基于FLUENT的CO2压缩机工作特性的优化研究

2020-08-21孙丽娟

机械管理开发 2020年8期

孙丽娟

（山西晋丰煤化工有限责任公司，山西高平 048400）

引言

CO2压缩机作为一种核心的动力循环系统，被广泛应用在工业生产的各个方面，主要以超临界CO2作为工作动力源，具有压缩效率高、功耗低的优点[1]。CO2在超临界状态下对工作温度和压力的变化极为敏感，导致在压缩机叶片表面出现较大的气流分离现象，流量损失严重，极大影响了压缩机的工作稳定性和效率。因此本文提出利用FLUENT流体仿真分析软件对压缩机在工作时的流场特性进行研究，分析压缩机叶片的长度系数对其工作稳定性和效率的影响。

1 压缩机内部流场研究方案

为了提升对压缩机内部流场研究的准确性，以某型CO2压缩机作为本次分析的对象，该压缩机的叶轮主要由六组主叶片以及六组分流叶片组合而成，风机主叶片的长度为26 mm，风流叶片的长度为13 mm，叶轮直径为58.64 mm，压缩机工作时的进口压力为6.6 MPa，工作转速为76 000 r/min。利用三维建模软件建立压缩机叶轮的三维结构模型，采用正四面体网格划分方案对其进行网格划分，共划分网格23.4万个。利用FLUENT流体仿真分析软件，对风机在运行状态下的流场特性进行研究，对其进行数模分析时采用了k-ε湍流模型，CO2压缩机叶轮网格模型如图1所示。

对压缩机工作时内部的流场特点进行分析，其叶片吸力面（SS面）和压力面（PS面）的静温和干燥度[2]分布如图2所示。

由图2可知，压缩机工作时在叶片的SS面的前端边缘处表现出了较小的静温，同样在此位置所对应的干度也相对较小。从不同叶面上干度的分布情况来看，在压缩机叶片的前边缘处的干度为1，在叶顶的位置干度为0，由此表明当压缩机工作时超临界的二氧化碳气流在叶片顶部位置附近产生了分离的气流，在叶片高速旋转切割作用下产生了顺压梯度加速，使处于超临界状态下的CO2出现了凝结，因此通过对叶片长度的改变能够对气流的分离情况进行调整，满足优化需求。

图1 压缩机叶轮网格结构示意图

图2 叶片表面静温和干燥度分布情况示意图

2 叶片长度对压缩机工作特性影响的研究

由于压缩机工作时的流场特性是风机主风叶和分流风叶共同作用下的结果，因此为了便于分析，引入了叶片长度系数[3]，该长度系数是分流叶片长度和主叶片长度的比值，将长度系数分别设置为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，其中压缩机风叶长度系数L的原始系数为0.5，对不同情况下的流场特性进行分析，长度系数不同情况下压缩机运行的效率和堵塞流量变化情况如下页图3所示。

由图3可知：当随着叶片长度系数的变化，压缩机的工作效率先减小然后增加，当超过0.5后工作效率变化量基本趋于稳定，维持在86%左右，当叶片长度系数为0.4时压缩机的工作效率最低，约为84.2%，这主要是由于在此工况下气流波动大，导致风机运行时产生了较为明显的喘振，极大地影响了压缩机的运行效率。压缩机工作时的堵塞流量随着长度系数的增加整体上呈现先变大后减小的情况，当叶片长度系数为0.4时压缩机的阻塞流量最大，达到了6.85 kg/s，超过0.6时阻塞流量迅速降低，约为6.63 kg/s，比正常情况下降低了2.42%。

图3 不同长度系数下压缩机效率和堵塞流量变化情况

相对马赫系数[4]是表示气流叶片内流动均匀性的重要参数，能够反映出气流运行状态机压缩机运行时的稳定性情况，在压缩机在不同的叶片长度系数下的相对马赫数分布如图4所示。

图4 不同长度系数下叶片相对马赫数变化情况

由图4可知，当叶片的长度系数为0.4时，在压缩机叶轮的主叶片上分布着较大范围的低流速的气流团，这些低流速的气流团分布在叶片上，随着叶片的转动在压缩机通道内形成大的扩张，使内部流到出现堵塞，加大了压缩机内部气流的不稳定运行情况。当叶片的长度系数为0.5和0.6的情况下，压缩机叶轮的主叶片边缘上还存在着一定的低流速团体，但低流速团体的量比0.4情况下得到明显的好转，这主要是由于分流叶片长度的增加导致了对低流速团体切割扰动作用的增强，抑制了低流速团体在压缩机内的扩张，消除了叶片高压力面一侧的不稳定气流，提升了压缩机运行过程中的稳定性。当叶片长度系数为0.7时，基本能够消除风叶运行过程中的不稳定气流。

综合分析可知，当压缩机的叶片系数大于0.6时能够确保压缩机在最佳工作效率情况下降低运行过程中的阻塞流量和运行不稳定性需求。