離心式壓縮機(jī)級的改進(jìn)與優(yōu)化

離心式制冷壓縮機(jī)式離心式冷水機(jī)組的關(guān)鍵部件，而離心式制冷機(jī)組都是為一特定的制冷裝置服務(wù)的。根據(jù)制冷裝置所需要的低溫要求，可以確定所需相應(yīng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。從而得出所需的能量頭。當(dāng)單級壓縮機(jī)所產(chǎn)生的能量頭不能滿足所需要的能量頭時，如冰蓄冷的離心機(jī)以及熱泵工況的離心機(jī)，通常采用雙級或多級壓縮的形式。

在多級離心壓縮機(jī)中，為了把擴(kuò)壓器中出來的氣流引入下一級，在擴(kuò)壓器后裝有彎道和回流器。彎道是隔板和氣缸組成的通道，回流器則由兩塊隔板和裝在隔板之間的葉片組成。研究表明，彎道和回流器中損失并不小，有時可達(dá)到級能量的6%-8%，與擴(kuò)壓器的損失大小接近?？梢姼纳茪饬髟趶澋兰盎亓髌髦械膿p失相當(dāng)重要。

本文主要介紹一種雙級離心式制冷壓縮機(jī)回流器設(shè)計(jì)改進(jìn)情況，并利用CFD進(jìn)行優(yōu)化分析，以期能提高雙級壓縮機(jī)級的全工況性能。

原壓縮機(jī)級的設(shè)計(jì)說明

原離心壓縮機(jī)為一臺Rl34a，制冷量為6000KW離心壓縮機(jī)，壓縮機(jī)為半封閉式雙級壓縮的結(jié)構(gòu)形式，級包括進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉IGV、一級葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、二級葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼幾個部分。級的模型如圖1，原始壓縮機(jī)第1級的氣動參數(shù)如下:

下面主要闡述一種雙級離心壓縮機(jī)中回流器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

回流器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在離心壓縮機(jī)中，回流器是用來引導(dǎo)從擴(kuò)壓器元件的強(qiáng)旋繞氣流以軸線或所需方向進(jìn)入下一級的，主要起導(dǎo)流作用。回流器中裝有葉片，以保證氣流的流動方向。

決定回流器形狀及性能的幾何參數(shù)有:回流器進(jìn)出口寬度b5、b6，進(jìn)出口直徑D5，D6，葉片進(jìn)出口幾何角a 5A、d6A，葉片數(shù)z和葉片型線，這些參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性直接影響壓縮機(jī)的性能，以下主要講述這些參數(shù)如何確定。

3.1 葉片型線確定:

回流器葉片型式有等厚度和變厚度的。采用等厚度葉片可以使回流器寬度b基本保持不變。等厚度葉片的回流器，一般做成寬度逐漸向內(nèi)徑方向增大。這時，兩種情況下的回流器，沿流到的截面都變化不大，可以使流速均勻，損失較小。

在回流器中，一般不希望回流器中C6

葉型對回流器流動的影響.通過葉道的有效面積來分析。葉片數(shù)趨于無窮大時，氣流角和葉片角是一致的，而實(shí)際上葉片數(shù)是有限的，氣流角和葉片角不可能總是一致。這樣在葉道中間，等厚度葉型的有效通流面積不能隨氣流角變化而變化，這樣就容易使回流器中產(chǎn)生擴(kuò)壓流動或加速流動，從而使流場惡化。

為此，利用Concepts-NREc離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)軟件對回流器葉片型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原始等厚度葉片型線改進(jìn)為變厚度葉片型線，如圖2，圖3，并對二者內(nèi)部流場進(jìn)行cFD分析，分析結(jié)果如下:

從CFD分析結(jié)果可以看出，等厚度葉片型線內(nèi)部在葉片吸力面產(chǎn)生較大的漩渦，而變厚度擴(kuò)壓器在此處的流場得到明顯改善。

3.2 進(jìn)出口幾何角確定:

研究表明:不同的回流器葉片的進(jìn)口安裝角對回流器的流動性能有顯著的影響，進(jìn)口較大的正沖角及負(fù)沖角對均會在回流器葉片表面產(chǎn)生大尺度的分離渦團(tuán)，在給定的流量工況下，在0°沖角時回流器有較好的流動性能

