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多级轴流式压气机内部流场分析和优化设计

苏赫  
【摘要】:本文是在国家973项目资助下,结合钢铁企业开展风机节能的实际需要而开展的。钢铁行业中的高炉鼓风机随着钢铁生产过程和季节的变化,经常处于变工况运行状态,这就对其变工况特性提出更高的要求。另外,为了适应现代快节奏、高效率的生产要求,需要加快高炉设备的投料速度,进而需要更高的高炉鼓风机排气压力。 本文对某13级轴流式压气机的内部流场进行全三维数值模拟数值分析。针对原型机变工况运行时静叶吸力面角区位置流动分离较为严重的情况,首先进行正弯优化设计,探讨正弯叶片的引入在全工况范围内对压气机的流动特性带来的影响,并重点分析改型前后近喘振点的流场特征。结果表明,适当的正弯效果可以抑制角区分离的发生和发展,从而恢复角区的扩压能力,同时级间匹配良好,变工况性能明显好于原型,整个流场获得改善,最终压气机的压比、效率和喘振裕度均有所提高。 此外,通过分析静叶轮毂间隙对流动的影响,发现由于端壁移动方向、泄漏流方向均与原先吸力面端壁处的分离涡方向相反,能在一定程度上抑制分离流动,所以合理的间隙流、端壁旋转都会使压气机流动特性获得提升。在静止端壁边界条件下,适当间隙范围内流动效率随着间隙的增大提升;在旋转端壁边界条件下,当间隙增大到一定程度时,流动效率随着间隙的增大下降。 要设计一台新的多级轴流压气机,在现有压气机的基础上进行加零级设计来增加质量流量或提高压比以得到满足新要求的压气机,可以很大程度上缩短设计周期、增加设计可靠性、降低设计成本。本文在原13级轴流压气机基础上,采用模化加零级设计方案提高压比。通过反复计算确定零级设计方案,成功地将原13级轴流压气机流量提高9.5%、压比提高18%,加零级后新设计的压气机与原13级轴流压气机匹配良好,加级后压气机基本能够稳定运行,改型达到预期要求。


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