CN113027785B - 双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法 - Google Patents

双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法 Download PDF

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Abstract

本发明双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，包括：首先通过对原始带叶片扩压器的离心压缩机进行几何建模与数值模拟，分析小流量工况下诱发失稳的流动结构，查明诱发压缩机失速先兆最关键的位置，将失速先兆出现位置的叶片扩压器轮毂壁面确定为造型关键位置；然后按照流动规律将常规平面端壁改造为具有凹凸起伏特征的双函数耦合型面，通过调整三个型面控制参数灵活地构造不同形式的凹凸端壁，所述双函数耦合型面在扩压器所有叶片通道内以叶片中弧线为边界呈周期性阵列。本发明通过改变流道几何形状改变近壁面流速与压力分布，有效抑制离心压缩机小流量工况下的流动分离，推迟旋转失速和喘振发生，从而拓宽离心压缩机稳定运行范围。

Description

双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法
技术领域
本发明属于离心压缩机技术领域，具体涉及一种双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法。
背景技术
离心压缩机由于具有体积小、单级压比高、结构简单等优点，在冶金、石化、天然气运输、制冷、电力等行业中发挥着至关重要的作用。随着现代化工业进程的不断推进，发展高负荷、宽工况、高效率、小型化离心压缩机是当前的重要趋势之一，并对离心压缩机的性能提出了更加严苛的要求。纵观国内外学者对离心压缩机的研究发现，依靠先进的设计方法可以实现高负荷离心压缩机设计，但会面临稳定运行范围显著变窄和峰值效率向喘振点移动的难题。因此，压缩机稳定运行范围窄是制约高负荷、宽工况离心压缩机发展的重要因素，特别是小流量工况下的旋转失速和喘振现象严重危害离心压缩机的稳定运行。因此，通过有效的技术手段推迟旋转失速和喘振的发生，拓宽压缩机的稳定运行范围，对提高离心压缩机的性能和可靠性具有重要意义，也是压缩机安全稳定运行需要解决的关键问题之一。
对于带有叶扩压器的离心压缩机，离心叶轮出口的强烈非均匀流场导致叶片扩压器内部流动紊乱，失速先兆首先发生在叶片扩压器的无叶以及半无叶区域。因此，抑制叶片扩压器在小流量工况下诱发失速的流动分离至关重要。国内外学者针对离心压缩机失稳机理提出了很多主动及被动扩稳技术。被动流动控制技术具有装置简单、成本低廉、不需要额外的能量输入等特点而被广泛采用，例如，机匣处理、串列叶栅扩压器、可调节叶片扩压器等。这些方法在拓宽离心压缩机稳定运行范围方面具有一定功效，但使得叶片扩压器结构相对复杂，增加了设计和制造难度。非轴对称端壁造型技术可依据流动规律将轴对称端壁设计成凹凸起伏型面端壁，通过改变流道的几何形状来控制近端壁流动的方向与强弱以减小流动损失。目前非轴对称端壁造型技术在离心压缩机中的研究、应用尚不成熟。
周莉对某离心式压缩机叶片扩压器轮毂侧进行了非轴对称端壁数值优化研究，采用优化端壁扩压器后，使设计点总压损失减小，但稳定运行范围有所减小。郎进花在楔形叶片扩压器轮毂侧进口区域采用非轴对称端壁造型结构，使扩压器通道内的流量重新分配从而延缓喘振的发生，实现11.8％的稳定运行范围扩展。Hermann在离心压气机的叶片扩压器轮毂侧进口区域采用了端壁造型技术，改变了叶片扩压器前缘流动气流角分布，增加了8％的稳定运行范围。研究表明，非轴对称端壁造型技术在拓宽离心压缩机稳定运行范围方面具有一定功效。但是，关于叶片扩压器非轴对称端壁造型方法只是给出了一种思路，没有通用的离心压缩机非轴对称端壁造型方法，使端壁造型技术难以融入离心压缩机设计体系。因此，非轴对称端壁造型方法的提出对推动该技术在离心压缩机中的研究具有重要意义。
