CN104763683B

CN104763683B - 离心压缩机扩压器的端壁结构及端壁处理方法

Info

Publication number: CN104763683B
Application number: CN201510058074.5A
Authority: CN
Inventors: 陈雪飞; 秦国良
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2035-02-04
Also published as: CN104763683A

Abstract

本发明提供一种离心压缩机扩压器的端壁结构及端壁处理方法，本发明综合考虑了离心压缩机的结构特点和内部流动情况，在扩压器通道中易发生失速的位置沿轮盖侧进行导流片式端壁处理，为扩压器顶部区域的低速流体提供了一个回流通道，将低动能流体团抽吸进入处理槽内并沿处理槽周向和流向输运，在这一过程中，仅有部分流体重新注入主流，低动能流体区域的面积缩小并且流速也有提高，改善了扩压器顶部通道的流动状况，减弱了顶部通道的阻塞，大幅度提高了压缩机的稳定工作范围，同时峰值效率和压比也有所提高。

Description

离心压缩机扩压器的端壁结构及端壁处理方法

技术领域

本发明涉及离心压缩机技术领域，特别涉及离心压缩机导流片式端壁处理。

背景技术

离心压缩机具有体积小、单级压比高和结构简单等优点，广泛应用于冶金、石油化工、制冷以及动力等工业部门的气体输运、换气通风。近年来，伴随着人们对于微小型能量转换系统的需求和兴趣的不断提升，高转速、高压比、高效率、宽工况、小型化己经成为离心压缩机发展的重要趋势之一，并对其性能提出了日益苛刻的要求。当今高转速、高负荷的发展趋势给压缩机的稳定运行及其扩稳技术提出了新的挑战，特别是以旋转失速、喘振为代表的非定常流动失稳现象是危及压缩机稳定运行的关键因素。在压缩机的实际运行过程中，当流量减小到某一阈值后，若继续减小流量，压缩机内部流动会发生突然的变化，流道内部出现失速团，流动进入失稳状态，旋转失速发生。旋转失速进一步向深度的发展，压缩系统会发生喘振，导致压缩系统中出现负流量的区域。

为了确保压缩机安全稳定的运行，必须尽量避免旋转失速和喘振这两种流动失稳现象。目前，一般的做法是让压缩机在远离失速点的状态下工作，也就是在设计阶段就要考虑到一定的失速裕度。但是，典型压缩机的高效和高参数运行区域通常临近压缩机的流动失稳边界，预留一定失速裕度的做法对压缩机的性能来说是一种极大的浪费。因此，对于实际应用中的压缩机，通常希望其稳定工作范围尽可能宽，以使得压缩机尽量在接近高效和高参数运行区域工作。而拓宽压缩机的稳定工作范围，推迟气流失速的发生，对于提高压缩机的性能和可靠性具有十分重要的意义，也成为压缩机设计中需要解决的关键问题之一。

作为一种压缩机内部流动失稳的被动控制策略，采用端壁处理将有助于削弱顶部间隙泄漏流对压缩机的负面影响，提高压缩机的失速裕度。传统的导流片端壁处理往往针对压缩机转子进行，但在扩大压缩机稳定工作裕度的同时常会引起效率的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种离心压缩机扩压器的端壁结构及端壁处理方法，通过对离心压缩机的扩压器进行导流片式端壁处理，能够在大幅度提高压缩机稳定工作范围的同时，保证效率、峰值效率和压比也有所提高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种离心压缩机扩压器的端壁结构，包括开设于离心压缩机扩压器轮盖侧端壁若干个子午位置上的导流片凹槽，所述导流片凹槽内设置有多个间隔排列的导流片。

单个导流片凹槽的最佳径向位置、导流片凹槽的开槽型式、导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量、导流片数目以及在单个导流片凹槽的最佳径向位置和所述最佳径向位置以外开设的所有相同的导流片凹槽的数目依据综合失速裕度改进量及端壁处理对压缩机效率的影响依次进行优化后确定。

单个导流片凹槽的最佳径向位置在离心压缩机扩压器流道中易发生失速区域所对应的离心压缩机扩压器轮盖侧端壁子午位置中选取。

所述导流片凹槽的开槽型式包括矩形、圆弧形或梯形。

导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量、导流片数目以及导流片凹槽的数目在未优化前采用的初始设定值分别为：导流片凹槽的径向宽度为离心压缩机对应级扩压器叶片进出口直径差值的1/12～1/8，导流片凹槽的轴向深度为离心压缩机扩压器出口宽度的1/4～1/2，导流片安装角度为大于0°，且小于90°，导流片径向叠合量为30～50％，导流片数目与离心压缩机对应级扩压器叶片数相同，导流片凹槽的数目为1个。

