離心壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉研究綜述9

1、離心壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉研究綜述譚佳健毛義軍祁大同/西安交通人學(xué)能源與動力工程學(xué)院 王 銳 王學(xué)軍/沈陽鼓風(fēng)機(集團)有限公司摘要：綜述了國內(nèi)外對離心式壓縮機可調(diào)進口 導(dǎo)葉的研究狀況，概括性地分類介紹了目前研 究熱點中取得的成績和而臨的問題，并對相關(guān) 問題進行了探討。關(guān)鍵詞：離心式壓縮機 可調(diào)進口導(dǎo)葉綜述 中圖分類號：th452 文獻標識碼：a 文章編號：1006-8155 (2006) 03-0044-06research overview on adjustable inlet guide vane for centrifugal compressor abstract: the domes

2、tic and oversea research state of inlet guide vane of centrifugal compressor is summarized, the development and problems in research are introduced briefly, and the relative problems are discussed key words: centrifugal compressor adjustable inlet guide vane overview1引言人多數(shù)離心式壓縮機在實際運行時都是 在一定工況范圍內(nèi)工作，僅

3、在一個工況點運 行的悄況綾少。所以，除提高設(shè)計點的效率 之外，提高離心式圧縮機的調(diào)節(jié)性能也是節(jié) 約能源的有效途徑之一。離心式壓縮機常用的調(diào)節(jié)方法有進出口 節(jié)流、可調(diào)進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)、可調(diào)葉片擴壓器 調(diào)節(jié)和變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等。其中，可調(diào)進口導(dǎo)葉 (variable inlet guide vanes,簡稱vigv)調(diào)節(jié) 是通過改變?nèi)~倫進口導(dǎo)葉的安裝角從而改變 氣流預(yù)旋的調(diào)節(jié)方法。與變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相比， 這種調(diào)節(jié)方式雖然效率較低，但在某些方面 有自己的特色,如：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)札i對比較簡單, 可以在不停車的條件下進行調(diào)節(jié)，利用伺服 機構(gòu)還可實現(xiàn)自動化。因此，具有廣闊的應(yīng) 用前景與研究價值?？烧{(diào)進口導(dǎo)葉在20世紀50年

4、代初就已 經(jīng)用于風(fēng)機調(diào)節(jié)，到8()年代后期，國外對 離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉開始了比較全 面的理論和試驗研究，取得了較人的進步。 而國內(nèi)的研究普遍要晚于國外，總體水平與 國外尚冇一定差距。冃前，國內(nèi)外學(xué)者對離 心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉的研究主要集中 在可調(diào)進口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)性能、相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù) 對導(dǎo)葉性能的影響、可調(diào)進口導(dǎo)葉與葉輪非 定常相干作用、可調(diào)進口導(dǎo)葉的常見故障及 處理等方而。2可調(diào)進口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)性能通常，評價可調(diào)進口導(dǎo)葉性能的主要標 準有兩個：一是調(diào)節(jié)范圍的大??；二是調(diào)節(jié) 效率的高低。調(diào)節(jié)效率是指整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi) 或某一規(guī)定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的平均效率。2. 1調(diào)節(jié)范圍西安交通大學(xué)空氣動力實驗室曾對一

5、 個離心式壓縮機級進行了進氣預(yù)旋試驗，得 出了預(yù)旋角分別為,一21°,-17°,0°,+10°時 的級性能曲線。試驗表明，當正預(yù)旋增加時, 饑下降,能量頭曲線屮=g就向左下 方'移動；當負預(yù)旋增人時，想增大，能量 頭曲線屮=f e就向右上方移動，從而使 穩(wěn)定工況范圍擴人叫 williams進行了壓比 為1.7的過程壓縮機的試驗，在+60°的進口 預(yù)旋介下，測得喘振線往小流雖方向移動， 壓縮機的穩(wěn)定工況范圍擴人。隨后， rodgers對壓比為5的小型燃氣透平壓氣機 試驗表明，在+40°的進口預(yù)旋介下，喘振 線同樣往小流量方向移動

