兩級(jí)串聯(lián)MVR 低溫升蒸汽壓縮機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

陳 勇，崔小健

（南通大通寶富風(fēng)機(jī)有限公司，江蘇 南通 226000）

1 研究背景

20 世紀(jì)80年代隨著中國(guó)對(duì)工業(yè)項(xiàng)目環(huán)保節(jié)能要求的提高，MVR 技術(shù)被引進(jìn)到國(guó)內(nèi)，MVR 是機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)（Mechanical Vapor Recompression）的簡(jiǎn)稱，是利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮做功，提升二次蒸汽的熱焓，導(dǎo)進(jìn)冷卻塔，冷卻塔的冷卻水循環(huán)預(yù)熱物料。如此循環(huán)向蒸發(fā)系統(tǒng)提供熱能，從而減少對(duì)外界能源的需求的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。

國(guó)產(chǎn)MVR 高溫升蒸汽壓縮機(jī)于21 世紀(jì)初期開(kāi)始起步，其中離心式高速壓縮機(jī)技術(shù)源自單級(jí)高速鼓風(fēng)機(jī)，普遍以高轉(zhuǎn)速（15000～35000 r/min）、溫升（10～24 ℃）為主，技術(shù)趨于成熟且已占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

低溫升MVR 壓縮機(jī)技術(shù)特征為低轉(zhuǎn)速（7000 r/min以下）、低溫升（8 ℃以下）。該產(chǎn)品技術(shù)含量較高，設(shè)計(jì)難度較大，加工制造難度低，目前國(guó)內(nèi)終端及總包用戶均依賴進(jìn)口。隨著國(guó)家政策法規(guī)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)廢水處理的要求日趨嚴(yán)格，MVR 蒸發(fā)器（包括低速壓縮機(jī)）的市場(chǎng)需求會(huì)越來(lái)越大。低速蒸汽壓縮機(jī)與單級(jí)高速蒸汽壓縮機(jī)相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，運(yùn)行更平穩(wěn)。

本文對(duì)用于MVR 蒸發(fā)器裝置的低溫升壓縮機(jī)的葉輪、蝸殼進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并分別對(duì)葉輪、整機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬。表1 為設(shè)計(jì)點(diǎn)技術(shù)要求。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)技術(shù)要求

2 一維設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)及性能分析

葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)是一個(gè)逆壓過(guò)程，葉輪的高速旋轉(zhuǎn)和葉道復(fù)雜幾何形狀都使其內(nèi)部流動(dòng)變成了非常復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)。本文數(shù)值計(jì)算采用TurboTides商用軟件包，基于k－ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

由于第二級(jí)需在第一級(jí)葉輪基礎(chǔ)上通過(guò)流道切割形式得到，因此主要對(duì)第一級(jí)葉輪進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，在完成第一級(jí)設(shè)計(jì)后再對(duì)第一級(jí)進(jìn)行切割，確定第二級(jí)的主要尺寸。

2.1 一維詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

鼓風(fēng)機(jī)采用葉輪+焊接蝸殼結(jié)構(gòu)布局，其中葉輪為封閉式葉輪，帶一體式導(dǎo)風(fēng)輪。具體參數(shù)參見(jiàn)表2、表3、表4 和圖1、圖2。

圖1 一級(jí)子午流道結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖2 二級(jí)子午流道結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表2 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 葉輪角度分布（第一級(jí)/第二級(jí)）

表4 蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 一維性能分析

基于上述的一維模型及表1 的設(shè)計(jì)條件，對(duì)其進(jìn)行性能分析，具體如表5、表6、表7 所示。

表6 葉輪一維設(shè)計(jì)點(diǎn)性能

表7 蝸殼一維設(shè)計(jì)點(diǎn)性能

由表5可知，一維評(píng)估出二級(jí)出口靜壓為157.56 kPa。在設(shè)計(jì)流量下，整機(jī)的氣動(dòng)消耗功率（不含盤(pán)損和泄漏損失）約為2297 kW，一、二級(jí)功率分別為1149 kW、1148 kW，總效率均達(dá)到或超過(guò)84%，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 一維設(shè)計(jì)點(diǎn)性能

3 詳細(xì)三維幾何造型及三維CFD 仿真性能分析

3.1 最終模型氣動(dòng)三維幾何造型

圖3 和圖4 為基于一維設(shè)計(jì)的最終三維氣動(dòng)模型示意圖。

圖3 三維幾何建模

圖4 兩級(jí)葉輪對(duì)比

3.2 詳細(xì)CFD 三維氣動(dòng)仿真

3.2.1 網(wǎng)格劃分及設(shè)計(jì)點(diǎn)性能分析

基于對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的研究，最終模型的一級(jí)網(wǎng)格量選取為55 萬(wàn)，二級(jí)網(wǎng)格量為58.5 萬(wàn)，在各邊界層網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)的加密處理，如圖5 所示。

圖5 三維仿真網(wǎng)格示意圖

對(duì)其設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行三維仿真計(jì)算如表8 所示。從表中可以看到，在設(shè)計(jì)流量25 kg/s 附近，出口靜壓157.74 kPa，60%額定流量時(shí)，出口靜壓156.2 kPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖6、圖7 為設(shè)計(jì)點(diǎn)流場(chǎng)的相對(duì)馬赫數(shù)及熵的分布云圖。

表8 三維CFD 設(shè)計(jì)點(diǎn)性能

圖6 葉輪相對(duì)速度分布云圖

圖7 葉輪熵分布云圖

3.2.2 非設(shè)計(jì)點(diǎn)氣動(dòng)性能分析

圖8、圖9 分別為第一、第二級(jí)三維氣動(dòng)仿真性能圖。其中，第二級(jí)的進(jìn)口邊界總壓均與第一級(jí)出口靜壓相等，進(jìn)口總溫為飽和蒸汽溫度。

圖8 一級(jí)CFD 仿真特性線圖

圖9 二級(jí)CFD 仿真特性線圖

4 結(jié)論

本文對(duì)用于MVR 蒸發(fā)器的兩級(jí)串聯(lián)低溫升壓縮機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，從上述氣動(dòng)詳細(xì)分析可知，仿真性能滿足設(shè)計(jì)要求。但設(shè)計(jì)和加工中存在一些技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)造成仿真性能與試驗(yàn)性能有偏差。盡管氣動(dòng)仿真計(jì)算能最大限度地模擬真實(shí)流場(chǎng)，但仿真計(jì)算仍然與真實(shí)流場(chǎng)有一定偏差，因此需要試驗(yàn)進(jìn)一步校核偏差量。加工及裝配也會(huì)造成機(jī)械誤差。設(shè)計(jì)中葉輪流道與葉型表面為光滑曲面，部件之間光順連接，而實(shí)際中，加工精度和裝配偏差均會(huì)造成一定的性能損失，需要盡量降低加工與裝配造成的機(jī)械損失。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，設(shè)計(jì)流量下，第一級(jí)及第二級(jí)壓縮機(jī)均滿足設(shè)計(jì)要求。