当导流片凹槽的数目大于1时，相邻导流片凹槽之间的距离为小于导流片凹槽的径向宽度。

一种离心压缩机扩压器的端壁处理方法，包括以下步骤：

1)首先，对扩压器轮盖侧未进行端壁处理的离心压缩机进行建模，根据对所建模型内部流场进行数值模拟和流动分析的结果，确定离心压缩机内占主导的流场结构及扩压器内部的流动特征，从而确定离心压缩机扩压器流道内易于发生失速的区域；

2)根据步骤1)确定的离心压缩机扩压器流道内易于发生失速的区域，沿该区域所对应的离心压缩机扩压器轮盖侧端壁不同子午位置开设单个导流片凹槽，然后对处理后的开设单个导流片凹槽的所述离心压缩机再次进行建模，根据对处理后的开设单个导流片凹槽的所述离心压缩机内部流场进行数值模拟和流动分析的结果，比较导流片凹槽在不同子午位置处的综合失速裕度改进量及端壁处理对压缩机效率的影响，从而确定单个导流片凹槽的最佳径向位置；

3)根据所述单个导流片凹槽的最佳径向位置，并(根据初始设定值)固定导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量以及导流片数目，改变导流片凹槽的开槽型式，对具有不同开槽型式端壁处理的所述离心压缩机进行建模，根据对所述离心压缩机内部流场进行数值模拟和流动分析的结果，比较导流片凹槽的不同开槽型式的综合失速裕度改进量及端壁处理对压缩机效率的影响，从而确定最佳的导流片凹槽的开槽型式；

4)根据单个导流片凹槽的最佳径向位置以及最佳的导流片凹槽的开槽型式，对导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量、导流片数目以及在单个导流片凹槽的最佳径向位置和所述最佳径向位置以外开设的所有相同的导流片凹槽的数目依据综合失速裕度改进量及端壁处理对压缩机效率的影响依次进行优化。

所述导流片凹槽的开槽型式包括矩形、圆弧形或梯形。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述离心压缩机扩压器的端壁结构中，导流片凹槽的存在为扩压器顶部区域的低速流体提供了一个回流通道，将低动能流体团抽吸进入处理槽内并沿处理槽周向和流向输运，在这一过程中，仅有部分流体重新注入主流，低动能流体区域的面积缩小并且流速也有提高，改善了扩压器顶部通道的流动状况，减弱了顶部通道的堵塞，达到扩大压缩机稳定工作范围的目的，且本发明可以方便的实现加工。

本发明所述离心压缩机扩压器的端壁处理方法，通过选择合适的开槽位置、导流片凹槽几何参数和导流片几何参数及导流片凹槽数目，能够在不损失压缩机效率的前提下获得较大的失速裕度改进，因此对于改善压缩机性能具有显著的作用，具有很高的社会效益及推广价值。

附图说明

图1为不同子午位置端壁处理的示意图；图1中：LE和TE分别代表叶轮叶片前缘和尾缘，DLE和DTE分别代表扩压器叶片前缘和尾缘；1、2、3分别代表导流片端壁处理的子午位置编号。

图2为导流片凹槽的几种开槽型式；其中，(a)为矩形开槽；(b)为圆弧形开槽；(c)为梯形开槽；4为扩压器叶片，5为导流片。

图3为导流片剖面安装示意图；其中，4-1为第一级扩压器叶片(叶片圆周等分)，4-2为第二级扩压器叶片(叶片圆周等分)，5为导流片，6为导流片凹槽(壁面凹槽)。

图4为质量流量(kg/s)与效率的特性曲线。

图5为质量流量(kg/s)与压比的特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

1)首先，对扩压器轮盖侧没有端壁处理的压缩机进行建模，并对其内部流场进行数值模拟和流动分析，确定压缩机内占主导的流场结构及其流动特征，明确压缩机流道内易于发生失速的区域；

2)其次，根据步骤1)确定的压缩机流道内易于发生失速的区域沿压缩机扩压器轮盖侧不同子午位置开设单个导流片凹槽并对其进行建模和数值模拟，比较不同位置导流片凹槽扩稳效果及其对压缩机效率的影响，确定最佳的端壁处理径向位置(即最佳开槽位置)；