6、，穩(wěn)定工況范圍也 得到了擴大。yuji iwakiri151對帶可調(diào)進口 導(dǎo)葉的小型離心式壓縮機的性能進行了三 維cfd研究，并且針對不同的可調(diào)進口導(dǎo)葉 安裝角，用試驗驗證了安裝角分別為(t， +12°，+24°，+36°，+48°，+60"時，喘 振流量隨可調(diào)進口導(dǎo)葉安裝角的增人而減 小，與無預(yù)旋流動相比最人可減小14%。2.2調(diào)節(jié)效率理想的可調(diào)進口導(dǎo)葉不僅僅需要有較 寬的調(diào)節(jié)范i韋i，還要求有較高的效率，即較 低的損失。從其調(diào)節(jié)原理來看，它既有-預(yù)旋 效應(yīng)，又有節(jié)流效應(yīng)。當壓縮機負荷變化不 人即導(dǎo)葉安裝和較小時，預(yù)旋效應(yīng)占主導(dǎo)地 位，如果導(dǎo)

7、葉葉型設(shè)計較好，具有良好的氣 動性能，這樣其產(chǎn)生的損失就較小。西安交 通大學(xué)空氣動力實驗室的進氣預(yù)旋試驗還 表明，在導(dǎo)葉安裝角較小的調(diào)節(jié)范圍內(nèi) (-26°+10°)，與無預(yù)旋相比,最高級效 率值變化并不人，效率曲線的形狀及平坦程 度也相差無幾，具有較高的調(diào)節(jié)效率。而當 負荷變化大，即導(dǎo)葉安裝角較大吋，節(jié)流效 應(yīng)占主導(dǎo)地位，這時就同節(jié)流調(diào)節(jié)一樣，調(diào) 節(jié)效率就較低。另外，當導(dǎo)葉安裝角較人時, 在可調(diào)進口導(dǎo)葉的前緣會產(chǎn)生較大的沖擊 損失，且氣流通過導(dǎo)葉產(chǎn)生預(yù)旋后，氣流方 向與葉輪葉片進口安裝如不一致，也會產(chǎn)生 沖擊損失，導(dǎo)致效率降低。值得指出的是， 采用可調(diào)進i i導(dǎo)葉負預(yù)旋調(diào)節(jié)

8、時，理論上可 以提高離心式壓縮機的壓力和流最，但卻能 導(dǎo)致葉輪進口氣流相對速度的馬赫數(shù)增大， 從而增大損失。因此，采用負預(yù)旋調(diào)節(jié)時， 調(diào)節(jié)范圍應(yīng)有一定的限度血7j3結(jié)構(gòu)參數(shù)對可調(diào)進口導(dǎo)葉性能的 影響3.1通道幾何形狀對性能的影響3.1.1柱狀壞形通道swain181 使用 dawes cfd 程序 btob3d 實現(xiàn)了對可調(diào)進口導(dǎo)葉柱狀壞形通道性能 的數(shù)值研究，但其忽略了在不同導(dǎo)葉安裝角 下葉頂間隙的變化和內(nèi)壁的影響，隨后 coppinger 和 swain 使川 cfx tasc-flow 進 行數(shù)值分析得到了比較準確的結(jié)果，指出可 調(diào)進口導(dǎo)葉系統(tǒng)柱狀壞形通道的3個不利z 處叫(1) 在導(dǎo)葉

9、安裝角較大時，進氣通道 中心存在一個明顯的泄漏區(qū)域，這個區(qū)域?qū)?會導(dǎo)致產(chǎn)牛軸向射流。(b)(a) 葉頂附近的速度矢量(b) 葉根附近的速度矢量圖1(2) 在中等導(dǎo)葉安裝角(30°60°)時, 葉頂處打開了一個間隙區(qū)域，這個間隙導(dǎo)致 損失增人。(3) 在導(dǎo)葉安裝角較人時，氣流通過 導(dǎo)流葉片時會出現(xiàn)很大的壓降，而在葉頂相 對具轉(zhuǎn)軸是懸臂的，這將導(dǎo)致葉片承受較人 的彎矩。圖1表示了柱狀環(huán)形通道對調(diào)進口導(dǎo) 葉在安裝角為+30°時的導(dǎo)葉葉頂和葉根附 近的速度矢量圖。3.1.2球狀環(huán)形通道為改進柱狀環(huán)形通道的性能，swain采 用了球狀環(huán)形通道來減少導(dǎo)葉葉頂、葉根附 近的葉片

