CN117128187A - 一种应用闭式叶轮的离心压缩机扩稳增效的端壁处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种叶轮机械设计技术领域应用闭式叶轮的压缩机扩稳增效的端壁处理方法，设计一种端壁肋条，并将端壁肋条布置在轮盖端壁上，用于改善小流量工况下低能流体在闭式叶轮叶顶区域聚集造成叶轮通道堵塞的流动形态，同时优化闭式叶轮叶顶区域气流角；肋条分组阵列布置在轮盖端壁上，每个肋条组包括至少两个单独的肋条，每个肋条组中的肋条个数相同，每个肋条组中肋条的大小及布置角度相同；在轮盖端壁上至少布置三个肋条组。本发明简单有效，应用广泛，可对不同尺寸参数的离心压缩机闭式叶轮进行扩稳端壁处理的设计，达到了避免低能流体向闭式叶轮吸力面叶顶区域迁移而造成堵塞，引起叶轮失稳的目的。
Description
技术领域
本发明涉及的是压缩机技术领域的端壁处理方法，特别是一种可以拓宽闭式叶轮离心压缩机稳定工作范围的应用闭式叶轮的离心压缩机扩稳增效的端壁处理方法。
背景技术
闭式叶轮离心压缩机较开式叶轮压缩机具有效率高的显著优势，在诸多领域特别是特殊工质压缩方面得到了广泛应用。热力发电技术中以超临界二氧化碳闭式布雷顿循环为代表，其循环压力高，为了降低泄漏流和提高叶轮机效率，闭式叶轮成为超临界二氧化碳压缩机的首选形式。
为了提高超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环的整体效率，要求SCO2离心压缩机尽可能工作于CO2临界点附近，此时CO2的气体热物性在该区域呈现强烈非线性变化的真实气体特性，这给SCO2离心压缩机的稳定性带来新的挑战。目前国内外学者对SCO2离心压缩机的失稳机理方面通过数值仿真与试验进行了一定的探究，发现SCO2离心压缩机内部巨大的工作压力显著强化开式叶轮的泄露流是导致SCO2离心压缩机失稳的主要原因，因此采用闭式叶轮避免叶顶泄露流的存在可在一定程度上拓展压缩机运行范围。为了进一步拓宽稳定运行范围，常采用机匣处理流动控制方法，然而该方法都是针对开式叶轮提出，面向闭式叶轮设计扩稳机匣将更加复杂且难以实现。目前国内在超临界二氧化碳离心压缩机闭式叶轮增效扩稳方法领域暂属空白阶段。因此亟需发展一种针对超临界二氧化碳离心压缩机闭式叶轮的简单高效的扩稳方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种闭式叶轮的离心压缩机扩稳增效的端壁处理方法，它能够解决离心压缩机闭式叶轮内低能流体向吸力面叶顶区域迁移、聚集而引起流道堵塞，进而造成叶轮失稳的问题，能够拓宽闭式叶轮离心压缩机的稳定运行范围。本发明是通过对离心压缩机闭式叶轮轮盖壁面处理，在轮盖端壁设计肋条布置方案，阻挡轮盖表面的低能二次流迁移，同时肋条能够改善闭式叶轮叶顶进口气流角，优化叶顶区域流场，从而拓展离心压缩机稳定运行范围。
本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明包括闭式叶轮、轮盖、肋条，肋条布置在轮盖端壁上，用于改善小流量工况下低能流体在闭式叶轮叶顶区域聚集造成叶轮通道堵塞的流动形态，同时优化闭式叶轮叶顶区域气流角。
进一步地，在本发明中，肋条分组阵列布置在轮盖端壁上，每个肋条组包括至少两个单独的肋条，每个肋条组中的肋条个数相同，每个肋条组中肋条的大小及布置角度相同。
更进一步地，在本发明中，在轮盖端壁上至少布置三个肋条组。
在本发明中，肋条是经过专门的优化设计的。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明应用广泛，适应性强：可对不同尺寸的离心压缩机闭式叶轮轮盖进行扩稳端壁处理设计，通过CFD结果对比分析，权衡压缩机等熵效率以及喘振裕度，获得适应叶轮的最优端壁处理设计方案；简单经济，可行性强：在实际工程应用中，其实现仅需要加工肋条并在设计位置与轮盖进行焊接，后与叶轮闭合形成闭式叶轮即可，不需要复杂的扩稳结构，简单易行且能够实现空间紧凑性；高效扩稳：能够有效削弱闭式叶轮叶顶低动量二次流的迁移及累积，同时优化叶顶区域进口气流角，减少叶轮内的流动分离及回流，有效拓展离心压缩机稳定工作范围。
