夏征盛　+程超

摘 要：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某石化企業(yè)用軸流段與離心段聯(lián)合式壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行需求與設(shè)計(jì)能力的差異進(jìn)行分析，提出減小設(shè)計(jì)流量而不降低機(jī)組效率和做功能力的方法，并對(duì)其中的離心段葉輪軸向切割方法進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明軸向切割方法可以有效減小離心段的設(shè)計(jì)流量，同時(shí)離心段效率和做功能力略有提升，滿足企業(yè)實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；軸向切割；數(shù)值分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.210

0 引言

國(guó)內(nèi)某石化分公司三催化機(jī)組采用國(guó)外設(shè)備，該設(shè)備屬于軸流段+離心段聯(lián)合式壓縮機(jī)組，其中軸流段為13級(jí)壓縮，部分靜葉可調(diào)，離心段為1級(jí)壓縮，以下稱為復(fù)合式壓縮機(jī)。由于機(jī)組目前實(shí)際生產(chǎn)所需要的流量是機(jī)組設(shè)計(jì)流量的85%，機(jī)組長(zhǎng)期處于放空運(yùn)行狀態(tài)，大量能量白白損耗，運(yùn)行成本增高，而且放空噪音巨大，對(duì)環(huán)境造成二次污染。鑒于此，通過(guò)對(duì)該機(jī)組進(jìn)行分析，提出對(duì)該機(jī)組進(jìn)行節(jié)能降噪改造，減少流量的同時(shí)保證出口壓力、機(jī)組效率與設(shè)計(jì)參數(shù)相比無(wú)負(fù)偏差，以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 計(jì)算方法

首先確定機(jī)組軸流段氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基本原則為改變?nèi)~型流道以滿足實(shí)際需求。經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，新承缸內(nèi)徑減少4.35%，再通過(guò)部分靜葉調(diào)節(jié)能滿足改造要求。

然后進(jìn)行離心段改造，該復(fù)合式壓縮機(jī)的離心段原始結(jié)構(gòu)參數(shù)為：葉輪入口直徑D0=714mm，葉輪出口直徑D2=1000mm，葉輪出口寬度=71.5mm，葉輪葉片入口、出口安裝角為38?、45 ?，葉輪葉片厚度=21mm，葉輪葉片數(shù)=15。

該離心葉輪葉型為二維機(jī)翼型，為了保證改造后性能變化在允許范圍內(nèi)，最簡(jiǎn)單有效的辦法就是對(duì)葉輪進(jìn)行軸向或徑向切割，由于徑向切割后，葉輪與擴(kuò)壓器間的間隙增大，加大了葉輪流動(dòng)的泄露損失，對(duì)效率影響很大，此處為了保證壓縮機(jī)的效率不變，對(duì)離心葉輪進(jìn)行了等軸向比例蓋側(cè)切割變型設(shè)計(jì)，葉輪出口寬度減小，輪蓋傾角保持不變，同時(shí)為了使離心葉輪段入口與軸流段出口匹配，離心葉輪新D0與軸流段靜葉承缸出口內(nèi)徑保持一致。

最后為了盡可能少的變動(dòng)原機(jī)組，我們希望僅變動(dòng)葉輪，保持無(wú)葉擴(kuò)壓器不變，從相關(guān)資料[1-2]上可以看出，擴(kuò)壓器寬度和葉輪的匹配對(duì)機(jī)組性能有一定的影響，因此本文也考慮了無(wú)葉擴(kuò)壓器寬度對(duì)機(jī)組性能的影響，對(duì)三種方案即改造前的原始葉輪和擴(kuò)壓器，改造A方案（葉輪和擴(kuò)壓器均改變），改造B方案（僅葉輪改變，擴(kuò)壓器不變），采用CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算分析，三種方案的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

2 計(jì)算網(wǎng)格

圖1為三種方案示意圖，表1為該三種方案的結(jié)構(gòu)尺寸變化。三種方案的網(wǎng)格數(shù)分別為370000、320000、320000，網(wǎng)格最小正交角分別為14.5?、19.8 ?、14.4 ?，網(wǎng)格均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。