3)然后，根据压缩机轮盖侧端壁处理的最佳径向位置固定导流片数目、安装角度、径向叠合量、凹槽轴向深度、凹槽径向宽度，改变凹槽型式(矩形、圆弧形和梯形)，对不同型式的导流片凹槽进行建模和数值模拟，比较凹槽型式对导流片凹槽扩稳效果及压缩机效率的影响，从而确定最佳的开槽型式；

4)进一步，根据压缩机轮盖侧端壁处理的最佳径向位置及步骤3)得到的最佳开槽型式，固定导流片数目、安装角度、径向叠合量和凹槽深度，改变导流片凹槽宽度，对不同宽度的导流片凹槽进行建模和数值模拟，比较槽宽对导流片凹槽扩稳效果及压缩机效率的影响，从而确定最佳的槽宽；

5)进一步，根据步骤2)、3)、4)确定的导流片凹槽位置、凹槽型式和槽宽，固定导流片数目、径向叠合量和凹槽位置、型式、宽度，改变导流片凹槽轴向深度，对不同安装角度的导流片凹槽进行建模和数值模拟，比较凹槽深度对导流片凹槽扩稳效果及压缩机效率的影响，从而确定最佳的导流片凹槽深度；

6)进一步，根据步骤2)、3)、4)、5)确定的导流片凹槽位置、型式、槽宽和槽深，固定导流片数目、径向叠合量和凹槽位置、型式、深度、宽度，改变导流片安装角度，对不同安装角度的导流片凹槽进行建模和数值模拟，比较安装角度对导流片凹槽扩稳效果及压缩机效率的影响，从而确定最佳的导流片安装角度；

7)进一步，根据步骤2)、3)、4)、5)、6)确定的导流片凹槽位置、型式、槽宽、槽深和安装角度，固定导流片数目、安装角度和凹槽位置、型式、深度、宽度，改变导流片径向叠合量(导流片径向尺寸与凹槽径向宽度的比值)，对不同叠合量的导流片凹槽进行建模和数值模拟，比较叠合量对导流片凹槽扩稳效果及压缩机效率的影响，从而确定最佳的导流片径向叠合量；

8)进一步，根据步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)确定的导流片凹槽位置、型式、槽宽、槽深和导流片安装角度、径向叠合量，固定导流片安装角度、叠合量和凹槽位置、型式、深度、宽度，改变导流片数目，对不同导流片数目的导流片凹槽进行建模和数值模拟，比较导流片数目对导流片凹槽扩稳效果及压缩机效率的影响，从而确定最佳的导流片数目；

9)最后，根据步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)确定的导流片凹槽位置、型式、槽宽、槽深和导流片安装角度、径向叠合量、数目，由导流片凹槽位置向外侧延伸开设相同的凹槽，确定槽齿宽即相邻槽的间距，改变凹槽数目，对不同槽数的导流片端壁处理进行建模和数值模拟，比较凹槽数目对导流片凹槽扩稳效果和压缩机效率的影响，确定最佳的开槽数目。

所述的最佳开槽位置、槽深、槽宽和最佳导流片安装角度、径向叠合量、数目及最佳凹槽数目具体由以下指标确定，优先考虑综合失速裕度改进量，改进量区别不明显的情况下考虑效率变化：

综合失速裕度改进量(ΔSM)：

设计点/峰值点效率变化(Δη_des/peak)：

式中：Q_m及ε_tot分别为质量流量和总压比，下标stall、des和peak分别代表失速点、设计点和峰值效率点，带有下标solid的参数为实壁压缩机参数，未带下标solid的参数为处理压缩机参数。

根据上述导流片凹槽壁面处理方法的设计过程对某高转速小流量离心压缩机进行壁面处理设计并用实验验证其作用效果。具体如下：

该离心压缩机的设计参数如表1所示。

表1 叶片和扩压器主要几何参数

参考图2以及图3，初步选择的处理槽(即导流片凹槽)槽深为4mm，槽宽为4mm，导流片安装角度为30°，径向叠合量为50％，安装数目为17个(17叶片圆周等分)，槽数为1个，图1给出了不同子午位置处理槽示意图，通过对不同子午位置处理槽扩稳效果的对比分析，最终确定的处理槽中心位置为R＝270mm，图1中的2号处理槽。

