带级间冷却的双级离心压缩机可调进口导叶联合调节分析

闫 雪，左志涛，梁 奇，汤宏涛，陈海生



带级间冷却的双级离心压缩机可调进口导叶联合调节分析

闫 雪1,2，左志涛1，梁 奇1,2，汤宏涛1，陈海生1

（1中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2中国科学院大学，北京 100049）

本文建立了带级间冷却的双级离心压缩机计算模型，该模型利用多孔介质模拟级间换热器，且压缩机每级前均设有可调导叶进行变工况调节。利用该模型详细分析了双级离心压缩机变导叶联合调节性能，研究发现单级变导叶调节时，两级导叶调节规律相同，正开度改善了失速特性，负开度能够获得更高的压比，正负开度使得效率都有所降低。双级联调时，以一、二级导叶开度都为0°的工况为基准，当第一、二级导叶都为负开度时压比增大，其余开度组合的压比性能都有所降低，任意组合导叶开度的效率性能都低于基准工况。通过内部流动分析可知，合理的双级联调改善了第二级压缩机内部流动的均匀性，两级导叶对双级离心压缩机的整体性能影响效果的强弱基本相同，第一级开度由负到正变化时，第一级叶轮进口叶尖吸力面附近高速流体区域缩小，并在压力面凝聚。

双级离心压缩机；级间冷却；可调导叶；联合调节

压缩空气储能是一项能够实现大规模和长时间电能存储的储能技术[1]，主要用于电网调峰和调频，在可再生能源、分布式能源、汽车等方面的应用也愈发广泛[2]。在压缩空气储能系统中，压缩机的运行效率和稳定裕度对整个系统的经济性和适用性起决定性作用[3]。通常情况下，压缩空气储能系统通过压缩子系统获得高压气体，并向储罐不断充气，压缩机的背压不断变化，导致压缩机的运行工况点持续变化。通常通过导叶调节来增大其稳定裕度和平均运行效率，相比于变转速调节和扩压器调节，该方法不会影响压缩机传动系统的复杂转子动力学特性，而且能获得比扩压器调节更宽的工况范围和更高的运行效率。

NASA在20世纪80年代对可调叶片技术进行了大量研究[4-6]，此后可调叶片广泛地应用在燃气轮机、水轮机以及风机中[7-9]。很多学者[10-11]通过实验研究可调导叶对压缩机整体性能的影响并用数值模拟方法[12-13]观察内部流动。近年来，不断有学者利用数值模拟在可调叶片在压缩机启动过程的作用[14]、环量控制进口导叶调节[15]等方面进行了更深入的研究，并进一步提出可调导叶控制系统[16]。

前人在对带有双级可调导叶的双级离心压缩机进行联合调节的数值模拟时，均采用单级逐级计算的方式，即将计算所得的前一级出口数据进行简单处理作为第二级的入口条件，逐级计算。由于联调的变工况数量巨大，该种方法大大增加了研究者的操作量，同时级间冷却的处理比较粗糙，影响研究结果的精度和可靠性。因此本文针对某设计流量 34 kg/s的双级离心压缩机中的为研究对象，每级前均带有可调导叶，级间进行冷却换热处理，对双级导叶联合调节的变工况性能进行数值模拟研究。

1 研究对象

分别建立单、双级离心压缩机的几何模型，具体参数如表1所示，双级几何模型如图1所示。

表1 研究对象参数表

续表

2 研究方法

2.1 数值模拟方法验证

本文采用软件CFX进行网格划分和模拟计算，需要对数值模拟方法进行验证。选取设计流量4 kg/s，设计压比为4.7的Krain叶轮作为算例，对其性能和内部流动情况进行模拟，进口总温为288.15 K，进口总压为101325 Pa，出口设置平均静压，湍流模型，网格约75万。

图2是Krain叶轮总体性能的对比，从图中可以看出，数值模拟得到的压缩机压比、效率特性与实验结果基本吻合，趋势一致，大流量处误差稍大，在4%左右，能够保证研究所需的精度要求。图3和图4是Krain叶轮进出口截面的内部速度分布情况，与文献中对比后发现，数值模拟能够很好地模拟内部流动情况，与实验结果一致。

总体来说，CFX能够很好地模拟Krain叶轮的压比、效率性能，内部流动情况与实验结果符合得很好。

2.2 数值模拟设置

网格设置为H/J/C/L型网格，总网格数约为300万，三维网格模型如图5所示。

湍流模型采用两方程模型，交界面选用Stage型，进口总压为97 kPa，总温为303.15 K，出口给定流量，通过改变出口流量的大小改变运行工况点。

2.3 级间冷却处理

级间冷却能够降低进入下一级的气体温度，提高压缩系统的效率，同时冷却过程中也不可避免的产生压降。因此，本文利用多孔介质模型模拟换热器，保证第二级进口温度为303.15 K，额定工况下产生的压降为20 kPa。为了简化模型处理，将换热器设置在第二级导叶前，如图1所示，既能简化流线方向为轴向，并且能够充分保证第二级进口温度大小。多孔介质采用各向异性损失模型，通过设置损失系数来控制压降，多孔介质中通过表达式给出冷源，保证气体经过冷却后达到第二级进口总温。