可見進(jìn)口安裝角對壓縮機(jī)級的性能曲線影響較大，為此分別取不同的進(jìn)口安裝角對級性能進(jìn)行研究，圖6是不同葉片進(jìn)口沖角級性能曲線對比。(其中i=a2A-a2)

考慮到離心式制冷壓縮機(jī)要求較寬的穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍，故在設(shè)計(jì)點(diǎn)取較小的負(fù)沖角;i=0°

回流器出口安裝角a6A一般取90°，但考慮到氣流出口角a6與a6A會相差一個落后角，故可使a6A朝反方向增加5°-7°，以使實(shí)際氣流出口角接近90。，保證以軸向進(jìn)入下一級。

3.3 回流器寬度的確定

在回流器中一般不希望回流器中C6

考慮到葉輪的b2/D2值=0.058>0.04，葉輪出口寬度較大，D4/D2=1.7，進(jìn)入擴(kuò)壓器速度相當(dāng)較小。故取B5=B4，B6=1.0585。

3.4 葉片數(shù)的確定

回流器的葉片數(shù)一般為Z5=12-18，直徑較小使，z5取較小值，為了為避免發(fā)生共振，設(shè)計(jì)時取葉輪和回流器的葉片數(shù)互質(zhì)。本次設(shè)計(jì)取葉片數(shù)Z5=15。

回流器前設(shè)計(jì)葉片擴(kuò)壓器的影響

研究表明，在工況變化時，葉輪出口氣流。及角a 2變化較大，因而直接影響無葉擴(kuò)壓器出口氣流角a4，這樣回流器的進(jìn)口氣流沖角i隨之改變，影響壓縮機(jī)的全工況性能。試驗(yàn)證明，葉片擴(kuò)壓器器后的回流器，在工況變化時損失系數(shù)變化不大，而無葉擴(kuò)壓器后的回流器的損失系數(shù)變化較大。由于在工況變化時，葉片擴(kuò)壓器出口氣流角a4基本不變，則a5也變化不大，故進(jìn)入回流器氣流的角度變化不大，所以它的損失系數(shù)隨流量變化較為平緩。

采用Concepts-NREC離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)軟件對回流器前設(shè)置不同擴(kuò)壓器的級性能進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7

從圖中可以看出回流器前置葉片擴(kuò)壓器器，在設(shè)計(jì)點(diǎn)60%-115%流量范圍內(nèi)級絕熱效率均比前置無葉擴(kuò)壓器要高2-3%。

為改善壓縮機(jī)的全工況性能，在第一級葉輪后設(shè)計(jì)一低稠度葉片擴(kuò)壓器，葉片型線采用NACA65(04)06機(jī)翼型葉片;葉片數(shù)為9片。

實(shí)驗(yàn)測試與驗(yàn)證

試驗(yàn)方法:采用與原有離心壓縮機(jī)相同的試驗(yàn)方法，即將壓縮機(jī)進(jìn)口lGV全開和保證壓縮機(jī)吸氣壓力355KPa以及吸氣溫度5.8℃不變，通過調(diào)整冷卻水進(jìn)水溫度不斷調(diào)整壓縮機(jī)排氣壓力，測試壓縮機(jī)性能特性。通過檢測壓縮機(jī)吸排氣口溫度壓力參數(shù)，計(jì)算壓縮機(jī)的壓比及絕熱效率;通過檢測機(jī)組的制冷量計(jì)算壓縮機(jī)的容積流量。

測試數(shù)據(jù)顯示，采用改進(jìn)后的變厚度回流器與低稠度葉片擴(kuò)壓器組合方式壓縮機(jī)效率及壓比都有較大幅度的提高，在設(shè)計(jì)點(diǎn)壓縮機(jī)絕熱效率約提高了3%-4%，壓比提高2-3%，在7%-100%流量區(qū)域，壓縮機(jī)絕熱效率提高較為明顯。在流量低于70%后，壓縮機(jī)效率下降較快，分析認(rèn)為葉片擴(kuò)壓器的影響致使小流量性壓縮機(jī)性能衰減。

結(jié)束語

綜上所述，本文探討一種雙級離心壓縮機(jī)回流器的結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，初步得出如下結(jié)論:

1):采用變厚度的回流器有助于提高壓縮機(jī)級的效率和壓比;

2):在回流器前設(shè)置低稠度葉片擴(kuò)壓器器有助于蓋上壓縮機(jī)全工況性能。