制冷式離心壓縮機(jī)模型級(jí)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

官文超

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司研究院，遼寧沈陽(yáng) 110869）

0 引言

離心式壓縮機(jī)不僅是基礎(chǔ)原料生產(chǎn)重要設(shè)備，同時(shí)也是能源消耗的大用戶。壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)整體性的工作，對(duì)壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不能僅僅只關(guān)注葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，離心機(jī)的擴(kuò)壓器、回流器、蝸殼等靜止元器件對(duì)整個(gè)離心機(jī)的性能也起到重要作用。本文將著重依據(jù)壓縮機(jī)動(dòng)、靜元件的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、匹配等方面進(jìn)行解析。

1 離心式壓縮機(jī)概述

離心式壓縮機(jī)是一種將氣體經(jīng)過壓縮機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)葉輪的離心力作用，后經(jīng)過擴(kuò)壓器擴(kuò)壓作用，使氣體壓力增加從而達(dá)到氣體壓縮運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備。離心壓縮機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，又叫透平式壓縮機(jī)，具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。

2 運(yùn)動(dòng)元件設(shè)計(jì)與分析

2.1 葉片的選型設(shè)計(jì)

葉片的選擇設(shè)計(jì)先對(duì)葉片葉型進(jìn)行設(shè)定以及葉片的進(jìn)出口角度的設(shè)置，葉片的數(shù)量設(shè)計(jì)選擇上要充分考慮葉片數(shù)量如果過多必然會(huì)導(dǎo)致葉片載荷降低，摩擦損失增大；如果設(shè)計(jì)選擇葉片數(shù)量過少，則葉片的載荷就會(huì)加大，同時(shí)因?yàn)槿~片間和氣體流動(dòng)方向的二次流影響，水力的損失也將隨之增加。

葉片形式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇，葉片進(jìn)口的沖角在葉片壓力面與吸力面上形成駐點(diǎn)是沖角不為零，合適的小沖角利于取得高效率點(diǎn)。葉片的出口安裝角度可以按照表1 進(jìn)行選擇。

表1 葉輪出口安裝角度范圍經(jīng)驗(yàn)值（°）

葉片弧線設(shè)計(jì)，葉片弧線因?yàn)槭苋~輪流道輪廓、包角等因素的影響，所以葉片的傾角是無法直接得出，常用公式1 進(jìn)行計(jì)算得出。葉片的弧線還應(yīng)該根據(jù)葉片的速度分布、壓力分布因素來進(jìn)行調(diào)節(jié)葉片的包角，進(jìn)而調(diào)節(jié)葉片的弧線。

式中 λ——葉片的前傾角度

r——葉輪入口輪蓋半徑

lr——葉輪正角線

ψ——轉(zhuǎn)角

2.2 葉片的分析

葉片壓力分析，葉片的壓力分析可以借助相應(yīng)的計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析，分析的結(jié)果應(yīng)當(dāng)是滿足壓縮機(jī)的工作原理，葉片的吸力面壓力小于葉片的壓力面壓力。葉片進(jìn)口區(qū)域的壓力到葉片出口區(qū)域的壓力應(yīng)當(dāng)是滿足不斷增大的趨勢(shì)。如在回轉(zhuǎn)面、吸里面的壓力分布不均勻，存在一定范圍的低壓區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致小范圍的漩渦現(xiàn)象。

葉片流場(chǎng)分析，分析應(yīng)當(dāng)滿足葉輪壓力面流動(dòng)現(xiàn)象均勻，無流動(dòng)分離現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)計(jì)流量情況下，擴(kuò)壓器內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)狀況較好，流動(dòng)且趨于穩(wěn)定。當(dāng)流量不斷的減小時(shí)，分離現(xiàn)象開始出現(xiàn)在葉片的邊界層上，同時(shí)葉輪的蓋側(cè)板上的流動(dòng)情況最先開始變化，葉輪腹部出現(xiàn)回流，整個(gè)葉輪的流道也出現(xiàn)分離渦。隨著流量的再進(jìn)一步的減弱，更多的流道中出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象。