2.4 计算方案

首先对两级离心压缩机单独进行数值模拟，改变每级的导叶角度，通过模拟得到每一级的变导叶调节特性及导叶调节范围。通过级间连接建立双级离心压缩机模型，改变第一级导叶和第二级导叶的角度组合，通过模拟获得双级离心压缩机的导叶联合调节特性，总结联调规律。

进行多级模拟时，以下式计算压缩机模型等熵效率

3 计算结果分析

3.1 单级计算结果分析

图6和图7分别为第一、二级离心压缩机在不同导叶开度下的变工况特性曲线图，横坐标为流量，纵坐标分别为总压比和等熵效率。由图可知，第一级导叶开度的调节范围为50°～-10°，第二级导叶的调节范围为40°～-20°，两级导叶调节规律相同。

当开度为正值并且不断增大时，运行工况范围向小流量方向偏移，压比、效率都逐渐下降，效率最高点向小流量方向偏移，当正开度过大时，效率下降较多。开度为负值时，导叶变化范围较小，运行工况范围向大流量方向偏移，压比增大，效率下降，效率最高点向大流量方向偏移。

为了分析特性曲线变化规律，以第一级为例，通过观察对比叶轮内的内部流动情况进行分析。 如图8所示，同一小流量下，选取导叶开度分别为 10°、30°和50°的叶尖流动情况进行分析。当流量降低时，较大的正开度能够更有效地改善叶尖尾部吸力面的流动情况，降低了压缩机在较小流量时失速的可能，因而正开度能够减小失速流量，改善失速特性，扩大压缩机的稳定裕度。

（a）10°

（b）30°

（c）50°

图8 流量26 kg/s导叶开度分别为10°、30°和50°的90%叶高处流线图

Fig.8 Streamline diagram at 0.9 span of 26 kg/s when the opening is 10°, 30°and 50°

图9为0°、-10°、30°和50°开度时叶轮内部马赫数分布情况，与0°相比，正开度减小了叶轮入口马赫数，负开度增大了进口马赫数。当导叶分别向正、负方向调节，叶轮内的速度梯度都有所增大，马赫数分布更加不均匀，开度的绝对值越大，变化越明显，由于离心压缩机内的多种损失都是速度梯度的函数[17]，损失增加导致导叶调节时整体效率相比0°时有所下降。

储能系统中压缩机背压不断变化，当工况接近失速或堵塞时效率下降，通过导叶调节可以保证压缩机在工况变化时依然运行在相对较高的效率下。同时导叶调节大大增加了压缩机的运行工况范围，特别是向小流量方向，改善了压缩机的失速特性。

3.2 双级计算结果分析

改变第一、二级导叶开度的匹配组合，对带有级间冷却的双级离心压缩机变导叶联合调节的全工况进行数值模拟，其性能曲线如图10所示。

（a）0°

（b）-10°

（c）30°

（d）50°

图9 流量30kg/s导叶开度分别为0°、-10°、30°和 50°的50%叶高处马赫数分布图

Fig.9 Distribution of mach number at 0.5 span of 30 kg/s when the opening is 0°,-10°, 30°and 50°

双级联调时，以一、二级导叶开度都为0°的工况为基准，当第一、二级导叶都为负开度时压比增大，其余开度组合的压比性能都有所降低，任意组合导叶开度的效率性能都低于基准工况。当某一级的导叶开度固定，双级离心压缩机性能变化与另一级导叶调节规律相同。通过导叶调节大大扩大了双级离心压缩机的稳定裕度，第一、二级导叶开度都在-10°到20°之间时双级压缩机平均效率可达86%以上。

但是并不是任意开度组合都利于双级离心压缩机的变工况调节，当双级导叶开度都为较大的正值时，由于损失较大导致调节效率不高。模拟时亦发现当第一级开度为较大的正值，第二级为负开度时，二者对内部流动的影响很大且效果相反，此时内部流动恶化严重，因此此种开度组合调节不可取。当工况变化时，开度组合的最佳匹配为效率曲线图中不同流量时对应的最高效率点的包络线。

4 导叶调节对内部流动的影响

4.1 双级联调对流动均匀性的影响

对比同一流量，相同导叶开度下，单独调节与双级联调时叶轮内部流场分布，如图11所示。图11(a)中一、二级导叶单独调节，在叶轮的叶尖尾部和叶根前中部都分布着低流速区，叶尖前缘流速高，两级的内部马赫数分布相似。双级导叶联调时如图11(b)所示，第一级叶轮内流动几乎不变，对第一级影响不大，但第二级的内部流动有很大的改善，流动更加均匀，子午流道内的速度梯度大大减小。

