大型空分等温压缩机气动特点分析及改进*

赵燕杰 耿文倩 李景银/西安交通大学能源与动力工程学院

大型空分等温压缩机气动特点分析及改进*

赵燕杰 耿文倩 李景银/西安交通大学能源与动力工程学院

通过对国外引进的冷却器内置式的大型空分用等温离心压缩机组进行研究，计算了压缩机各级模型，得到了不同工况下各级流动特性，对各级流场进行分析发现，在叶轮轮盘转弯处、叶轮出口及扩压器的盖侧有明显的低速区，易发生流动分离；研究导叶安装角对级性能的影响发现，随着安装角的减小，其性能曲线变陡。本文还对第一级的进口流道进行改进，使进口导叶盘侧半径与叶轮进口盘侧半径相同，结果表明其压比和效率都有明显提高。

空分压缩机；等温压缩；数值分析；流动特性

0 引言

大型空分压缩机广泛应用于煤化工、石油化工等行业，目前是国内大型压缩机制造企业的优先开发方向。大型空分装置用离心压缩机的流量大、压比高，功率消耗大（可占整个空分装置的运行成本80％以上），因此，其叶轮都为大宽度三元离心叶轮，且采用级间冷却，以降低功耗[1-4]。

以前的文献多是针对普通离心压缩机某一级或其中的一些部件进行，如Choi Y D[5]等人对离心压缩机中的叶轮、扩压器及蜗壳之间的影响进行了研究；刘正先[6]等人则研究了叶轮进口速度的不同分布对离心压缩机的某一级的性能和流场的影响；席光[7]等人对某带叶片扩压器的离心压缩机进行实验和数值研究，分析了不同叶片扩压器进口安装角对压缩机性能和流场的影响。李学臣[8]等人采用CFD方法研究了弯道、回流器和进气段对多级压缩机级性能的影响，结果表明进气段相对弯道、回流器来说对级性能影响最大，而随着回流器叶片出口角增大，级压比有所增加；陈宗华[9]等研究了两级离心压缩机中的流动情况，发现在非设计工况下前级出口的速度分布会导致下级流动的恶化。

目前对于空分用的大型等温离心压缩机研究的文献较少。我国从国外引进的空分用离心压缩机，都采用的是冷却器内置式等温型离心压缩机机组，结构紧凑。但该类离心压缩机机组的各级叶轮具有什么特点？流场是否合理？叶轮是否高效？我国离心压缩机制造企业并不清楚。对这些问题的探索，将对设计开发我国大型高效空分压缩机很有裨益。本文通过对某引进大型等温空分机组的各级离心叶轮的性能和内部流场的研究，分析其离心叶轮的流场特点；在此基础上，对该机组的通流元件进行改进设计，探索进一步提高该类机组的途径和效果。

1 数值模型与计算方法

1.1 物理模型

本文研究的四级等温离心压缩机，主要部件包括第一级叶轮前的12个进口导叶；四级叶轮，其中第一级采用11组三元长短叶片，后三级为16个普通三元叶片；前三级的叶片扩压器，叶片数都为24；前三级的冷却器，冷却方式为内部冷却。各级叶轮出口直径分别为900mm、800mm、750mm、630mm，出口宽度则分别为76.5mm、60.5mm、56.5mm、37.5mm。图1所示为该等温离心压缩机子午流道示意图，左边进气。设计点质量流量为40.5kg/s，转速7 664r/min。等温压缩机采用四级压缩，逐级冷却方式。性能测试时也采用逐级采集参数进行测试，测点位置如图1所示。在各级的机壳侧壁上安装总压探针、温度计；第一级叶轮压缩前参数测点布置在导叶前的压缩机机壳侧壁上，压缩后参数测点布置在冷却器前的压缩机机壳侧壁上，后三级叶轮压缩前测点布置在前一级冷却器后的压缩机机壳侧壁上，二、三级压缩后测点位于其各级冷却器前的压缩机机壳侧壁上，第四级压缩后测点位于其无叶扩压器的机壳侧壁上。

图1 四级离心压缩机剖面示意图

1.2 计算区域

为了研究等温离心压缩机各级的流动，本文对此四级离心压缩机设置了四个计算模型，每个计算模型所包含的部件如表1所示。

表1 四种计算模型部件表

表2 四种模型网格数目表

1.3 数值计算方法

采用ANSYS CFX软件模拟压缩机内部的流动，获得离心压缩机的气动性能和流场分布。网格划分采用Turbogird生成结构化网格，对壁面附近、叶片进出口进行网格加密，各部分网格数目如表2所示。

