高溫離心式制冷壓縮機(jī)擴(kuò)壓器的改進(jìn)及cfd優(yōu)化分析

高溫離心式制冷壓縮機(jī)擴(kuò)壓器的改進(jìn)及cfd優(yōu)化分析

1離心式制冷壓縮機(jī)據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過90%的離心式冷水機(jī)組處于一定的負(fù)荷條件下，而冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能直接影響到整個(gè)機(jī)組的運(yùn)營和能耗。同時(shí),國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18430.1—2007《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組第1部分:工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組》中給出了綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)IPLV的規(guī)定和要求。因此,對于離心式制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)來說,不但要保證較高的滿負(fù)荷效率,而且要求部分負(fù)荷時(shí)有較好的性能指標(biāo),同時(shí)要保證較寬的運(yùn)行工況范圍。在離心式壓縮機(jī)中,采用的擴(kuò)壓器形式直接影響壓縮機(jī)的性能曲線,無葉擴(kuò)壓器對工況變化的適應(yīng)性好,壓力恢復(fù)系數(shù)小,效率較低;而葉片擴(kuò)壓器擴(kuò)壓能力強(qiáng),效率可比無葉擴(kuò)壓器高(設(shè)計(jì)工況下),但工況適應(yīng)性差,穩(wěn)定工作范圍較小。研究表明,低稠度的葉片擴(kuò)壓器不但可以改善壓縮機(jī)的全工況性能,而且能保證壓縮機(jī)有較寬的運(yùn)行工況范圍。本文主要介紹一種應(yīng)用于高溫工況的離心式制冷壓縮機(jī)的擴(kuò)壓器的改進(jìn)情況,采用低稠度的葉片擴(kuò)壓器替代原始無葉擴(kuò)壓器,并利用CFD進(jìn)行優(yōu)化分析,以期提高壓縮機(jī)的全工況性能。2蝸殼部分參數(shù)原壓縮機(jī)為1臺4000kW的高溫離心式壓縮機(jī),壓縮機(jī)為半封閉式單級壓縮的結(jié)構(gòu)形式,包括進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉IGV、葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼4個(gè)部分,參數(shù)見表1。原壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:葉輪為三元后彎閉式結(jié)構(gòu),葉輪葉片為長、短葉片各10片,b2/D2=0.058,擴(kuò)壓器為無葉擴(kuò)壓器,D4/D2=1.71,D3/D2=1.15,b4=b3=0.9b2(其中b2為葉輪出口寬度;b3為擴(kuò)壓器進(jìn)口寬度;b4為擴(kuò)壓器出口寬度;D2為葉輪出口直徑;D3為擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑;D4為擴(kuò)壓器出口直徑)。壓縮機(jī)模型如圖1所示。3理論分析3.1擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在離心式壓縮機(jī)中,擴(kuò)壓器的功能主要是使從葉輪中出來的具有較大速度的氣流減速,使動(dòng)壓有效地轉(zhuǎn)化為靜壓,對后彎式葉輪來說,減少的動(dòng)能占葉輪耗功的25%～40%左右。因此,擴(kuò)壓器性能好壞對壓縮機(jī)性能有較大的影響。無葉擴(kuò)壓器有一個(gè)由兩個(gè)壁面構(gòu)成的環(huán)形通道,結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低,性能曲線變化平緩,穩(wěn)定工況范圍較寬,且在馬赫數(shù)Ma較大時(shí),效率降低不明顯。其缺點(diǎn)是因氣流方向角α2基本不變,流動(dòng)路程較長,摩擦損失大;且在設(shè)計(jì)工況下其效率低于葉片擴(kuò)壓器,特別是在α2較小時(shí)更為明顯。葉片擴(kuò)壓器是在上述無葉擴(kuò)壓器的環(huán)形空間內(nèi)裝上一系列葉片制成的擴(kuò)壓器,具有擴(kuò)壓能力強(qiáng)、尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。其流道短,流動(dòng)損失小,因而效率較高。在設(shè)計(jì)工況下其效率可比無葉擴(kuò)壓器高3%～5%,特別是在α2較小時(shí),葉片擴(kuò)壓器效率更高。葉片擴(kuò)壓器的缺點(diǎn)是:由于葉片的存在,變工況時(shí)沖擊損失較大,效率下降明顯,特別是在沖角(沖角i=α2A-α2,其中α2A為進(jìn)口安裝角)較大時(shí),流道中易產(chǎn)生嚴(yán)重的分離,會(huì)導(dǎo)致喘振的發(fā)生。葉片擴(kuò)壓器相比無葉擴(kuò)壓器具有較高的效率,但變工況適應(yīng)性差,如何利用葉片擴(kuò)壓器既提高效率又保證有較寬的運(yùn)行范圍是需要討論解決的問題。3.2兩種壓縮機(jī)的性能對比為進(jìn)一步對比無葉擴(kuò)壓器與葉片擴(kuò)壓器的性能,采用美國某公司的離心式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)軟件分別對原高溫離心式壓縮機(jī)模型(見圖1)以及采用低稠度葉片擴(kuò)壓器的離心式壓縮機(jī)模型(見圖2)進(jìn)行分析對比。壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)參數(shù)、葉輪、蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)采用原結(jié)構(gòu)的對應(yīng)參數(shù),分析時(shí)取相同的損失模型,僅改變擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)形式,采用低稠度葉片擴(kuò)壓器替代無葉擴(kuò)壓器。