两级串联MVR 低温升蒸汽压缩机的气动设计

陈 勇，崔小健

（南通大通宝富风机有限公司，江苏 南通 226000）

1 研究背景

20 世纪80年代随着中国对工业项目环保节能要求的提高，MVR 技术被引进到国内，MVR 是机械式蒸汽再压缩技术（Mechanical Vapor Recompression）的简称，是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，经蒸汽压缩机压缩做功，提升二次蒸汽的热焓，导进冷却塔，冷却塔的冷却水循环预热物料。如此循环向蒸发系统提供热能，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。

国产MVR 高温升蒸汽压缩机于21 世纪初期开始起步，其中离心式高速压缩机技术源自单级高速鼓风机，普遍以高转速（15000～35000 r/min）、温升（10～24 ℃）为主，技术趋于成熟且已占领国内市场。

低温升MVR 压缩机技术特征为低转速（7000 r/min以下）、低温升（8 ℃以下）。该产品技术含量较高，设计难度较大，加工制造难度低，目前国内终端及总包用户均依赖进口。随着国家政策法规对工业生产废水处理的要求日趋严格，MVR 蒸发器（包括低速压缩机）的市场需求会越来越大。低速蒸汽压缩机与单级高速蒸汽压缩机相比，结构更简洁，运行更平稳。

本文对用于MVR 蒸发器装置的低温升压缩机的叶轮、蜗壳进行了气动设计，并分别对叶轮、整机进行了数值模拟。表1 为设计点技术要求。

表1 设计点技术要求

2 一维设计方案结构及性能分析

叶轮机械内部流动是一个逆压过程，叶轮的高速旋转和叶道复杂几何形状都使其内部流动变成了非常复杂的三维湍流流动。本文数值计算采用TurboTides商用软件包，基于k－ε湍流模型进行数值模拟。

由于第二级需在第一级叶轮基础上通过流道切割形式得到，因此主要对第一级叶轮进行气动设计，在完成第一级设计后再对第一级进行切割，确定第二级的主要尺寸。

2.1 一维详细结构参数

鼓风机采用叶轮+焊接蜗壳结构布局，其中叶轮为封闭式叶轮，带一体式导风轮。具体参数参见表2、表3、表4 和图1、图2。

图1 一级子午流道结构参数示意图

图2 二级子午流道结构参数示意图

表2 叶轮结构参数

表3 叶轮角度分布（第一级/第二级）

表4 蜗壳结构参数

2.2 一维性能分析

基于上述的一维模型及表1 的设计条件，对其进行性能分析，具体如表5、表6、表7 所示。

表6 叶轮一维设计点性能

表7 蜗壳一维设计点性能

由表5可知，一维评估出二级出口静压为157.56 kPa。在设计流量下，整机的气动消耗功率（不含盘损和泄漏损失）约为2297 kW，一、二级功率分别为1149 kW、1148 kW，总效率均达到或超过84%，可以满足设计要求。

表5 一维设计点性能

3 详细三维几何造型及三维CFD 仿真性能分析

3.1 最终模型气动三维几何造型

图3 和图4 为基于一维设计的最终三维气动模型示意图。

图3 三维几何建模

图4 两级叶轮对比

3.2 详细CFD 三维气动仿真

3.2.1 网格划分及设计点性能分析

基于对网格无关性的研究，最终模型的一级网格量选取为55 万，二级网格量为58.5 万，在各边界层网格进行相应的加密处理，如图5 所示。

图5 三维仿真网格示意图

对其设计点进行三维仿真计算如表8 所示。从表中可以看到，在设计流量25 kg/s 附近，出口静压157.74 kPa，60%额定流量时，出口静压156.2 kPa，达到设计要求。图6、图7 为设计点流场的相对马赫数及熵的分布云图。

表8 三维CFD 设计点性能

图6 叶轮相对速度分布云图

图7 叶轮熵分布云图

3.2.2 非设计点气动性能分析

图8、图9 分别为第一、第二级三维气动仿真性能图。其中，第二级的进口边界总压均与第一级出口静压相等，进口总温为饱和蒸汽温度。

图8 一级CFD 仿真特性线图

图9 二级CFD 仿真特性线图

4 结论

本文对用于MVR 蒸发器的两级串联低温升压缩机进行了气动设计和数值模拟，从上述气动详细分析可知，仿真性能满足设计要求。但设计和加工中存在一些技术风险，会造成仿真性能与试验性能有偏差。尽管气动仿真计算能最大限度地模拟真实流场，但仿真计算仍然与真实流场有一定偏差，因此需要试验进一步校核偏差量。加工及装配也会造成机械误差。设计中叶轮流道与叶型表面为光滑曲面，部件之间光顺连接，而实际中，加工精度和装配偏差均会造成一定的性能损失，需要尽量降低加工与装配造成的机械损失。计算结果说明，设计流量下，第一级及第二级压缩机均满足设计要求。