具有自适应功能的离心压缩机孔式机匣处理方法理论与实验研究

【摘要】：离心压缩机广泛应用于国民经济各部门,如石油、化工、冶金、钢铁、食品、纺织等各个行业。失速和喘振是离心压缩机在小流量工况下出现的非稳定流动现象,是决定压缩机稳定安全运行范围的重要因素。延缓压缩机失速、防止压缩机喘振、扩大压缩机的稳定工作范围,是压缩机设计研究的重要内容。 本文在对某半开式离心压缩机叶轮内部流动研究过程中,发现其叶顶区域存在较大范围的低速旋涡区。在此基础上,本文针对半开式离心压缩机提出了一种新的具有自适应功能的机匣处理方法——孔式机匣处理方法。该方法与传统机匣处理方法相比,流动通道结构、气流流动情况以及内部回流的作用均有不同,并具有自适应功能:即可根据实际运行工况条件,自动调节抽吸孔内流量,来适应(或达到)扩稳要求。在设计工况附近,抽吸孔内无流动及附加流动损失,可保持原设计点的压比、效率。在小流量工况,叶轮压比较高,抽吸孔内产生与叶轮内主流反向的抽吸气流,可延缓失速﹑喘振的发生。在大流量工况,叶轮压比较低,抽吸孔内存在与叶轮内主流同向的旁通气流,可增大堵塞流量。本文对此进行了深入细致地研究,主要研究内容和研究成果如下: 1)针对孔式机匣处理方法,进行了深入的理论与实验研究,实验结果表明:叶轮失速裕度可提高20%左右,同时堵塞裕度也获得提高,效率则基本保持不变。数值计算结果与实验结果吻合较好。 2)建立了转速为22790 r/min的高速离心压缩机非定常流动实验台,实验首次证实了不同压缩机进口流量工况下抽吸孔内确实存在着两种不同流动方向的气流,并且也证实了孔式机匣处理方法自适应功能的机理。数值计算结果同样也表明抽吸孔内存在着两种流动方向的气流。 3)采用定常和非定常的数值计算方法研究了孔式机匣处理方法对压缩机性能及叶轮内部流动的影响机理,发现孔式机匣处理方法主要改善了叶顶区域的流场,尤其是非定常的抽吸气流可改善叶轮进口叶顶区域的流场,这是该方法能够以较小的孔内抽吸流量(不超过压缩机进口流量的5%)得到近20%的失速裕度扩大效果的主要原因。这同时也表明叶顶区域流场对叶轮的稳定工作范围有重要影响。 4)建立了设计抽吸孔径向位置的计算公式,并对影响孔式机匣处理方法作用效果的因素进行了研究,发现抽吸孔的直径大小对孔式机匣处理方法影响显著,对于确定的压缩机叶轮,抽吸孔的直径大小存在最优值,而抽吸孔的数目对孔式机匣处理方法的影响较小,为孔式机匣处理方法的应用提供了重要的技术基础。