同时在初步选择中：

1)导流片的形状可以采用现有已知的形状，例如，带圆角的片状。

2)导流片凹槽采用整周开槽，其他开槽形式未在本专利申请中涉及。

3)导流片凹槽内导流片采用等间隔布置且导流片位于相邻扩压器叶片位置中央，其他布置方式未在本发明中涉及。

计算结果表明圆弧形凹槽具有最好的处理效果，对处理槽深度和宽度影响的研究发现：增大处理槽深度和宽度均有利于压缩机失速裕度的提高，但会对压缩机效率造成负面影响，因此最终选择槽宽和槽深分别为6mm和4mm。

最终优化确定的单个导流片凹槽内导流片数目为34个，径向叠合量为40％，安装角度为40°，处理槽数目为2个，槽齿宽为2.5mm。

且经过优化发现，在第一级扩压器叶片对应壁面设置导流片凹槽效果较好。

设计转速下有无导流片式壁面处理的离心压缩机效率、压比特性曲线参见图4和图5，实验转速为30215rpm，从图中可以看出，相比于实壁压缩机(Solid Wall)，采用壁面处理后(Treated Wall)，压缩机稳定工作裕度有很大的提升，综合失速裕度改进量达到21.13％，峰值效率提升1.983％，压比提高3.873％。

Claims

1.一种离心压缩机扩压器的端壁结构，其特征在于：包括开设于离心压缩机扩压器轮盖侧端壁若干个子午位置上的导流片凹槽(6)，所述导流片凹槽(6)内设置有多个间隔排列的导流片(5)；

单个导流片凹槽的最佳径向位置、导流片凹槽的开槽型式、导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量、导流片数目以及导流片凹槽的数目依据综合失速裕度改进量及对压缩机效率的影响依次进行优化后确定；

2.根据权利要求1所述一种离心压缩机扩压器的端壁结构，其特征在于：单个导流片凹槽的最佳径向位置在离心压缩机扩压器流道中易发生失速区域所对应的离心压缩机扩压器轮盖侧端壁子午位置中选取。

3.根据权利要求1所述一种离心压缩机扩压器的端壁结构，其特征在于：所述导流片凹槽(6)的开槽型式包括矩形、圆弧形或梯形。

4.根据权利要求1所述一种离心压缩机扩压器的端壁结构，其特征在于：当导流片凹槽(6)的数目大于1时，相邻导流片凹槽之间的距离为小于导流片凹槽的径向宽度。

5.一种离心压缩机扩压器的端壁处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

2)根据步骤1)确定的离心压缩机扩压器流道内易于发生失速的区域，沿该区域所对应的离心压缩机扩压器轮盖侧端壁不同子午位置开设单个导流片凹槽，然后对开设单个导流片凹槽的所述离心压缩机再次进行建模，根据对开设单个导流片凹槽的所述离心压缩机内部流场进行数值模拟和流动分析的结果，比较导流片凹槽在不同子午位置处的综合失速裕度改进量及对压缩机效率的影响，从而确定单个导流片凹槽的最佳径向位置；

3)根据所述单个导流片凹槽的最佳径向位置，并固定导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量以及导流片数目，改变导流片凹槽的开槽型式，对具有不同开槽型式的所述离心压缩机进行建模，根据对所述离心压缩机内部流场进行数值模拟和流动分析的结果，比较导流片凹槽的不同开槽型式的综合失速裕度改进量及对压缩机效率的影响，从而确定最佳的导流片凹槽的开槽型式；

4)根据单个导流片凹槽的最佳径向位置以及最佳的导流片凹槽的开槽型式，对导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量、导流片数目以及导流片凹槽的数目依据综合失速裕度改进量及对压缩机效率的影响依次进行优化。

6.根据权利要求5所述一种离心压缩机扩压器的端壁处理方法，其特征在于：所述导流片凹槽的开槽型式包括矩形、圆弧形或梯形。

7.根据权利要求5所述一种离心压缩机扩压器的端壁处理方法，其特征在于：导流片凹槽的径向宽度、导流片凹槽的轴向深度、导流片安装角度、导流片径向叠合量、导流片数目以及导流片凹槽的数目在未优化前采用的初始设定值分别为：导流片凹槽的径向宽度为离心压缩机对应级扩压器叶片进出口直径差值的1/12～1/8，导流片凹槽的轴向深度为离心压缩机扩压器出口宽度的1/4～1/2，导流片安装角度为大于0°，且小于90°，导流片径向叠合量为30～50％，导流片数目与离心压缩机对应级扩压器叶片数相同，导流片凹槽的数目为1个。

8.根据权利要求5所述一种离心压缩机扩压器的端壁处理方法，其特征在于：当导流片凹槽的数目大于1时，相邻导流片凹槽之间的距离为小于导流片凹槽的径向宽度。