西北工业大学周莉在2016年第106089806号中国专利说明书中公开了一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法，采用NURBS曲面构造一对幅值相等的凹凸结构。该端壁处理方法使压气机总压损失降低，进而峰值效率和压比相应地提升。但是，该方法仅能改变非轴对称端壁结构的峰值大小，不能改变周向凹凸形式和峰值沿流向的变化，导致生成的凹凸端壁形式单一，不能实现凹凸端壁形式多样性变化。而且端壁造型位置未选择在流动失稳关键位置，只达到了降低设计点流动损失的目的，未能实现扩稳的效果。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，在叶片扩压器轮毂的局部关键区域采用三角函数和Bézier曲线叠加构造双函数耦合型面，通过改变流道的几何形状实现近壁面压力与速度分布的细致调控，来推迟小流量工况下离心压缩机失速发生，从而拓宽离心压缩机的稳定运行工况范围，提升离心压缩机的稳定性和可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，包括：
首先通过对原始带叶片扩压器的离心压缩机进行几何建模与数值模拟，分析小流量工况下诱发失稳的流动结构，查明诱发压缩机失速先兆最关键的位置，将失速先兆出现位置的叶片扩压器轮毂壁面确定为造型关键位置；
然后按照流动规律将常规平面端壁改造为具有凹凸起伏特征的双函数耦合型面，通过调整三个型面控制参数灵活地构造不同形式的凹凸端壁，所述双函数耦合型面在扩压器所有叶片通道内以叶片中弧线为边界呈周期性阵列。
本发明进一步的改进在于，单个周期内的双函数耦合型面造型包括以下步骤：
步骤1：在一个端壁造型周期内对端壁造型关键位置进行边界界定，周向边界为相邻叶片中弧线，流向边界为造型关键区域上下游相对子午流线位置处的圆弧线，从而将单周期扩压器轮毂壁面划分为造型区域和非造型区域；
步骤2：在步骤1提出的端壁造型区域内，在三维曲面上沿着周向均匀地选取几条切割线，其中起始切割线和终止切割线为相邻叶片中弧线，其余切割线在造型区域内均匀分布，再在每条切割线上沿着流向均匀地布置控制点，从而将造型区域参数化为若干控制点，切割线每隔2°圆周角布置一条；
步骤3：依据流动规律向步骤2中的离散控制点附加具有周向和流向叠加效应的轴向扰动，沿着周向采用三角函数构造从压力面凸起至吸力面凹陷的端壁型面，三角函数控制曲线为
Figure BDA0003012091270000041
其中θ0和θm为沿圆周方向曲线起始点和终止点角坐标，λ为频率系数，通过调整λ的大小生成压力面至吸力面处不同凹凸起伏型式；
步骤4：采用Bézier曲线编制流向端面走势，Bézier控制曲线为
Figure BDA0003012091270000042
其中
Figure BDA0003012091270000043
通过调整Bézier曲线上控制点Pi生成具有不同峰值大小以及不同峰值流向位置的曲线；
步骤5：通过步骤3和步骤4中周向控制函数和流向控制函数耦合生成各个控制点叠加轴向扰动，具体表达式为Δz(r，θ)＝A(r)f(θ)，将轴向扰动附加给离散点轴向坐标，从而将造型区域的平面端壁改造为具有凹凸起伏特征的双函数耦合型面；
步骤6：将步骤5生成的具有凹凸起伏特征的叶片扩压器造型区域与未造型区域光滑连接，组合成新的叶片扩压器非轴对称轮毂壁面。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，周向边界为相邻叶片中弧线，流向边界为造型关键区域即即失速先兆出现位置上下游相对子午流线位置处的圆弧线。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，沿圆周方向每隔2°圆周角布置一条切割线。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，调节频率系数改变耦合型面从吸力面至压力面的凹凸形式。
本发明进一步的改进在于，步骤4中，峰值大小取5％～15％叶高。
本发明进一步的改进在于，步骤4中，峰值沿流向的位置沿流线方向变化，不局限于曲线中心位置。