3 邊界條件

三種方案的邊界條件為：轉(zhuǎn)速5827r/min，入口總壓3.8bar（A），入口總溫200℃，出口總壓4.47bar（A）。

4 結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算利用商業(yè)計(jì)算軟件Numeca的euranus求解器求解三維定常湍流Navier-Stokes方程組，由于葉輪機(jī)械的周期性，采用了對(duì)1個(gè)葉輪通道聯(lián)合無(wú)葉擴(kuò)壓器進(jìn)行定常計(jì)算， 葉輪流道采用Autogrid劃分網(wǎng)格，擴(kuò)壓器采用IGG劃分網(wǎng)格，葉輪與擴(kuò)壓器之間的動(dòng)/靜交接面采用周向平均法進(jìn)行相關(guān)物理量的傳遞，空間差分采用中心差分格式。所有的收斂計(jì)算中近邊界層的Y+均小于10，收斂殘差均小于10-5，表明數(shù)值求解的結(jié)果可靠，收斂值為真值，數(shù)值結(jié)果具有網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。

對(duì)改造前（Original）、A、B三種方案進(jìn)行了湍流模型校驗(yàn)對(duì)比。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，S-A湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型的工程應(yīng)用非常廣泛，有一定的精度，因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算資源，僅對(duì)上述兩種湍流模型進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，S-A模型在改造前、A方案和B方案的效率計(jì)算中偏離過(guò)大，同時(shí)從軟件使用者的文獻(xiàn)來(lái)看[3-6]，標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型比K-A模型精確度更高，更符合實(shí)際工程需求，因此后續(xù)我們都以標(biāo)準(zhǔn)湍流模型的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

從表2的標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，A方案、B方案的流量相比改造前均大幅度減少，A方案減少14.7%，B方案減少14.5%，與用戶要求的流量減少15%相當(dāng)；A方案、B方案的效率相比改造前略有提升， A方案效率提高了0.65%，B方案效率提高了0.32%，滿足用戶要求的改造后效率不能有負(fù)偏差；A方案、B方案的靜壓比相比改造前略有提升，A方案靜壓比提高了0.76%，B方案效率提高了0.82%，滿足用戶要求的改造后壓力不能有負(fù)偏差。從上述比較可以看出，B方案能夠滿足用戶目前的實(shí)際運(yùn)行需求。

圖2為三種方案葉輪和擴(kuò)壓器子午流面的相對(duì)速度分布圖，由于方案B的葉輪出口寬度小于擴(kuò)壓器入口寬度，圖2顯示出該無(wú)葉擴(kuò)壓器靠近輪蓋側(cè)有一個(gè)低能渦存在，增大了能量損耗，對(duì)效率有一定影響，但是從相對(duì)流線的發(fā)展來(lái)看，主流速度較高，該渦區(qū)迅速衰減，到無(wú)葉擴(kuò)壓器出口時(shí)已經(jīng)看不出該渦區(qū)的影響，因此對(duì)壓縮機(jī)的性能影響有限。

5 結(jié)論

（1）驗(yàn)證了在工程應(yīng)用中，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型比湍流模型精確度更高，更符合工程實(shí)際。

（2）通過(guò)對(duì)該復(fù)合式壓縮機(jī)離心段進(jìn)行改造分析，可以看出改造后機(jī)組流量有一定程度的減少，同時(shí)機(jī)組效率和壓力都略有提升，表明軸向切割方法應(yīng)用在機(jī)組改造中完全滿足用戶要求。

（3）葉輪出口寬度與擴(kuò)壓器寬度一致時(shí)效率最高，葉輪出口寬度小于擴(kuò)壓器寬度時(shí)，會(huì)帶來(lái)部分能量損耗，有低動(dòng)能的渦區(qū)存在，但是當(dāng)氣流速度足夠大時(shí)，渦區(qū)的影響被消弱到最小，對(duì)壓縮機(jī)的效率、能頭影響較小。

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作者簡(jiǎn)介：程超（1980-），男，在職博士生，研究方向：離心壓縮機(jī)性能改進(jìn)研究。endprint