基于FLUENT的CO2壓縮機工作特性的優化研究

孫麗娟

（山西晉豐煤化工有限責任公司， 山西 高平 048400）

引言

CO2壓縮機作為一種核心的動力循環系統，被廣泛應用在工業生產的各個方面，主要以超臨界CO2作為工作動力源，具有壓縮效率高、功耗低的優點[1]。CO2在超臨界狀態下對工作溫度和壓力的變化極為敏感，導致在壓縮機葉片表面出現較大的氣流分離現象，流量損失嚴重，極大影響了壓縮機的工作穩定性和效率。因此本文提出利用FLUENT流體仿真分析軟件對壓縮機在工作時的流場特性進行研究，分析壓縮機葉片的長度系數對其工作穩定性和效率的影響。

1 壓縮機內部流場研究方案

為了提升對壓縮機內部流場研究的準確性，以某型CO2壓縮機作為本次分析的對象，該壓縮機的葉輪主要由六組主葉片以及六組分流葉片組合而成，風機主葉片的長度為26 mm，風流葉片的長度為13 mm，葉輪直徑為58.64 mm，壓縮機工作時的進口壓力為6.6 MPa，工作轉速為76 000 r/min。利用三維建模軟件建立壓縮機葉輪的三維結構模型，采用正四面體網格劃分方案對其進行網格劃分，共劃分網格23.4萬個。利用FLUENT流體仿真分析軟件，對風機在運行狀態下的流場特性進行研究，對其進行數模分析時采用了k-ε湍流模型，CO2壓縮機葉輪網格模型如圖1所示。

對壓縮機工作時內部的流場特點進行分析，其葉片吸力面（SS面）和壓力面（PS面）的靜溫和干燥度[2]分布如圖2所示。

由圖2可知，壓縮機工作時在葉片的SS面的前端邊緣處表現出了較小的靜溫，同樣在此位置所對應的干度也相對較小。從不同葉面上干度的分布情況來看，在壓縮機葉片的前邊緣處的干度為1，在葉頂的位置干度為0，由此表明當壓縮機工作時超臨界的二氧化碳氣流在葉片頂部位置附近產生了分離的氣流，在葉片高速旋轉切割作用下產生了順壓梯度加速，使處于超臨界狀態下的CO2出現了凝結，因此通過對葉片長度的改變能夠對氣流的分離情況進行調整，滿足優化需求。

圖1 壓縮機葉輪網格結構示意圖

圖2 葉片表面靜溫和干燥度分布情況示意圖

2 葉片長度對壓縮機工作特性影響的研究

由于壓縮機工作時的流場特性是風機主風葉和分流風葉共同作用下的結果，因此為了便于分析，引入了葉片長度系數[3]，該長度系數是分流葉片長度和主葉片長度的比值，將長度系數分別設置為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，其中壓縮機風葉長度系數L的原始系數為0.5，對不同情況下的流場特性進行分析，長度系數不同情況下壓縮機運行的效率和堵塞流量變化情況如下頁圖3所示。

由圖3可知：當隨著葉片長度系數的變化，壓縮機的工作效率先減小然后增加，當超過0.5后工作效率變化量基本趨于穩定，維持在86%左右，當葉片長度系數為0.4時壓縮機的工作效率最低，約為84.2%，這主要是由于在此工況下氣流波動大，導致風機運行時產生了較為明顯的喘振，極大地影響了壓縮機的運行效率。壓縮機工作時的堵塞流量隨著長度系數的增加整體上呈現先變大后減小的情況，當葉片長度系數為0.4時壓縮機的阻塞流量最大，達到了6.85 kg/s，超過0.6時阻塞流量迅速降低，約為6.63 kg/s，比正常情況下降低了2.42%。

圖3 不同長度系數下壓縮機效率和堵塞流量變化情況

相對馬赫系數[4]是表示氣流葉片內流動均勻性的重要參數，能夠反映出氣流運行狀態機壓縮機運行時的穩定性情況，在壓縮機在不同的葉片長度系數下的相對馬赫數分布如圖4所示。

圖4 不同長度系數下葉片相對馬赫數變化情況

由圖4可知，當葉片的長度系數為0.4時，在壓縮機葉輪的主葉片上分布著較大范圍的低流速的氣流團，這些低流速的氣流團分布在葉片上，隨著葉片的轉動在壓縮機通道內形成大的擴張，使內部流到出現堵塞，加大了壓縮機內部氣流的不穩定運行情況。當葉片的長度系數為0.5和0.6的情況下，壓縮機葉輪的主葉片邊緣上還存在著一定的低流速團體，但低流速團體的量比0.4情況下得到明顯的好轉，這主要是由于分流葉片長度的增加導致了對低流速團體切割擾動作用的增強，抑制了低流速團體在壓縮機內的擴張，消除了葉片高壓力面一側的不穩定氣流，提升了壓縮機運行過程中的穩定性。當葉片長度系數為0.7時，基本能夠消除風葉運行過程中的不穩定氣流。

綜合分析可知，當壓縮機的葉片系數大于0.6時能夠確保壓縮機在最佳工作效率情況下降低運行過程中的阻塞流量和運行不穩定性需求。

3 結論

1）當葉片系數超過0.5后，壓縮機的工作效率變化量基本趨于穩定，維持在86%左右，當葉片系數為0.6時壓縮機構工作時的阻塞流量迅速降低，約為6.63 kg/s，比正常情況下降低了2.42%。

2）葉片長度系數為0.7時，基本能夠消除風葉運行過程中的不穩定氣流，顯著提升壓縮機運行的穩定性。

3）當壓縮機的葉片系數大于0.6時能夠確保壓縮機在最佳工作效率情況下降低運行過程中的阻塞流量和運行不穩定性需求，顯著提升二氧化碳壓縮機運行過程中的穩定性和經濟性。