但是当导叶开度都为很大的正值时，如图12所示，第一级导叶开度为50°，第二级开度为40°，流量为30 kg/s，与单级调节相比，双级联调时第一级叶轮内部马赫数变化不剧烈，但是在第二级内部马赫数增大，叶轮进口靠近叶尖部分出现高速区，内部流动恶化剧烈，导致双级离心压缩机的整体效率出现了大幅下降。

4.2 一、二级导叶对双级离心压缩机影响效果强 弱对比

在双级联调时，每一级导叶调节对整体性能的影响效果能够为实际调节方案提供参考。因此从内部流动来对比一、二级导叶的调节效果，如图13和图14所示。同一流量下，选取第一级导叶调节但第二级保持同一开度，以及第二级导叶调节但第一级保持同一开度的内部流动情况进行对比。为了便于对比，选取流动特征更为明显的叶尖处进行观察。

从图中可知，任意级导叶角度固定，另一级导叶角度变化时，固定级中叶轮内部呈现相似的流动特征，因此两级导叶对双级离心压缩机的整体性能的影响效果的强弱是基本相同的。

4.3 导叶调节对叶轮进口流动的影响

同一流量下，不同导叶开度时的叶轮进口马赫数分布如图15所示，与0°时相比，负开度时叶尖吸力面处的高速流体范围增大，正开度时随着开度增大，叶尖吸力面处的高速流体范围逐渐消失，并逐渐在叶尖压力面处出现，尺寸增大。这是由于0°工况时，叶片进口弯角与相对速度气流角不同，此时叶尖攻角为4.27°，导叶开度向负方向增大时攻角增大，流动变化更为剧烈，导叶开度向正方向增大时攻角逐渐减小至负值，导致吸力面处高速流体消散并逐渐在压力面凝聚。

5 结 论

本文建立了带级间冷却的双级离心压缩机几何模型，利用多孔介质模拟换热器，通过CFD进行数值模拟，研究第一、二级导叶单独调节和双级导叶联合调节时的压缩机性能变化和内部流动情况，得出如下主要结论。

（1）单级变导叶调节时，正开度使运行工况向小流量方向偏移，改善了失速特性，负开度变化范围较小，可以获得较大的压比。当工况近失速或堵塞时效率下降，通过导叶调节可以保证压缩机在工况变化时依然运行在较高的效率下。

（2）双级联调时，与双级导叶都为额定开度的工况对比，当第一、二级导叶都为负开度时压比增大，其余导叶开度组合的压比性能都有所降低，任意导叶开度组合的效率性能都低于基准工况。合理的双级导叶联调改善了第二级压缩机内部流动的均匀性，但是当两级导叶开度都为很大的正值时，流动恶化严重，效率降低。

（3）两级导叶对双级离心压缩机的整体性能的影响效果的强弱基本相同。

（4）第一级开度由负到正变化时，第一级叶轮进口叶尖吸力面附近高速流体区域缩小，并在压力面凝聚。

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Analysis on joint adjusting of a two-stage centrifugal compressor with inter-stage cooling and variable guide vanes

1,2,1,1,2,1,1

(1Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A numerical model of a two-stage centrifugal compressor with inter-stage cooling and variable guide vanes has been developed. Analyses are made using the model on the performance of the compressor while the two-stage vanes are adjusted. The results illustrate that when each of the two-stage guide vanes adjusted, they follows the same rules: a positive opening of the guide vane improves the stall features; a negative opening leads to a pressure ratio increase.; but the isentropic efficiency drops for both the positive or negative openings of the vane. When two-stage guide vanes are adjusted jointly using the zero opening as the reference, the pressure ratio increases only when the opening of two-stage guide vanes are all negative whereas the pressure ratio decreases in all other cases. The isentropic efficiency of all opening cases is lower than that at the reference condition. Internal flow analyses suggest that the uniformity of the internal flow of the second stage can be improved through jointly adjusting the two vanes. The effect of adjusting the guide vanes of the two stages is the same on the performance of the two-stage centrifugal compressor. When the opening of first stage guide vane changes from negative to positive, the area of high velocity at the suction surface of the impeller inlet shroud decreases, concentrating on the pressure surface around the shroud.

two-stage centrifugal compressor; interstage cooling; adjustable guide vane; joint adjusting

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0010

TK 0

A

2095-4239（2017）01-108-08

2016-04-06；

2016-07-17。

国家重点基础研究发展计划项目（973计划）（2015CB251302）和国家自然科学优秀青年基金项目（51522605）。

闫雪（1990—），女，硕士研究生，研究方向为压缩空气储能、叶轮机械气动热力学，E-mail：yanxue_hcl@163.com；

陈海生，研究员，研究方向为大规模压缩空气储能，E-mail：chen_hs@mail.etp.ac.cn。