軸向切割在壓縮機改造中的應用分析

夏征盛　+程超

摘 要：通過對國內某石化企業用軸流段與離心段聯合式壓縮機實際運行需求與設計能力的差異進行分析，提出減小設計流量而不降低機組效率和做功能力的方法，并對其中的離心段葉輪軸向切割方法進行了數值驗證，驗證結果表明軸向切割方法可以有效減小離心段的設計流量，同時離心段效率和做功能力略有提升，滿足企業實際需求。

關鍵詞：壓縮機；軸向切割；數值分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.210

0 引言

國內某石化分公司三催化機組采用國外設備，該設備屬于軸流段+離心段聯合式壓縮機組，其中軸流段為13級壓縮，部分靜葉可調，離心段為1級壓縮，以下稱為復合式壓縮機。由于機組目前實際生產所需要的流量是機組設計流量的85%，機組長期處于放空運行狀態，大量能量白白損耗，運行成本增高，而且放空噪音巨大，對環境造成二次污染。鑒于此，通過對該機組進行分析，提出對該機組進行節能降噪改造，減少流量的同時保證出口壓力、機組效率與設計參數相比無負偏差，以提高機組運行經濟性。

1 計算方法

首先確定機組軸流段氣動設計的基本原則為改變葉型流道以滿足實際需求。經過詳細計算，新承缸內徑減少4.35%，再通過部分靜葉調節能滿足改造要求。

然后進行離心段改造，該復合式壓縮機的離心段原始結構參數為：葉輪入口直徑D0=714mm，葉輪出口直徑D2=1000mm，葉輪出口寬度=71.5mm，葉輪葉片入口、出口安裝角為38?、45 ?，葉輪葉片厚度=21mm，葉輪葉片數=15。

該離心葉輪葉型為二維機翼型，為了保證改造后性能變化在允許范圍內，最簡單有效的辦法就是對葉輪進行軸向或徑向切割，由于徑向切割后，葉輪與擴壓器間的間隙增大，加大了葉輪流動的泄露損失，對效率影響很大，此處為了保證壓縮機的效率不變，對離心葉輪進行了等軸向比例蓋側切割變型設計，葉輪出口寬度減小，輪蓋傾角保持不變，同時為了使離心葉輪段入口與軸流段出口匹配，離心葉輪新D0與軸流段靜葉承缸出口內徑保持一致。

最后為了盡可能少的變動原機組，我們希望僅變動葉輪，保持無葉擴壓器不變，從相關資料[1-2]上可以看出，擴壓器寬度和葉輪的匹配對機組性能有一定的影響，因此本文也考慮了無葉擴壓器寬度對機組性能的影響，對三種方案即改造前的原始葉輪和擴壓器，改造A方案（葉輪和擴壓器均改變），改造B方案（僅葉輪改變，擴壓器不變），采用CFD（computational fluid dynamics）數值計算方法進行了詳細計算分析，三種方案的結構尺寸見表1。

2 計算網格

圖1為三種方案示意圖，表1為該三種方案的結構尺寸變化。三種方案的網格數分別為370000、320000、320000，網格最小正交角分別為14.5?、19.8 ?、14.4 ?，網格均為六面體結構化網格，以提高計算精度。

3 邊界條件

三種方案的邊界條件為：轉速5827r/min，入口總壓3.8bar（A），入口總溫200℃，出口總壓4.47bar（A）。

4 結果分析

數值計算利用商業計算軟件Numeca的euranus求解器求解三維定常湍流Navier-Stokes方程組，由于葉輪機械的周期性，采用了對1個葉輪通道聯合無葉擴壓器進行定常計算， 葉輪流道采用Autogrid劃分網格，擴壓器采用IGG劃分網格，葉輪與擴壓器之間的動/靜交接面采用周向平均法進行相關物理量的傳遞，空間差分采用中心差分格式。所有的收斂計算中近邊界層的Y+均小于10，收斂殘差均小于10-5，表明數值求解的結果可靠，收斂值為真值，數值結果具有網格無關性。

對改造前（Original）、A、B三種方案進行了湍流模型校驗對比。依據經驗，S-A湍流模型和標準K-ε湍流模型的工程應用非常廣泛，有一定的精度，因此為了簡化計算資源，僅對上述兩種湍流模型進行了對比計算。特性參數計算結果如表2所示。

從計算結果來看，S-A模型在改造前、A方案和B方案的效率計算中偏離過大，同時從軟件使用者的文獻來看[3-6]，標準K-ε模型比K-A模型精確度更高，更符合實際工程需求，因此后續我們都以標準湍流模型的模擬結果進行比較。

從表2的標準K-ε湍流模型特性參數計算結果中可以發現，A方案、B方案的流量相比改造前均大幅度減少，A方案減少14.7%，B方案減少14.5%，與用戶要求的流量減少15%相當；A方案、B方案的效率相比改造前略有提升， A方案效率提高了0.65%，B方案效率提高了0.32%，滿足用戶要求的改造后效率不能有負偏差；A方案、B方案的靜壓比相比改造前略有提升，A方案靜壓比提高了0.76%，B方案效率提高了0.82%，滿足用戶要求的改造后壓力不能有負偏差。從上述比較可以看出，B方案能夠滿足用戶目前的實際運行需求。

圖2為三種方案葉輪和擴壓器子午流面的相對速度分布圖，由于方案B的葉輪出口寬度小于擴壓器入口寬度，圖2顯示出該無葉擴壓器靠近輪蓋側有一個低能渦存在，增大了能量損耗，對效率有一定影響，但是從相對流線的發展來看，主流速度較高，該渦區迅速衰減，到無葉擴壓器出口時已經看不出該渦區的影響，因此對壓縮機的性能影響有限。

5 結論

（1）驗證了在工程應用中，采用標準湍流模型比湍流模型精確度更高，更符合工程實際。

（2）通過對該復合式壓縮機離心段進行改造分析，可以看出改造后機組流量有一定程度的減少，同時機組效率和壓力都略有提升，表明軸向切割方法應用在機組改造中完全滿足用戶要求。

（3）葉輪出口寬度與擴壓器寬度一致時效率最高，葉輪出口寬度小于擴壓器寬度時，會帶來部分能量損耗，有低動能的渦區存在，但是當氣流速度足夠大時，渦區的影響被消弱到最小，對壓縮機的效率、能頭影響較小。

參考文獻：

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[2]劉海清，張宏武.某帶無葉擴壓器的離心壓縮機內部流動特性與穩定性分析[J].風機技術，2013（04）：17-20.

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[6]王曉峰.基于三維粘性流場分析的離心壓縮機葉輪近似模型優化設計[D].西安交通大學博士論文，2006.

作者簡介：程超（1980-），男，在職博士生，研究方向：離心壓縮機性能改進研究。endprint