摘要：本文采用CFD技術研究離心壓縮機整級性能優化設計方法。首先用一元理論進行初始設計，應用全三維流場分析的方法分析葉輪、擴壓器以及回流器葉片參數變化對壓縮機性能的影響。在此基礎上，對主要幾何參數進行了優化設計。研究結果表明：通過在壓縮機運行過程中調節擴壓器葉片的角度，可以使壓縮機的最大效率和工況范圍均得到改善。對于本模型的壓縮機，效率可提高3%以上。優化設計后壓縮機整級氣動性能得到明顯改善。
關鍵詞：離心壓縮機；CFD；優化設計；數值模擬
中圖分類號： TH452 文獻標識碼：B
The Whole Stage Performance Optimization Design of Centrifugal Compressor Based on CFD
Abstract: The paper investigated the whole stage performance optimization design method of centrifugal compressor using computational fluid dynamics (CFD) technique. First, using the 1-D method to carry out initial design, on this basis, a full 3-D flow field analysis method was used to analyze the effect of the impeller, diffuser and return vane on performance of centrifugal compressor and the main parameters of which was also optimized. The results showed that adjustable diffuser vanes can improve the maximum efficiency of compressor and obtain much wider operating range during compressor operating process. For this model of compressor, the efficiency can increase more than 3%. The optimal compressor provide great increase in aerodynamic performance.
Key words: centrifugal compressor; CFD; design optimization; numerical simulation
0 引言
離心壓縮機是石化、冶金等過程工業的核心裝備，在國民經濟中發揮著極其重要的作用[1] 。特別是近年來，大型煤化工、天然氣儲運、深海油氣開采等能源領域的發展，使得其重要性更加突出。提高壓縮機設計效率與運行效率，拓寬工況范圍越來越受到國內外科學家的廣泛關注。開發高效精確的分析預測模型，研究壓縮機中各主要參數對其性能的影響是實現高效精確設計的基礎。隨著吳氏三元理論的提出，離心壓縮機的設計方法開始由幾何設計或二維氣動設計向準三維氣動設計及全三維氣動設計方法轉變[2] 。
隨著計算機流體力學（CFD）技術的發展，數值模擬逐漸成為流體機械內部流動分析的重要研究方法。目前，這種數值模擬的方法可以模擬復雜程度極高的粘性，非定常流動得到復雜流動現象中的細微結構，便于作孤立因素的優化分析，從而發現一些理論解不出、實驗測不到的新現象。Albert和Filippo用數值模擬的方法分別分析了進口流動分離以及葉片擴壓器對壓縮機性能的影響[3-4] 。CFD技術的發展同時也極大地豐富了離心壓縮機的設計方法，提高了設計效率，為離心壓縮機優化設計提供更好的條件。
本文結合一壓縮機試驗裝置的設計，應用先進的CFD技術開發離心壓縮機整級全三維數值模擬方法，分別分析了葉輪、擴壓器以及回流器葉片的包角、進口安裝角及出口角對壓縮機氣動性能的影響，并對初始設計幾何尺寸進一步優化設計，明顯提高了壓縮機的設計效率，為試驗研究提供了理論基礎。
1 離心壓縮機級的設計
1.1 設計說明
離心壓縮機試驗臺的設計包括葉輪、擴壓器和回流器三個部分，其中擴壓器要求為葉片式擴壓器、整級壓比為1.25。設計條件：進口溫度300K，進口壓力0.1MPa，流量3 000Nm3/h，工作介質為空氣，設計轉速12 000r/min。
1.2 初步設計結果
整級的氣動計算采用一元的計算方法。級的各部件的幾何參數根據文獻[5]中相關的經驗公式以及圖表確定。初步設計壓縮機整級各部件基本幾何參數見表1。 |
