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

1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）03-0044-06ResearchOverviewonAdjustableInletGuideVaneforCentrifugalCompressorAbstract:Thedomesticandoversearesearchstateofinletguidevaneofcentrifugalcompressorissummarized,thedevelopmentandproblemsinresearchareintroducedbriefly,andtherelativeproblemsarediscussed.Keywords:CentrifugalcompressorAdjustableinletguidevaneOverview1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(variableinletguidevanes,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,17,0,10时的级性能曲线。试验表明，当正预旋增加时，thh下降，能量头曲线f就向左下方移动；当负预旋增大时，thh增大，能量头曲线f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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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]。YujiIwakiri[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0，12，24，36，48，60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%。22.2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～10)，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DawesCFD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CFXTASC-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(30～60)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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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(a)叶顶附近的速度矢量(b)叶根附近的速度矢量图13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。图4子午面视图中出现的分离团正是由于这个弯曲通道截面，从而导致了边界层分离。Coppinger和Swain[9]经CFD分析后，尝试用叶顶处为圆锥形的内壁面来代替球状环形通道内壁面从而消除分离团和减少通道损失，如图5。经试验证实，在叶顶处采用圆锥形的内壁面后分离团的确减少了，但是并不能减少导叶系统损失。(a)柱状环形通道(b)球状环形通道图2柱状和球状环形VIGV通道截面的比较图3(a)叶顶附近的速度矢量（球状环形通道及VIGV安装角为30）(b)叶根附近的速度矢量（球状环形通道及VIGV安装角为30）图4球状环形通道内壁面引起的分离图5圆锥形和球状通道截面几何形状43.2导叶叶型对性能的影响3.2.1平板叶片Swain使用BTOB3D测试了节弦比为1的13个平板叶片，其安装角范围为20～90。CFD测试结果如图6。可以看出，流面速度矢量分布有了明显的改进，但是在导叶安装角约为60时，叶片吸力面上分离团有所发展，分离团的发展恶化了流动性能，并且导致了在导叶安装角较大时系统总损失增大。3.2.2组合叶片为了最小化叶片吸力面上的分离，从而减少相关的压力损失，必须减小导叶安装角较大时产生的冲角。Coppinger和Swain[9]提出了使用组合叶片(TandemVane)，其叶片前缘保持与轴向进口流动一致并且尾缘可以关于前缘转动，所以这种叶型在所有安装角下均可获得小冲角，如图7。组合叶片速度矢量图如图8所示，与图6平板叶片的速度矢量图比较可以看出，在叶顶附近叶片吸力面上的分离团几乎完全消除，气动性能也有了明显的改善。Coppinger和Swain也通过试验证实了其CFD预测结果。3．3导叶装置直径及叶轮进出口直径比对性能的影响离心式压缩机可调进口导叶装置调节效率的高低，主要取决于可调进口导叶装置的结构型式和压缩机的结构特征。在此主要介绍了可调进口导叶装置的直径和叶轮进出口直径比的影响。可调进口导叶装置的直径一般都选用大于或等于叶轮的进口直径，虽然当大于叶轮进口直径1D时，压缩机效率并没有很大的提高，但是可以明显地扩大调节范围。文献[7]指出，试验中把可调进口导叶装置的直径从11.0D逐渐增大到11.4D时，调节范围和效率都有比较明显地增大。但是如果再继续增大其直径，将会影响其基本尺寸和制造成本。文献[10]指出，叶轮的结构尺寸对可调进口导叶的调节效率也有很大的影响，其中叶轮进出口直径比12DD对可调进口导叶调节效果的影响最大，一般来说，12DD越大，调节效果越明显。在文献[6]中给出了原因，由欧拉方程作一定的转换可得221212211222211coturthuuccDhcucuuuDu(1)由式(1)看出，12DD为平方项，所以当12DD大时，预旋的影响明显，调节的有效范围也就大。3.4导叶与叶轮轴向间距及其叶片数的匹配对性能的影响文献[11]概括地指出，处于上游物体气图6叶顶附近的速度矢量分布（60安装角时）图7组合叶片（60安装角时）图8叶顶附近的速度矢量分布（60安装角时）5流尾迹中的动叶片，承受着变化的气动载荷，而气动载荷变化的大小与尾迹衰减速率有关。当上游物体为流线型时，其衰减程度将取决于进口处气流的紊流度、相对栅距以及至下游动叶之间距。在稳定的入流条件下，叶轮与诱发尾迹的上游支承物后缘之间距至少应等于该支承物弦长的12，此距离不会改变压缩机的压升。然而对于紊乱的入流条件，此间距甚至可增至弦长的一倍。从目前掌握的资料来看，在此方面的研究主要集中在轴流式压缩机上，Johnston和Fleeter通过某轴流式压缩机级进行了一系列试验测得了可调进口导叶出口马赫数为0.29及叶轮进口相对马赫数为0.6时，导叶和叶轮的轴向间距与叶轮叶片弦长之比分别为0.68，0.93，1.18时，导叶尾迹区的压力场和速度场，并指出在比值为0.68时，可以明显的减小尾迹区[12]。而关于离心式压缩机可调进口导叶与叶轮之间的轴向间距对性能的影响，国内外尚没有具体研究。然而，就导叶与叶轮叶片数的匹配而言，文献[11]指出了两者之间应按互为质数的原则匹配，尽可能避免公因数,但也不能一概而论,最重要的是必须遵循“导叶叶片数Z1×叶轮工作转速60n≠叶轮叶片固有频率”这一原则，因为叶轮在旋转过程中，每个叶片与前导叶尾迹流之间周期性相互作用，其作用频率的计算公式为f=nZ1/60(2)从式(2)看出，为避免导叶作用引起叶轮共振，必须使得其相互作用频率避开叶轮叶片的固有频率，最好是能远离叶轮叶片的固有频率，以防止非定常载荷长期作用而引起叶轮的疲劳破坏。3.5单级与多级调节对性能的影响对于多级离心式压缩机，如果只对第一级采用可调进口导叶调节，效果会不太明显，然而如果每级前均采用可调进口导叶调节，则整个装置的结构又比较复杂。目前从公开发表的文献看，对离心式压缩机采用多级导叶调节的研究并不多，仅有Simon[13]等人通过试验对某4级齿轮增速离心式压缩机，仅在第一级前加可调进口导叶以及在各级前均加可调进口导叶的调节性能进行了比较，并且获得了两种情况下的无因次性能曲线。可以看出在各级前均加进口导叶比仅在第一级加进口导叶的调节范围要宽出近60%。4进口导叶与叶轮非定常动静干涉作用离心式压缩机可调进口导叶与叶轮非定常动静干涉作用非常强烈，而且作用机理也很复杂，解决不好，不仅会使气动性能恶化，而且还会引起叶片共振以及叶轮叶片疲劳破坏的严重事故。所谓动静干涉，对于叶轮机