2.3 葉片優(yōu)化

初始葉片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)難以直接達(dá)到理想狀態(tài)，在后期優(yōu)化過程中，首先應(yīng)當(dāng)考慮工況范圍的縮宅，葉片呈現(xiàn)主要的優(yōu)化問題是不能夠很好的滿足低流量的情況，因?yàn)榈土髁壳闆r下葉片的正沖角會(huì)增大，所以此時(shí)要根據(jù)此情況進(jìn)行葉輪進(jìn)口角度進(jìn)行調(diào)整。另還要著重考慮流程中的流動(dòng)分層和分離導(dǎo)致的漩渦現(xiàn)象，避免葉輪出現(xiàn)漩渦和流動(dòng)分離分層現(xiàn)象也是葉片優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)方向。

2.4 葉輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)口沖角設(shè)計(jì)及優(yōu)化

葉輪的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)首先考慮壓縮機(jī)運(yùn)行的自身轉(zhuǎn)速臨界值，在考慮滿足動(dòng)力的條件下，葉輪的轉(zhuǎn)速可以依據(jù)比轉(zhuǎn)速來進(jìn)行確定，葉輪的比轉(zhuǎn)速主要依據(jù)壓縮機(jī)工況條件下的壓力比來進(jìn)行計(jì)算。葉輪的最佳高效率比轉(zhuǎn)速0.705～1.018，同時(shí)確認(rèn)比壓力時(shí)還要滿足最高壓比工況條件。

葉輪進(jìn)口的沖角設(shè)計(jì)與壓縮機(jī)本身的設(shè)計(jì)流量具有較大的關(guān)系，同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的喘振大小也有很大的影響。當(dāng)采用負(fù)沖角時(shí)，壓縮機(jī)的流量達(dá)到最大值，同時(shí)葉輪的蓋側(cè)與頂板達(dá)到流量的速度的臨界值；當(dāng)采用正沖角，壓縮機(jī)在額定流量下喘振裕度過小，壓縮機(jī)的容量調(diào)節(jié)范圍減小，所以葉輪在滿足額定工況條件下應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮負(fù)沖角，一般的直紋曲面形式葉片（圖1）就廣泛使用工業(yè)應(yīng)用。

2.5 葉輪出口寬度及安裝角度設(shè)計(jì)

葉輪的出口寬度對(duì)流道有直接影響，當(dāng)葉輪寬度過小時(shí)，導(dǎo)致流道的水力直徑較小，從而增大了介質(zhì)摩擦損失，導(dǎo)致效率降低。當(dāng)葉輪寬度過大時(shí)，會(huì)影響流道的擴(kuò)張角度增大和擴(kuò)壓度的較小，導(dǎo)致效率的降低。壓縮機(jī)擴(kuò)壓器內(nèi)部葉輪安裝角度會(huì)影響介質(zhì)進(jìn)入擴(kuò)壓器的流動(dòng)，如安裝角度的不融合會(huì)阻擋介質(zhì)流入，使其產(chǎn)生能量損失，導(dǎo)致性能下降。嚴(yán)重會(huì)使葉輪的流道產(chǎn)生介質(zhì)旋轉(zhuǎn)掉速、回流、分層等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致介質(zhì)流動(dòng)阻塞。葉片的安裝與流量設(shè)計(jì)存在較大關(guān)系，也影響介質(zhì)的流動(dòng)，當(dāng)設(shè)計(jì)大流量時(shí)葉片的安裝角度應(yīng)當(dāng)選擇大角度，而設(shè)計(jì)小流量時(shí)葉片的安裝角度應(yīng)當(dāng)選擇小角度，這樣可以提高介質(zhì)的流動(dòng)特性和提高壓縮機(jī)的使用性能。