表 1 離心壓縮機整級主要幾何參數 參數名稱 | 數值 | 葉輪葉片數 Z 1 | 17 | 擴壓器葉片數 Z2 | 21 | 回流器葉片數 Z3 | 15 | 葉輪出口直徑 D 2 / mm | 320 | 葉輪葉片進口直徑 D1 / mm | 169.6 | 葉輪葉片進口安裝角 β1 /（°） | 31 | 葉輪葉片出口安裝角 β2 / （°） | 45 | 葉輪葉片進口寬度 b 1 / mm | 28.7 | 葉輪葉片出口寬度 b2 / mm | 13.4 | 擴壓器葉片進口直徑 D3 / mm | 410 | 擴壓器葉片出口直徑 D4 / mm | 497.6 | 擴壓器葉片進口寬度 b 3 / mm | 11.5 | 擴壓器葉片進口安裝角 β3 /（°） | 25 | 擴壓器葉片出口安裝角 β 4 /（ °） | 40 | 回流器入口直徑 D 5 / mm | 497.6 | 回流器入口寬度 b 5 / mm | 11.5 | 回流器葉片入口角度 β5 / （°） | 38 |
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2 原設計的數值分析
本文計算所用的整級離心壓縮機由進口段、葉輪、葉片擴壓器和回流器組成。整級各部分的基本幾何參數由第1節初步設計所示，級的設計流量3 000Nm3/h。設計轉速12 000r/min。
為了分析葉輪、擴壓器以及回流器對整級性能的影響以及優化設計。首先以葉輪作為基礎級計算，優化完葉輪葉片后在逐一加裝葉片擴壓器、彎道和回流器進行逐一優化直到整級達到較好的設計效果。計算區域見圖1。
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采用商用流體軟件CFX進行數值計算。CFX軟件采用基于附加修正技術的多重網格代數求解器，求解策略保證方程充分耦合(動量方程和連續方程同步求解)，從而使求解器具有較強的功能和效率。進行數值計算時，求解三維雷諾平均N-S方程，湍流模型采用標準κ-ε模型。
本文計算區域各部件的網格劃分應用CFX前處理軟件生成各流道的結構化網格。首先生成網格拓撲模塊，對拓撲網格進行優化調整，葉片附近采用O型網格加密，延伸區采用H型網格。保證網格最小面角大于25°，同時保證第一層網格節點與壁面的距離y+<20。整級計算網格見圖2。進口邊界條件給定總溫和總壓。出口給定質量流量。所有的固體壁面均采用無滑移絕熱邊界條件，近壁區采用壁面函數法處理。采取物理時間步長設定為 0.000 2s，收斂平均殘差設定為1.0e-5并采用本機并行計算來加快收斂。 |
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3 計算結果與分析
3.1 葉輪葉片主要幾何參數優化設計
本文應用第1節初始設計的幾何參數建模，首先對計算區域a進行計算，分別對葉輪葉片包角，出口角等主要幾何參數進行了優化設計并分析了這些參數對壓縮機葉輪性能的影響。
3.1.1 葉片包角變化對性能的影響
為了研究包角對葉輪整體性能的影響，在其他參數都不變的條件下，分別對包角為31°，36°，38°，41°，46°的葉輪進行模擬計算，其性能曲線見圖3。 |
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由圖3可以看出葉輪葉片包角θ對葉輪整體性能有較大影響。圖3a可得出，隨著包角的增加葉輪的最高效率點對應的流量逐漸減小，也就是說隨著包角的增加葉輪的最佳工況區向左偏移，葉輪在較小流量下運行具有較高的效率。同時圖3b看出，在葉輪穩定工況區內，葉輪相同流量下壓比隨包角增加而逐漸減小。圖3c給出在設計流量下葉輪各包角運行的效率圖，可看出在設計流量下葉輪包角增大，對應葉輪效率先增大后減小。可見葉輪在包角36°時多變效率最高。31°時雖然效率不是最高，但是工況曲線比較平坦，也是可以考慮的，只不過本文是以追求最高效率為優化目標。所以取36°為葉輪葉片包角優化值。
3.1.2 葉片出口角變化對性能的影響
葉輪出口角是影響葉輪性能的主要參數之一。葉片的彎曲形式不同，會使葉輪內部氣體流動狀況發生變化。為研究不同葉片出口角對葉輪性能的影響以及對初始設計的參數進行優化設計。在保證其他參數不變基礎上，分別對出口角為43°，45°，47°，49°，51°的葉片進行計算。圖3為各出口角對應性能曲線見圖4。 |
 
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由圖4a可以看出，隨著葉輪出口角的增加，葉輪效率曲線趨于平緩，葉輪穩定工況區變寬，葉輪在較大的流量下運行具有較高的效率。圖4b顯示出葉輪在穩定工況區內運行，隨著出口角增加壓比逐漸增大。圖4c得出葉輪在設計流量下運行效率隨出口角增加，效率先增加后減小，則出口角47°為該葉輪最優值。 3.2 擴壓器葉片主要幾何參數優化設計