10、間隙。從圖2屮通道幾何形狀的比 較町以看出，利用球狀環(huán)形通道內(nèi)壁面配合 葉頂和葉根為圓弧形狀的導(dǎo)葉示，可以明顯 減少導(dǎo)葉葉頂、葉根附近的葉片間隙，并且 對于任何導(dǎo)葉安裝角時葉頂、葉根附近的葉 片間隙都怛定不變。圖3為球狀環(huán)形通道可 調(diào)進口導(dǎo)葉系統(tǒng)在葉片安裝角為+30°時葉 頂和葉根附近的速度矢量圖。swain研究指 出岡，與柱狀環(huán)形通道設(shè)計相比，這種新型(a)柱狀環(huán)形通道(b)球狀環(huán)形通道圖2柱狀和球狀環(huán)形vigv通道截面的比較葉片和通道可使氣流通過vigv系統(tǒng)時的總 壓損失明顯減少。3.1.3鬪錐形通道球狀環(huán)形通道內(nèi)壁血配合葉頂和葉根 為圓弧形狀的導(dǎo)葉，可以最小化在所有安裝 角時的

11、葉丿丫間隙,但是它在葉輪進口之前產(chǎn) 生了一個彎曲通道截面。于這個彎曲通道截血，從而導(dǎo)致了邊界層分 離。coppinger和swain"】經(jīng)cfd分析后， 嘗試川葉頂處為闘錐形的內(nèi)壁面來代替球 狀環(huán)形通道內(nèi)壁血從而消除分離團和減少 通道損失，如圖5。經(jīng)試驗證實，在葉頂處 采丿ij閲錐形的內(nèi)壁面后分離團的確減少了, 但是并不能減少導(dǎo)葉系統(tǒng)損失。圖4 了午面視圖屮出現(xiàn)的分離團正是由圖3 (a)葉頂附近的速度矢量(球狀環(huán)形通道及vigv安裝角為+30“)(b)葉根附近的速度矢量(球狀環(huán)形通道及vigv女裝角為+30°)圖4球狀壞形通道內(nèi)壁面引起的分離圖5圓錐形和球狀通道截面幾何形狀

12、3.2導(dǎo)葉葉型對性能的影響321平板葉片swain使用bt0b3d測試了節(jié)弦比為1 的13個平板葉片，英安裝角范圍為-20。 +90 cfd測試結(jié)果如圖6?？梢钥闯?， 流面速度矢量分布冇了明顯的改進，但是在 導(dǎo)葉安裝角約為60°時，葉片吸力面上分離 團有所發(fā)展，分離團的發(fā)展惡化了流動性 能，并冃導(dǎo)致了在導(dǎo)葉安裝角較大時系統(tǒng)總 損失增大。vector seo e «1圖6葉頂附近的速度矢量分布（+6（r安裝角時）3.2.2組合葉片為了最小化葉片吸力面上的分離，從而 減少相關(guān)的壓力損失，必須減小導(dǎo)葉安裝角 較大時產(chǎn)牛.的沖角。coppinger和swain9 提出了使用組合葉片

13、（tandem vane）,其i巾f 前緣保持與軸向進口流動一致并尾緣可 以關(guān)于前緣轉(zhuǎn)動，所以這種葉型在所有安裝 角下均可獲得小沖用，如圖7。組合葉片速 度矢量圖如圖8所示，與圖6平板葉片的速 度欠量圖比較可以看出，在葉頂附近葉片吸 力面上的分離團幾乎完全消除，氣動性能也圖7組合葉片（-）0安裝角時）有了明顯的改善。coppinger和swain也通 過試驗證實了其cfd預(yù)測結(jié)果。圖8葉頂附近的速度欠量分布（+60'安裝角時） 3. 3導(dǎo)葉裝置直徑及葉輪進出口直徑比對 ，性能的影響離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉裝置調(diào)節(jié) 效率的高低，主要取決于可調(diào)進口導(dǎo)葉裝置 的結(jié)構(gòu)型式和壓縮機的結(jié)構(gòu)特征。在

14、此主要 介紹了 nj調(diào)進口導(dǎo)葉裝置的直徑和葉輪進 出口直徑比的影響?？烧{(diào)進口導(dǎo)葉裝置的肓徑一般都選用 大于或等于葉輪的進口直徑，雖然當大于葉 輪進口直徑0吋，壓縮機效率并沒有很人 的提高，但是可以明顯地擴人調(diào)節(jié)范圍。文 獻指出，試驗中把可調(diào)進口導(dǎo)葉裝置的直 徑從1.0卩逐漸增大到1.4卩時，調(diào)節(jié)范圍 和效率都有比較明顯地增人。但是如果再繼 續(xù)增人其直徑，將會影響其基木尺寸和制造 成本。文獻10指出，葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸對可調(diào) 進口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)效率也冇很大的影響，其中 葉輪進出口直徑比d/£>2對可調(diào)進口導(dǎo)葉 調(diào)節(jié)效果的影響最大，一贏來說，djd2越 大，調(diào)節(jié)效果越明顯。在文獻中給出了原