本发明进一步的改进在于，通过周向三角函数和流向Bézier曲线耦合生成三维型面，对离散控制点附加具有周向和流向叠加效应的轴向扰动。
本发明进一步的改进在于，通过改变频率系数、峰值大小和峰值流向位置能够灵活地调控造型区域若干离散点的轴向扰动大小。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的双函数耦合型面调控扩压器端壁的造型方法可以通过调节频率系数、峰值大小和峰值流向位置灵活方便地构造不同凹凸形式的端壁，对凹凸端壁叶片扩压器的离心压缩机进行几何建模和数值模拟，通过与未进行扩压器端壁造型的离心压缩机比较，确定使离心压缩机性能提升最有效的双函数耦合型面最优控制参数组合，并分析叶片扩压器端壁造型扩稳机理。相较于现有技术，本发明具有如下的优点：
1、通过提出双函数耦合型面调控扩压器端壁的造型方法，以较少的端壁型面控制参数(频率系数、峰值大小和峰值流向位置)灵活便捷地控制端壁型面形式。
2、造型关键位置选取在失速先兆出现位置的叶片扩压器轮毂壁面，将流动失稳机理与流动控制方法有机结合，而不是盲目地对叶片前缘至叶片尾缘的整个叶片通道轮毂面进行端壁造型。
3、本发明可以通过改变流道几何形状改变近壁面流速与压力分布，有效抑制离心压缩机小流量工况下的流动分离，推迟旋转失速和喘振发生，从而拓宽离心压缩机稳定运行范围。
附图说明
图1为本发明的叶片扩压器轮毂侧端壁参数化示意图，其中，B1～B8表示周向切割线名称，R1～R9表示每条切割线上布置控制点的名称；
图2为本发明的轮毂侧周向控制函数和流向控制函数示意图，其中，rpeak表示峰值的流向位置，Apeak为峰值幅值，λ为频率系数；
图3为本发明的双函数耦合型面调控的端壁效果图；
图4为扩稳效果评价量示意图；
图5为扩稳效果最佳的扩压器端壁造型对应的离心压缩机效率特性曲线。
附图标记说明：
1、叶片扩压器轮毂，2、叶片压力面，3、叶片吸力面，4、第一叶片中弧线，5、第二叶片中弧线，6、叶片前缘，7、叶片尾缘，8、造型端壁最大凹陷位置，9、造型端壁最大凸起位置。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1至图3，本发明将双函数耦合型面调控扩压器端壁的造型方法应用到某带楔形叶片扩压器的高压比离心压缩机中。在叶片扩压器轮毂1的壁面布置了基于三角函数和Bézier曲线的耦合型面调控的端壁结构，造型结果使叶片压力面2附近存在造型端壁最大凸起位置9，叶片吸力面3附近存在造型端壁最大凹陷位置8，从而将轴向坐标值相同的平整壁面改造成局部区域具有凹凸起伏特征的非轴对称端壁，通过改变近壁面的压力和速度分布，来拓宽高压比离心压缩机的稳定运行范围。
为了达到上述目的，本实施例的具体操作步骤如下：
对原始离心压缩机进行几何建模，并对其内部流场进行数值模拟和流场分析，发现扩压器叶片轮盖侧靠近吸力面前缘的流动分离诱发压缩机在小流量工况下的失速，因此端壁造型的关键位置选择在叶片扩压器靠近前缘位置的局部轮毂壁面，主要改善无叶及半无叶区域的流动。
该楔形叶片扩压器相邻叶片通道之间的端壁型面在圆周方向呈周期性阵列，以相邻叶片中弧线之间的叶片扩压器端壁处理过程为一个造型周期。单个周期内双函数耦合型面调控的端壁造型具体实施步骤如下：
步骤1：将上述端壁造型关键位置进行边界界定，端壁造型区域的周向边界为相邻的第一叶片中弧线4和第二叶片中弧线5，流向边界取5％和30％相对子午流线位置处的圆弧线，从而将单个周期内的扩压器轮毂端壁划分为造型区域和非造型区域。
步骤2：如图1所示，将步骤1确定的端壁造型区域参数化，在造型区域内沿周向取8条控制线，命名为B1～B8，其中B1和B8取在相邻的第一叶片中弧线4和第二叶片中弧线5上，其余6条线均匀分布在造型区域内。再在每条切割线上均匀布置9个控制点将切割线离散为控制点，命名为R1～R9，这样将端壁造型区域离散为72个控制点，控制点的个数视具体情况而定，保证造型区域均匀光滑连接为宜，其中为了保证造型区域跟非造型区域的光滑平整连接，端壁造型区域边界上的30个控制点(图1中ο表示)为固定点，造型区域内的42个控制点(图1中*表示)为自由点。