在離心壓縮機中，葉片擴壓器對于提高壓縮機級效率和級壓比，改變最佳工況點位置，擴大穩定工作范圍起著十分重要的作用[6] 。而葉片擴壓器的進口角又是影響整個擴壓器性能的重要參數。為了繼續優化擴壓器葉片，本文對已優化完成的葉輪及初始設計的葉片擴壓器組成的區域b進行研究，分別對進口角為22°，25°，28°，30°擴壓器葉片進行計算。所得性能曲線見圖5。
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計算區域b只比計算區域a增加了擴壓器部分，因此計算結果充分反映葉片擴壓器對級性能的影響。由圖5a、5b看出隨著進口角的增加，計算區域的最高效率及壓比對應工況向右偏移。由上分析可知，增大擴壓器進口角使壓縮機在較大流量下運行的性能得到改善。圖5c可得出在設計工況下，最優的擴壓器進口角為28°。 3.3 回流器葉片主要幾何參數優化設計
計算區域c在區域b基礎上加裝了彎道與回流器構成整級壓縮機的計算域。為分析回流器進口角對整級性能的影響并進行優化，分別對葉片進口角為30°，35°，40°，45°，50°的整級壓縮機進行計算。所得性能曲線見圖6。 |
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圖6中看出回流器進口角的變化對整級壓縮機的性能影響不大。效率及壓比曲線走向比較一致，回流器葉片不同角度下影響不到0.08%。由圖6b可得優化后整級壓比滿足設計指標。由圖6c可得在設計流量下，回流器葉片的進口角與擴壓器出口角同為40°即沖角為0°時效率最高。 3.4 優化前后整級氣動性能分析
為了研究優化前后壓縮機整級性能情況，本文分別對初始設計壓縮機與優化后整級壓縮機進行數值模擬。分別給出優化前后葉輪葉片吸力面上的速度矢量以及整級子午面上的速度投影見圖7和圖8。 |
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圖7a和7b進行比較可得出優化設計后葉輪葉片出口速度更為均勻。葉輪出口靠近輪蓋側的低速區域有所減少。由于優化后葉輪出口尾流區減少，圖8中優化后壓縮機擴壓器內速度更為均勻二次流動區域有所減少從而使整級壓縮機氣動性能得到明顯改善。
4 結論
本文根據經驗公式對離心壓縮機整級做了初始設計，并對設計結果進行全三元整級數值模擬，通過模擬結果對壓縮機做出優化，設計滿足壓比指標的同時使整級效率得到改善。同時分析了葉輪、擴壓器以及回流器葉片主要幾何參數對整體性能的影響，并分析優化前后壓縮機整體的氣動性能，得出以下結論：
1） 對壓縮機葉輪主要幾何參數進行了優化設計，分析了葉輪包角、出口角對葉輪性能的影響。優化后葉輪性能曲線顯示，葉輪性能得到明顯的改善；
2） 通過在壓縮機運行過程中調節擴壓器葉片的角度，可以使壓縮機的最大效率和工況范圍均得到改善。對于本模型的壓縮機進行優化設計后效率可提高3%以上；
3） 回流器葉片進口安裝角對整級性能影響不太明顯，但仍能看出在進口0°沖角時回流器具有較好的流動性能；
4） 優化設計后壓縮機整級氣體動力學性能有所提高，整級的內部流動狀況明顯得到改善。 參 考 文 獻 [1] 黃鐘岳, 王曉放.透平式壓縮機[M].北京: 化學工業出版社，2004，8.
[2] Wu Chung- Hua: A General Theroy of Three- Dimensional Flow in Subsonic and Supersonic Turbomachines of Axial- ,Radial- , and Mixed - Flow Types [R] , Trans. ASME, 1952.
[3] Albert Kammerer,Reza S. Abhari.Unsteady Computational Fluid Dynamics Investigation on Inlet Distortion in a Centrifugal Compressor [J] Journal of Turbomachinery,2010,132:1-9.
[4] Michele Marconcini,Filippo Rubechini, Andrea Arnone, Seiichi lbaraki. Numerical Analysis of the Vaned Diffuser of a Transonic Centrifugal Compressor [J].Journal of Turbomachinery,2010,132:1-7.
[5] 潘永密，李斯特.化工機械[M].北京: 化學工業出版社，1979,5.
[6] 席光，周莉，丁海萍,等.葉片擴壓器進口安裝角對離心壓縮機性能影響的數值與實驗研究[J].工程熱物理學報，2006,27（1）:61-64. |