第一级、第二级和第三级叶轮与各级扩压器的动静交界面处直径分别为920mm、815mm、760mm；进口导叶与第一级叶轮的动静交界面位于叶轮进口处。湍流方程采用k-ε模型。进口边界条件给定总温、总压和速度方向：第一级模型的进口总温303K、总压98 000Pa；第二级模型的进口总温314K、总压191 000Pa；第三级模型的进口总温318K、总压308 000Pa；第四级模型的进口总温320K、总压484 000Pa。四级的进口速度方向均设为轴向；所有模型的出口都给定质量流量。

2 各级性能计算及改进

2.1 数值计算算法验证

为了验证数值计算方法的可靠性，首先对文中所研究压缩机的第一级模型进行数值模拟，并与实验结果进行对比。

本文采用了三种不同数目的网格进行数值模拟验证网格无关性，为了定量显示对比结果，将不同网格计算的40.5kg/s流量下的压比和效率列于表3。

表3 流量为40.5kg/s下三种网格计算的叶轮压比和效率表

图2 第一级模型的性能曲线图

从表3中可以看出随着网格数目加倍，第二种网格计算结果与第三种网格计算结果相差小于0.5％，可以认为已满足网格无关性。本文所研究的压缩机第一级的实验结果分别为压比1.998，效率0.839，可以认为计算精度满足性能分析要求。在本文随后的数值计算中，将采用同样的网格密度和网格分布方式。

2.2 压缩机各级性能分析

图2为第一级模型的计算性能曲线与实验值的对比。在整个工况范围内，压缩机多变效率最低为82％，在设计点达到最大值83.9％。设计点计算压比和效率都要高于实验值，计算压比比实验值高2.9％，计算效率比实验值高2.8％。这是因为实际计算区域与测量的截面并不重合，实际测量是从压缩机进口到冷却器进口，而计算区域为导叶前到扩压器出口，所以效率和压比都比实验值略高。

图3所示为第一级叶轮子午面的速度云图。叶轮子午面上有两个明显的低速区，分别为叶轮进口靠近轮盘侧和出口靠近轮盖侧。由于在叶轮进口处，气流速度沿流道逐渐转向，叶轮也没有对气体做功，故气流速度从轮盖侧向轮盘侧速度逐渐减小，压力增大，因此形成叶轮进口处轮盘侧的低速区，其影响一直延伸到叶轮内部。在设计流量下其低速区域最小。而在轮盖侧，从叶轮进口到叶轮出口，气流是先加速再扩压，气流速度逐渐减小。随着流量的增大，轮盖侧低速区先减小后增大，在设计流量下最小。其他三级叶轮内的流场也表现出类似流场分布和变化趋势。

图4所示为第一级扩压器子午面在不同流量下的速度云图。由于叶轮出口速度和压力的不均匀，气体进入扩压器，沿盘侧和盖侧的变化趋势不同。气流在扩压器盖侧的减速流动导致了一个明显低速区，但在扩压器出口处，盖侧分离区的低速或分离气流速度又逐渐增大，分离区并未扩散到扩压器出口。随着流量的增大，低速区逐渐减小。这种扩压器内的速度分布规律在后两级的扩压器中也可以观察到。

图3 不同流量下第一级叶轮子午面相对速度分布图

图4 不同流量下第一级扩压器子午面相对速度分布图

图5至图7分别是后面三级的各级性能曲线，从图中可以看出，当流量大于42kg/s时，总级压比下降加快，同时都是在设计点附近达到效率最大值。设计点计算压比和效率都要高于实验值，但与实验的误差都在3％以内。

图5 第二级模型的性能曲线图

图6 第三级模型的性能曲线图

图7 第四级模型的性能曲线图

2.3 不同导叶安装角下级性能分析

空分离心压缩机与管网共同工作时，由于用户要求，往往需要对气体流量或出口压力进行调整，因而需要对压缩机的性能曲线进行调整。导叶调节具有调节范围宽、经济性好的优点，因此可转动进口导叶调节的方法经常被采用。

本文对5个进口导叶安装角（分别为105°， 87°（实际运行值），70°，60°，50°）分别进行了数值计算，得出离心压缩机在不同进口角度下的流动性能。图8为计算得到的级压比/流量、效率/流量的性能曲线。由图中可以看出，在安装角大于70°的情况下，其压比曲线较为平坦，并且工作效率较高，当安装角低至50°时，其压比曲线变得陡峭，稳定工作范围减小，效率降低。