步骤3：采用三角函数
Figure BDA0003012091270000081
构造叶片压力面2凸起至叶片吸力面3凹陷的端壁型面，其中θ0和θ8分别为B1曲线和B8曲线上控制点的圆周角坐标，λ为频率系数，通过给定λ＝1，2，3使端壁在圆周方向具有不同的凹凸形式，具体表现为随着λ值增大，端壁型面凹陷和凸起中心将远离叶片吸力面和压力面；
步骤4：采用Bézier曲线
Figure BDA0003012091270000082
其中
Figure BDA0003012091270000083
k＝0，1，LL，n，n＝9连接流向端面走势，通过调整Bézier曲线上控制点Pi控制凹凸端面峰值Apeak的大小以及峰值沿流向的位置rpeak，峰值大小Apeak一般取5％～15％叶高，本实施例中叶片高度为17mm，峰值沿流向的位置rpeak可以在控制点R3～R7之间变化，实现峰值位置沿流向的变化。
步骤5：将步骤3的三角函数和步骤4的Bézier曲线耦合，得到各个离散点周向效应和流向效应叠加后的轴向扰动，具体表达式为Δz(r,θ)＝A(r)f(θ)，将轴向扰动附加给各离散点轴向坐标，从而完成一个周期内的双函数耦合型面调控的叶片扩压器轮毂侧端壁造型过程。
步骤6：将步骤5生成的具有凹凸起伏特征的叶片扩压器造型区域与非造型区域光滑连接，组合成新的叶片扩压器非轴对称轮毂壁面，如图3所示，该扩压器轮毂壁面在压力侧具有造型端壁最大凸起位置9，在吸力面侧具有造型端壁最大凹陷位置8。
本实施例通过调节频率系数λ＝1,2,3、峰值大小Apeak为5％、10％和15％叶片高度，峰值沿流向的位置在R3和R5构造出18种凹凸形式的端壁结构，对带有不同扩压器端壁形式的离心压缩机分别建模并进行数值模拟，比较不同扩压器端壁造型对压缩机稳定运行工况范围和效率的影响，确定实现离心压缩机高效扩稳的耦合型面最优控制参数组合。
所述双函数耦合型面最优控制参数组合根据以下扩稳效果评价量进行评定，评价量示意图见图4：
稳定运行范围SR＝mc-ms
失速裕度改进量：
Figure BDA0003012091270000091
堵塞裕度改进量：
Figure BDA0003012091270000092
稳定运行范围改进量：
Figure BDA0003012091270000093
设计点效率变化：
Figure BDA0003012091270000094
式中，ΔSM，ΔCM，ΔSR，m，η分别表示失速裕度改进量、堵塞裕度改进量、稳定运行范围改进量、质量流量和效率，下标CEW，Baseline分别表示端壁造型后的压缩机，端壁未进行改进的原始压缩机，下标des，c，s分别代表压缩机工作在设计点，近堵塞点和近喘振点。
在设计转速下，对上述18种端壁处理后的离心压缩机进行数值模拟，定量计算不同端壁造型对应的离心压缩机扩稳效果评价量，优先考虑稳定运行范围改进量，改进量相同时参考设计点效率变化。综合稳定运行范围改进量和设计点效率变化，数值模拟结果显示耦合型面最优控制参数组合为频率系数为1，峰值大小为10％叶高，峰值位置在R3流向位置。图5给出了最优控制参数组合决定的非轴对称端壁扩压器对应的离心压缩机效率曲线，以此来展示端壁造型扩稳效果，压缩机失速裕度增加了21.7％，堵塞裕度减小了3.91％，整体稳定运行范围增加了17.91％，设计点效率下降0.13％。压缩机在实际运行过程中不会在效率极低的堵塞点附近运行，而是在设计点附近的高效区运行，失速裕度的改进对压缩机的高效安全稳定运行具有重要意义，因此本发明提出的双函数耦合型面调控叶片扩压器端壁造型的方法对实现离心压缩机高效扩稳效果显著。
通过对离心压缩机内部流场分析发现，在近失速点，扩压器轮毂侧的局部端壁造型改变了近壁面的流动分布，间接地改变了轮盖侧的流动分布，推迟了扩压器轮盖侧吸力面前缘处的流动分离，延缓了失速的发生，从而拓宽了离心压缩机在小流量工况下的稳定运行范围，并且耦合型面的峰值流向位置越靠近叶片前缘6，对失速先兆区流动的改善作用越明显。但是端壁造型保证了扩压器端壁沿圆周方向截面面积的不变性，但是喉部面积发生了变化，耦合型面的峰值流向位置靠近叶片前缘6时会使喉部面积减小，因此大流量工况下堵塞裕度略微减小。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，包括：