15、 因，由歐拉方程作一定的轉(zhuǎn)換可得由式看出，djd2為平方項，所以 當z）, /d2人時，預(yù)旋的影響明顯，調(diào)節(jié)的 有效范圍也就大。3.4導(dǎo)葉與葉輪軸向間距及其葉片數(shù)的匹 配對性能的影響文獻11概括地指出，處于上游物體氣 流尾跡中的動葉片，承受著變化的氣動載 荷，而氣動載荷變化的人小與尾跡衰減速率 冇關(guān)。當上游物體為流線型時，其衰減程度 將収決于進口處氣流的紊流度、相対柵距以 及至下游動葉之間距。在穩(wěn)定的入流條件 下，葉輪與誘發(fā)尾跡的上游支承物后緣z間 距至少應(yīng)等于該支承物弦長的1/2,此距離 不會改變壓縮機的壓升。然而對于紊亂的入 流條件，此間距甚至可增至弦長的一倍。從 目前掌握的資料來看，在此

16、方血的研究主要 集屮在軸流式壓縮機上johnston和fleeter 通過某軸流式壓縮機級進行了一系列試驗 測得了可調(diào)進口導(dǎo)葉岀口馬赫數(shù)為0.29及葉 輪進口相對馬赫數(shù)為0.6時，導(dǎo)葉和葉輪的軸 向間距與葉輪葉片弦長z比分別為0.68, 0.93, 1.18時，導(dǎo)葉尾跡區(qū)的壓力場和速度 場，并指出在比值為0.68時,可以明顯的減 小尾跡區(qū)陽。而關(guān)于離心式壓縮機可調(diào)進口 導(dǎo)葉與葉輪之間的軸向間距對性能的影響, 國內(nèi)外尚沒有具體研究。然而，就導(dǎo)葉與葉輪葉片數(shù)的匹配而 言，文獻11指岀了兩者之間應(yīng)按互為質(zhì)數(shù) 的原則1兀配，盡可能避免公因數(shù)，但也不能一 概而論，最重要的是必須遵循“導(dǎo)葉葉片數(shù) z】x葉

17、輪工作轉(zhuǎn)速n/60 +葉輪葉片固有頻 率”這一原則，因為葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中，每 個葉片與前導(dǎo)葉尾跡流z間周期性相互作 用，其作用頻率的計算公式為f= n zj/60從式（2）看出，為避免導(dǎo)葉作用引起葉輪 共振，必須使得其相互作用頻率避開葉輪葉 片的固冇頻率，最好是能遠離葉輪葉片的固 冇頻率，以防止非定常載荷長期作川而引起 葉輪的疲勞破壞。3.5單級與多級調(diào)節(jié)對性能的影響對于多級離心式壓縮機，如果只對第一 級采用可調(diào)進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，效果會不太明 顯，然而如果每級前均采用可調(diào)進i i導(dǎo)葉調(diào) 節(jié)，則整個裝置的結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜。冃前從 公開發(fā)表的文獻看，対離心式壓縮機采用多 級導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的研究并不多，僅有si

18、mon%】等 人通過試驗對某4級齒輪增速離心式壓縮 札僅在笫一級前加可調(diào)進口導(dǎo)葉以及在各 級前均加可調(diào)進口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)性能進行了 比較，并h.獲得了兩種情況下的無因次性能 曲線?？梢钥闯鲈诟骷壡熬舆M口導(dǎo)葉比僅 在第一級加進口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)范圍要寬出近 60%。4進口導(dǎo)葉與葉輪非定常動靜干涉作用離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉與葉輪非 定常動靜干涉作用非常強烈，而fl作用機理 也很復(fù)雜，解決不好，不僅會使氣動性能惡 化，而且還會引起葉片共振以及葉輪葉片疲 勞破壞的嚴重事故。所謂動靜干涉，對于葉輪機械來說，若 不考慮條件非定常（喘振、旋轉(zhuǎn)失速）等不穩(wěn) 定性，流動的非定常性主要表現(xiàn)在某一葉片 排的尾跡掃過下一個