图8 不同安装角下的性能曲线图

图9 安装角为50°时小流量下叶轮不同叶高处回转面流线图

当进口导叶调节的角度增大时，尽管导叶流道内的分离流动不明显，但叶轮流道内的流动分离明显，在小流量下分离严重。图9是安装角为50°情况下，小流量下的叶轮回转面的流线分布。从图中可以看出，在0.1倍叶高处，在长叶片吸力面前段产生一个较大的旋涡，约占流道的1/2；在0.5倍和0.9倍叶高处，两者的流动和分离情况相似，叶片前半段流道中，流体流动情况较好，但在叶片后半段的流道中，流动紊乱，流动发生分离，产生旋涡。这些分离涡团易导致叶片振动和疲劳破坏。在长叶片吸力面和短叶片压力面组成的流道中，流动情况比其相邻流道中的流动稍好。

2.4 第一级流道改进研究

该国外引进空分压缩机，为了便于第一级叶轮套装，第一级进口导叶的内径小于叶轮进口处轮盘的内径，因而在第一级叶轮的进口内径前有一凸起（见图10（a）），这会对叶轮进口流动产生较大干扰，影响级效率，甚至影响整个机组的运行。本文通过给第一级叶轮前转轴加上一个套环的方式，使进口导叶的内径与叶轮的进口内径相同，研究该凸起对压缩机性能的影响程度。改进后的流道如图10（b）所示。

图10 第一级流道改进前后对比图

图11为第一级流道改进前后性能对比，从图中可以看出改进后的第一级的压比和效率相对于改进前都有所提高。在设计流量下，压比和效率分别提高了3.2％和2.1％。由此可见，这种工艺简化方法对第一级离心叶轮的性能影响还是很可观的。随着流量增大，转轴凸起的影响效应逐渐减小。

图12～14分别为改进前后不同流量下第一级流道子午面绝对速度云图。可以看出，改进前，轴的凸起处都有一个低速区，导致叶轮进口流场没有改进后的叶轮流场均匀。进口流道改进效果甚至影响到扩压器内的速度分布，改善了其内部流动的不均匀性，使扩压器内部低速区域减小。

图11 第一级流道改进前后性能对比图

图12 小流量下的第一级改进前后子午面速度云图

图13 设计流量下第一级改进前后子午面速度云图

图14 大流量下第一级改进前后子午面速度云图

3 结论

本文对一台四级大型空分等温离心压缩机进行研究，分析了各级内部流场，得到相应的性能曲线，与设计点实验值对比，计算结果可靠。在此基础上，对进口导叶对首级性能的影响进行了性能分析，并对首级流道进行改进，得出以下结论：

1）该等温压缩机在小流量下，其叶轮的出口盖侧及扩压器的盖侧均存在较明显的低速区，易发生分离；随着流量的增大，叶轮出口盖侧的低速区先减小后增大，而扩压器盖侧的低速区则明显减小。

2）首级压缩机的稳定工况范围随着进口导叶安装角的减小而变窄。在导叶调节角度过大的情况下，第一级动叶会产生比较大的分离涡团，恶化叶轮中流体的流动，并会诱发叶片疲劳破坏。

3）对压缩机第一级的进口流道进行改进，发现首级转子前的轴部凸起对第一级的压比和效率都有明显影响，值得做相应改进。

[1]徐忠.离心式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1990.

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Aerodynamic Characteristics Analysis and Improvement for a Large-scale Air Separation Isothermal Centrifugal Compressor

Zhao Yan-jie，Geng Wen-qian，Li Jingyin/SchoolofEnergyandPower Engineering,Xi'an Jiaotong University

Numericalsimulationshave been conducted on a large-scale isothermalcentrifugalcompressorusedforair separation with built-in coolers,introduced from abroad,to obtain the characteristics of each single stage in the compressor.Flow separationorlow-speedregionsare typically found to occur near the hub side at the impeller inlet turning,next to the shroud side at the impeller outlet,and on theshroudsideinthediffuser.The influence of the inlet guide vane angles on the characteristics of the first stage is investigated.Theperformancecurve becomes steeper with the decrease in the stagger angle of the inlet guide vane.The design of the first stage is improved by making the inner radii of the inlet guide vane equal to the radii of the impeller hub in the meridional plane,which results in an evident increase in both the pressure ratio and the efficiency.

Air separation compressor; isothermalcompression;numerical analysis;flow characteristic

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2016）02-0023-07

10.16492/j.fjjs.2016.02.5022

国家自然科学基金（51276137）

2015-10-12陕西西安710049