模

圖4 兩級葉輪對比

3.2 詳細(xì)CFD 三維氣動仿真

3.2.1 網(wǎng)格劃分及設(shè)計點性能分析

基于對網(wǎng)格無關(guān)性的研究，最終模型的一級網(wǎng)格量選取為55 萬，二級網(wǎng)格量為58.5 萬，在各邊界層網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)的加密處理，如圖5 所示。

圖5 三維仿真網(wǎng)格示意圖

對其設(shè)計點進(jìn)行三維仿真計算如表8 所示。從表中可以看到，在設(shè)計流量25 kg/s 附近，出口靜壓157.74 kPa，60%額定流量時，出口靜壓156.2 kPa，達(dá)到設(shè)計要求。圖6、圖7 為設(shè)計點流場的相對馬赫數(shù)及熵的分布云圖。

表8 三維CFD 設(shè)計點性能

圖6 葉輪相對速度分布云圖

圖7 葉輪熵分布云圖

3.2.2 非設(shè)計點氣動性能分析

圖8、圖9 分別為第一、第二級三維氣動仿真性能圖。其中，第二級的進(jìn)口邊界總壓均與第一級出口靜壓相等，進(jìn)口總溫為飽和蒸汽溫度。

圖8 一級CFD 仿真特性線圖

圖9 二級CFD 仿真特性線圖

4 結(jié)論

本文對用于MVR 蒸發(fā)器的兩級串聯(lián)低溫升壓縮機進(jìn)行了氣動設(shè)計和數(shù)值模擬，從上述氣動詳細(xì)分析可知，仿真性能滿足設(shè)計要求。但設(shè)計和加工中存在一些技術(shù)風(fēng)險，會造成仿真性能與試驗性能有偏差。盡管氣動仿真計算能最大限度地模擬真實流場，但仿真計算仍然與真實流場有一定偏差，因此需要試驗進(jìn)一步校核偏差量。加工及裝配也會造成機械誤差。設(shè)計中葉輪流道與葉型表面為光滑曲面，部件之間光順連接，而實際中，加工精度和裝配偏差均會造成一定的性能損失，需要盡量降低加工與裝配造成的機械損失。計算結(jié)果說明，設(shè)計流量下，第一級及第二級壓縮機均滿足設(shè)計要求。