19、葉片排時產(chǎn)生的流場 非定常脈動。對于帶可調(diào)進口導(dǎo)葉的離心 式壓縮機，由于導(dǎo)流葉片尾跡的彩響，葉輪 葉片進口處流動狀態(tài)（包括壓力、密度和氣 流方向等）隨時間產(chǎn)生脈動，使得葉輪葉片 所受的氣動載荷發(fā)生周期性變化或非周期 性變化。冃前動靜干涉己成為葉輪機械中的 一 個研究熱點，但其主要是針對軸流式壓縮 機屮動靜葉的干涉，以及離心式壓縮機屮葉 輪葉片與擴壓器葉片的動靜干涉等。而對于 離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉與葉輪的t涉 問題研究得較少，席光卩習(xí)對離心式壓縮機可 調(diào)進口導(dǎo)葉翼烈繞流尾渦的非定常發(fā)展過 程進行了初步研究，指出其研究的導(dǎo)葉，攻 角在30°60°范圍內(nèi),當恥數(shù)低于80時,

20、流動是穩(wěn)定的，翼型后方不會出現(xiàn)大尺寸的 流動分離；雷諾數(shù)心大于80吋，翼型后方 會出現(xiàn)流動分離，并伴隨有明顯的渦脫落。西安交通大學(xué)流體機械研究所利用非 定常流動的時域和頻域分析方法，研究了某 事故離心式壓縮機葉倫在運行條件下的非 定常載荷特點，指出進口導(dǎo)葉的尾跡脈動是 引起葉輪葉片疲勞破壞的根本原因，計算得 到的葉片上脈動壓力最大的位置與實際斷 裂位置基本吻合?？梢?，離心式壓縮機與其可調(diào)進口導(dǎo)葉 之間的非定常相干作用，已成為影響現(xiàn)代離 心式壓縮機安全nj靠性的重大問題，必須引 起足夠的重視。5可調(diào)進口導(dǎo)葉的常見故障及處理可調(diào)進口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)雖然簡單，但如果氣 流中含有粉塵或有腐蝕性的物質(zhì)，則容易造

21、 成可調(diào)進口導(dǎo)葉葉片腐蝕，執(zhí)行機構(gòu)銹蝕銹 死；葉片受氣流的擾動較人，特別是當氣流 中有固體微粒時，其受到的沖刷作用更為明 顯。目前對離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉的故 障處理研究得較多，但人都是針對出現(xiàn)故障 后如何處理，而沒有對產(chǎn)生的原因進行全而 深入的研究。文獻16介紹了離心式通風(fēng)機 可調(diào)進口導(dǎo)葉系統(tǒng)常見的6種故障，包括葉 片變形、葉片松動、葉片脫落、葉片腐蝕與 磨損、調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)卡死或失靈、振動，并 分析了其原因和示果，指出采用提高主要部 件的強度和剛度、關(guān)鍵部件特殊選材、防腐 耐磨處理、調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的改進等處理方法 可以延長其使用壽命。6結(jié)束語木文對離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉調(diào) 節(jié)研究的幾個熱點

22、問題進行了分類綜述，應(yīng) 該說，現(xiàn)在對離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉調(diào) 節(jié)的研究水平低于對軸流式壓縮機的研究。對離心式壓縮機可調(diào)進口導(dǎo)葉的研究 還而臨很多亟待解決的問題，需要在以后進 一步深入研究，以進一步擴人調(diào)節(jié)范圍并提 高調(diào)節(jié)效率。參考文獻1黃經(jīng)國.用可調(diào)進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)特性的大型混流 泵.流體機械,2000.28(4).|2西安交通大學(xué)氣體動力研究室.對離心式圧縮 機進行預(yù)旋的分析.化工與通用機械,1976 (8).3 whitfield a, abdullah a h.the performance of acentrifugal compressor with high inlet prewhi

23、rl. journal of turbomachinery, 199& 120.4 rodgers c. centrifugal compressor inlet guide vane for increased surge margin. asme paper, 1990, no.90-gt-15&r&d review, 2000, 35(3).6徐忠.離心壓縮機原理.西安交通大學(xué)出版 社,1976.7|商景泰.通風(fēng)機手冊.機械工業(yè)出版社,1994.8j swain e. the design of an inlet guide vane assembly for an industrial centrifugal compresso匚 in energy saving in the design and operation of compressors, mechanical engineering publications limited, london, 1996.91 coppinger m., swain e. performance prediction of an indu