圖1 直紋曲面形式葉片

3 靜子元件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

擴(kuò)壓器主要作用是將壓縮機(jī)葉輪后的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓力，同時(shí)還可以延緩氣流分離從而擴(kuò)大葉輪的工作范圍。擴(kuò)壓器有有葉與無葉區(qū)分，有葉擴(kuò)壓器工作效率高，具有可以設(shè)定氣流流向角度以及通過增加半徑以增加減速擴(kuò)壓，從而達(dá)到擴(kuò)壓能力。無葉擴(kuò)壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，但缺點(diǎn)為氣流流向只能單一的螺旋運(yùn)動(dòng)，路徑長(zhǎng)，損失大，從而工作效率低。無葉擴(kuò)壓器，主要依據(jù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)需求，當(dāng)采用有葉擴(kuò)壓器時(shí)器葉片無法安裝在葉輪的出口，即采用無葉擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)。無葉擴(kuò)壓器主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為葉輪出口氣流速度快且不均勻，致使器能量損失較大，對(duì)葉片與擴(kuò)壓器的匹配性不利。主要的優(yōu)化方向是可以通過縮短無葉擴(kuò)壓器的長(zhǎng)度，增加擴(kuò)壓器的半徑用以減少增壓，避免擴(kuò)壓器的出口出現(xiàn)激波。對(duì)無葉擴(kuò)壓器進(jìn)行速度分析，葉輪的出口的徑向速度在進(jìn)入無葉擴(kuò)壓器時(shí)，輪盤側(cè)的徑向速度較高，而輪蓋側(cè)的徑向速度較低，而在進(jìn)入無葉擴(kuò)壓器后的徑向速度同樣是輪盤側(cè)徑向速度高于輪蓋側(cè)。最后徑向速度會(huì)隨著流通面積和流通半徑的增大而出現(xiàn)減弱，且為不均勻性的減弱。在無葉擴(kuò)壓器的內(nèi)部切向速度也會(huì)隨著流通面積的增加而減弱，當(dāng)無葉擴(kuò)壓器為收斂結(jié)構(gòu)形式時(shí)，沿葉高部分的速度分布較為均勻，當(dāng)為平行結(jié)構(gòu)時(shí)輪盤側(cè)的速度明顯大于輪盤蓋側(cè)。

有葉擴(kuò)壓器，有葉擴(kuò)壓器特點(diǎn)是流經(jīng)氣流可以隨著半徑的增加而讓速度降低，同時(shí)還可以控制設(shè)定氣流的偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而進(jìn)一步的提高擴(kuò)壓器的工作效率。無葉擴(kuò)壓器機(jī)構(gòu)雖然較有葉擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且在工況穩(wěn)定下運(yùn)行更加的穩(wěn)定和范圍廣，但有葉擴(kuò)壓器能夠控制氣流流動(dòng)角度，摩擦損失較小，能量損失也就較小。對(duì)其工況流體分析，隨著半徑的增大，其靜壓力增加，葉片擴(kuò)壓器內(nèi)的斜切邊段的是主要的靜壓力恢復(fù)區(qū)，但是同時(shí)在通過對(duì)擴(kuò)壓器的半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)對(duì)靜壓力的恢復(fù)十分有限，但是在對(duì)流道的長(zhǎng)度進(jìn)行增加時(shí)，因?yàn)闅饬髂Σ恋脑驅(qū)е缕淠Σ翐p失的加大，能量的損失增加。同時(shí)擴(kuò)壓器中的速度流場(chǎng)存在不均勻性，因?yàn)檫M(jìn)氣的三維特性，擴(kuò)壓器的輪蓋和輪盤雖然是平行的壁面，但氣流呈現(xiàn)的是三維特征，擴(kuò)壓器內(nèi)部的切向與徑向速度分布在葉高區(qū)域，隨著流通面積與半徑的增加，氣流的速度明顯降低，同時(shí)徑向速度從側(cè)盤流向輪蓋側(cè)速度均勻。