分別對兩種壓縮機(jī)的效率及壓縮比進(jìn)行分析,壓縮機(jī)效率對比如圖3所示,壓縮比對比如圖4所示。從圖3,4可以看出,采用低稠度葉片擴(kuò)壓器的壓縮機(jī)的絕熱效率和壓縮比都有明顯的提高,在設(shè)計(jì)工況下絕熱效率可提高4.6%左右,壓縮比可提高3.8%,而且穩(wěn)定運(yùn)行范圍并不比采用無葉擴(kuò)壓器時(shí)小,一定程度上說明采用低稠度的葉片擴(kuò)壓器是可行的。4火炬氣總運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)決定葉片擴(kuò)壓器形狀及性能的幾何參數(shù)有:擴(kuò)壓器進(jìn)、出口寬度b3,b4,擴(kuò)壓器進(jìn)、出口直徑D3,D4,葉片進(jìn)、出口安裝角α3A,α4A,葉柵稠度l/t(葉片數(shù)Z)和葉片型線,這些參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性直接影響壓縮機(jī)的性能。4.1葉片線的確定為減少流動(dòng)損失,提高變工況性能,采用NACA65(04)06機(jī)翼型葉片。4.2擴(kuò)壓器噪聲為改善擴(kuò)壓器的進(jìn)氣狀況,降低氣流脈動(dòng)噪聲,通常要求葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口的Ma<0.7～0.85,根據(jù)計(jì)算分析確定D3=1.25D2,D4=1.35D3。4.3葉片安裝角研究表明,不同的葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角對壓縮機(jī)有較大的影響,進(jìn)口較大的正沖角及負(fù)沖角均會(huì)在擴(kuò)壓器表面產(chǎn)生大尺度的分離渦團(tuán),在給定的流量工況下,存在一個(gè)最佳的進(jìn)口安裝角,使得離心式壓縮機(jī)的性能最佳。葉片進(jìn)口安裝角減小時(shí),性能曲線左移,在較大流量區(qū)域,效率和壓縮比相對設(shè)計(jì)安裝角時(shí)有所下降,而在較小流量區(qū)域,效率和壓縮比相對設(shè)計(jì)安裝角時(shí)卻有所提高。相反,當(dāng)增大進(jìn)口安裝角時(shí),性能曲線僅略向右偏移,相應(yīng)的效率和壓縮比都有所減小,但減小幅度并不明顯?？梢娺M(jìn)口安裝角對壓縮機(jī)的性能曲線影響較大,為此分別取不同的進(jìn)口安裝角對壓縮機(jī)的性能進(jìn)行研究,圖5是葉片不同進(jìn)口沖角下的壓縮機(jī)性能曲線對比。考慮到離心式制冷壓縮機(jī)要求有較寬的穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍,故在設(shè)計(jì)工況下取較小的負(fù)沖角(i=-5°)。4.4第二,當(dāng)s1/第二在葉片擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)中,葉片進(jìn)口寬度(以b2/b3表示)與葉輪的b2/D2值有關(guān)。當(dāng)b2/D2>0.04時(shí),最佳值是b2/b3=0.8;當(dāng)b2/D2≤0.04時(shí),通常取b2=b3;在b2/D2較小時(shí),可取b2>b3。為增大穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍,擴(kuò)壓器進(jìn)出口寬度應(yīng)取:b3=b4=0.8b2。4.5動(dòng)態(tài)cfd模型葉柵稠度主要用來確定葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)。葉片數(shù)與稠度的關(guān)系用式(1)表示:Z3=lt2πsinαmlnD4D3(1)Ζ3=lt2πsinαmlnD4D3(1)式中Z3為葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù);l/t為葉柵稠度,l/t≤1.5的葉片擴(kuò)壓器稱為低稠度葉片擴(kuò)壓器;αm=α4A+α3A2αm=α4A+α3A2。研究表明,對于每個(gè)葉片擴(kuò)壓器,存在最佳的l/t。l/t過大會(huì)增加葉道進(jìn)口處的阻塞,加大損失;l/t過小,擴(kuò)壓能力降低,在出口產(chǎn)生回流損失。為此對現(xiàn)有壓縮機(jī)采用不同的l/t進(jìn)行CFD分析,內(nèi)部流場如圖6～8所示。通過CFD模擬分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)l/t取較大值時(shí),葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口處馬赫數(shù)Ma較大,易產(chǎn)生較大損失;當(dāng)l/t取較小值時(shí),在葉片擴(kuò)壓器出口處會(huì)產(chǎn)生較大的分離損失。通過對比分析,認(rèn)為l/t取0.97較為合適。5壓縮機(jī)性能測試試驗(yàn)方法:采用與原離心式壓縮機(jī)相同的試驗(yàn)方法,即將壓縮機(jī)進(jìn)口IGV全開,保證壓縮機(jī)吸氣壓力470kPa和吸氣溫度14.5℃不變,通過調(diào)整冷卻水進(jìn)水溫度及不斷調(diào)整壓縮機(jī)排氣壓力,測試壓縮機(jī)的性能。通過檢測壓縮機(jī)吸、排氣口溫度、壓力參數(shù)計(jì)算壓縮機(jī)的壓縮比及絕熱效率;通過檢測機(jī)組的制冷量計(jì)算壓縮機(jī)的體積流量。測試結(jié)果見圖9和圖10。測試數(shù)據(jù)顯示,采用低稠度葉片擴(kuò)壓器后壓縮機(jī)效率及壓縮比都有較大幅度的提高,在設(shè)計(jì)工況下壓縮機(jī)的絕熱效率約提高2%～3%,壓縮比提高3%～4%,在小流量區(qū)域,壓縮機(jī)的絕熱效率提高更為明顯,最大增幅在6%以上,并且穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍并不比