附图说明
图1为本发明实施例中叶轮和轮盖组合在一起后的结构示意图；
图2为本发明实施例中叶轮和轮盖组合在一起后的竖向剖面图；
图3为本发明实施例中叶轮和轮盖组合在一起后的俯视图；
图4为图3的局部放大图；
图5为本发明实施例中轮盖的结构示意图；
图6为本发明实施例中轮盖的竖向剖面图；
图7为本发明实施例中肋条的立体图；
图8为本发明实施例中肋条的俯视图；
图9为本发明实施例中肋条的左视图；
图10为本发明实施例中叶轮和肋条在一起后的结构示意图；
图11为图10的局部放大图；
图12为本发明实施例中肋条的设计流程图；
其中，1、闭式叶轮，2、肋条，3、轮盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
具体实施例如图1至图9所示所示，本发明包括闭式叶轮1、肋条2、轮盖3，肋条2分为十三组阵列布置在轮盖3的端壁上，每个肋条组均包括三个单独的肋条，每个肋条组中肋条的大小及布置角度相同。
在本实施例中，肋条的优化设计方法如图10至图12所示：
步骤一，以超临界二氧化碳压缩机闭式叶轮通道宽度为参考，设计肋条的长度L、厚度H、宽度W；
步骤二，将肋条设置在闭式叶轮轮盖上，通过设计肋条中心线与轴向垂线之间的偏移角度θ，设计肋条前缘与叶片前缘的偏移长度D，设计肋条间隔距离d这些位置参数将肋条布置在轮盖上设计位置；
步骤三，结合上述设计参数组成不同的肋条分布方案，针对小流量失稳工况对其进行仿真计算，通过压缩机等熵效率与喘振裕度计算公式来衡量不同设计方案对压缩机性能的影响；
步骤四，通过权衡不同设计方案下的等熵效率以及喘振裕度，确定最终采用的扩稳端壁处理肋条结构优化设计方案。
其中，步骤四中的压缩机等熵效率(1)以及喘振裕度(2)计算公式分别如下所示：
式中，hs2为出口等熵焓，单位kJ/kg；h1为叶轮进口总焓，单位kJ/kg；h2为压缩机出口总焓，单位kJ/kg。
式中，PR是压缩机压比，无量纲参数。是质量流量，单位kg/s。下标s与o分别代表喘振边界与设计工况。
本发明中端壁处理设计方法的工作原理主要是通过对闭式叶轮轮盖端壁设置不同分布类型的肋条，从而削弱离心压缩机闭式叶轮轮盖边界层的低能二次在压力梯度的作用下向吸力面叶顶区域迁移与聚集，进而减缓叶轮吸力面边界层的发展与分离；同时肋条能够对闭式叶轮轮盖区域的流动起到导流作用，优化叶顶的进口气流角，避免在小流量失稳工况下，由于进口气流角过大而导致叶轮局部失速。上述的工作原理能够有效拓展离心压缩机的稳定工作范围。
以上对本发明的具体操作方式进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定操作方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (3)
1.一种应用闭式叶轮的离心压缩机扩稳增效的端壁处理方法，其特征在于设计一种端壁肋条，并将端壁肋条布置在轮盖端壁上，用于改善小流量工况下低能流体在闭式叶轮叶顶区域聚集造成叶轮通道堵塞的流动形态，同时优化闭式叶轮叶顶区域气流角。
2.根据权利要求1所述的应用闭式叶轮的离心压缩机扩稳增效的端壁处理方法，其特征在于所述肋条分组阵列布置在轮盖端壁上，每个肋条组包括至少两个单独的肋条，每个肋条组中的肋条个数相同，每个肋条组中肋条的大小及布置角度相同。
3.根据权利要求2所述的应用闭式叶轮的离心压缩机扩稳增效的端壁处理方法，其特征在于在轮盖端壁上至少布置三个肋条组。
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