3.2 蝸殼設(shè)計(jì)與優(yōu)化

蝸殼是壓縮機(jī)導(dǎo)流與擴(kuò)壓的重要固定元件，與蝸殼匹配的元件和流動(dòng)狀況直接將影響設(shè)備的整體性能。蝸殼內(nèi)部器軸向和周向流動(dòng)都極為不均勻，在蝸殼內(nèi)部與流體之間的摩擦、壓力、離心力等因素使得蝸殼內(nèi)部的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜。

對(duì)蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)的分析可以借助相應(yīng)的計(jì)算軟件進(jìn)行分析，壓縮機(jī)蝸殼內(nèi)部進(jìn)口角的增大，靜壓力也不斷的隨之減小，從而也體現(xiàn)出蝸殼內(nèi)部氣流流動(dòng)的不均勻性。同樣蝸殼氣流出口位置的參數(shù)也是不均勻性的，其主要原因是擴(kuò)壓器出口氣體流動(dòng)與蝸殼內(nèi)部的流程的渦旋特性效果，進(jìn)而產(chǎn)生周向的不均勻性。蝸殼內(nèi)部橫截面的漩渦流動(dòng)隨著流量的增加而增加，在低的流量比狀況向漩渦值較小，反之在高比流量比值下漩渦值較大，主要的影響原因，在流量較小的時(shí)候，相對(duì)的擴(kuò)壓器氣體流動(dòng)速度較小，同時(shí)擴(kuò)壓器內(nèi)部流道在小流量時(shí)可能發(fā)生堵塞，更加進(jìn)一步的降低了速度，則漩渦值則小。同時(shí)蝸殼壓力分布也會(huì)隨著流量的增大而增加，當(dāng)靜壓力減小時(shí)，葉輪流道的不均勻性也明顯體現(xiàn)出來，致使葉輪流道產(chǎn)生周期性的堵塞現(xiàn)象。葉道的這種不規(guī)律運(yùn)動(dòng)直接將影響氣流流動(dòng)的角度的變化，使其流道載荷的不規(guī)律性，間接的是壓縮機(jī)的工作效率降低。

蝸殼內(nèi)部的氣流流動(dòng)損失的一般計(jì)算方法參照蝸殼內(nèi)部動(dòng)能損失公式。

式中 Δhx——蝸殼內(nèi)部動(dòng)能損失總和

Δhr——蝸殼內(nèi)部徑向沖擊的動(dòng)能損失

Δhm——蝸殼內(nèi)部周向沖擊的動(dòng)能損失

Δhf——蝸殼內(nèi)部壁面與氣流摩擦產(chǎn)生的動(dòng)能損失

Δhd——蝸殼橫截面到蝸殼出口位置橫截面管道擴(kuò)張的動(dòng)能損失

ζ——蝸殼內(nèi)部徑向沖擊動(dòng)能損失系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

以壓縮機(jī)模型級(jí)的動(dòng)、靜元件為主要的分析對(duì)象，對(duì)其各個(gè)設(shè)計(jì)和優(yōu)化要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述分析，并依據(jù)各個(gè)種工況下對(duì)其運(yùn)動(dòng)元件葉輪進(jìn)行系統(tǒng)的闡述了設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化方向，對(duì)壓縮機(jī)的靜子元件擴(kuò)壓器及蝸殼也進(jìn)行了詳細(xì)的分析對(duì)比，羅列了不同的設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化點(diǎn)。同時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分析模擬要充分的結(jié)合相關(guān)的運(yùn)動(dòng)元件葉輪、靜子元件擴(kuò)壓器、蝸殼等進(jìn)行統(tǒng)一的模擬分析對(duì)比，才能得出完整科學(xué)的數(shù)據(jù)，這樣才能為壓縮機(jī)后期的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)正確的設(shè)計(jì)依據(jù)。