首先通过对原始带叶片扩压器的离心压缩机进行几何建模与数值模拟，分析小流量工况下诱发失稳的流动结构，查明诱发压缩机失速先兆最关键的位置，将失速先兆出现位置的叶片扩压器轮毂壁面确定为造型关键位置；
然后按照流动规律将常规平面端壁改造为具有凹凸起伏特征的双函数耦合型面，通过调整三个型面控制参数灵活地构造不同形式的凹凸端壁，所述双函数耦合型面在扩压器所有叶片通道内以叶片中弧线为边界呈周期性阵列；
单个周期内的双函数耦合型面造型包括以下步骤：
步骤1：在一个端壁造型周期内对端壁造型关键位置进行边界界定，周向边界为相邻叶片中弧线，流向边界为造型关键区域上下游相对子午流线位置处的圆弧线，从而将单周期扩压器轮毂壁面划分为造型区域和非造型区域；
步骤2：在步骤1提出的端壁造型区域内，在三维曲面上沿着周向均匀地选取几条切割线，其中起始切割线和终止切割线为相邻叶片中弧线，其余切割线在造型区域内均匀分布，再在每条切割线上沿着流向均匀地布置控制点，从而将造型区域参数化为若干控制点，切割线每隔2°圆周角布置一条；
步骤3：依据流动规律向步骤2中的离散控制点附加具有周向和流向叠加效应的轴向扰动，沿着周向采用三角函数构造从压力面凸起至吸力面凹陷的端壁型面，三角函数控制曲线为
Figure FDA0003378475290000011
其中θ0和θm为沿圆周方向曲线起始点和终止点角坐标，λ为频率系数，通过调整λ的大小生成压力面至吸力面处不同凹凸起伏型式；
步骤4：采用Bézier曲线编制流向端面走势，Bézier控制曲线为
Figure FDA0003378475290000021
其中
Figure FDA0003378475290000022
通过调整Bézier曲线上控制点Pi生成具有不同峰值大小以及不同峰值流向位置的曲线；
步骤5：通过步骤3和步骤4中周向控制函数和流向控制函数耦合生成各个控制点叠加轴向扰动，具体表达式为Δz(r,θ)＝A(r)f(θ)，将轴向扰动附加给离散点轴向坐标，从而将造型区域的平面端壁改造为具有凹凸起伏特征的双函数耦合型面；
步骤6：将步骤5生成的具有凹凸起伏特征的叶片扩压器造型区域与未造型区域光滑连接，组合成新的叶片扩压器非轴对称轮毂壁面。
2.根据权利要求1所述的双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，步骤1中，周向边界为相邻叶片中弧线，流向边界为造型关键区域即失速先兆出现位置上下游相对子午流线位置处的圆弧线。
3.根据权利要求1所述的双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，步骤2中，沿圆周方向每隔2°圆周角布置一条切割线。
4.根据权利要求1所述的双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，步骤3中，调节频率系数改变耦合型面从吸力面至压力面的凹凸形式。
5.根据权利要求1所述的双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，步骤4中，峰值大小取5％～15％叶高。
6.根据权利要求1所述的双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，步骤4中，峰值沿流向的位置沿流线方向变化，不局限于曲线中心位置。
7.根据权利要求1所述的双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，通过周向三角函数和流向Bézier曲线耦合生成三维型面，对离散控制点附加具有周向和流向叠加效应的轴向扰动。
8.根据权利要求1所述的双函数耦合型面调控扩压器端壁的离心压缩机扩稳方法，其特征在于，通过改变频率系数、峰值大小和峰值流向位置能够灵活地调控造型区域若干离散点的轴向扰动大小。
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