張震宇 郭榮祥
(內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古 包頭 014010)
葉輪是離心壓縮機(jī)對介質(zhì)進(jìn)行做功的部件,介質(zhì)在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動下獲得較高的速度,并在離心力的作用下通過擴(kuò)壓器、彎道以及回流器等部位進(jìn)入下一級葉輪中,最終氣體進(jìn)入蝸室后又出來,從而完成了介質(zhì)的整個增壓過程。
按照葉輪的結(jié)構(gòu)形式可以分為開式葉輪、半開式葉輪以及閉式葉輪。其中開式葉無輪蓋和輪盤,因此結(jié)構(gòu)最簡單。由于介質(zhì)體通過開式葉輪時的流動損失較大,因此開式葉輪幾乎不被用在離心壓縮機(jī)中。半開式葉輪在開式葉輪的基礎(chǔ)上增加了輪盤,其具有高強(qiáng)度的特點。半開式葉輪與開式葉輪相比效率有所提升,但仍低于閉式葉輪。閉式葉輪由輪蓋、葉片以及輪盤共同組成。介質(zhì)在通過葉輪時完全被限制在葉輪內(nèi)部流道中,使閉式葉輪具有介質(zhì)泄漏量小、流動損失小以及效率高等優(yōu)點,因此在離心壓縮機(jī)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。
葉片通常由等厚度的薄金屬板制成的二元葉片,這種葉輪通常稱為二元葉輪。二元葉輪中葉片的加工工藝較為簡單且具有制造成本低的優(yōu)點。
三元扭曲葉片的葉輪簡稱為三元葉輪。三元扭曲葉片所形成的流道更適合介質(zhì)在葉輪中流動,因此具有較高的效率。三元葉輪中葉片的制造工藝相對復(fù)雜,但隨著加工技術(shù)不斷進(jìn)步,三元葉輪被越來越廣泛地應(yīng)用于離心壓縮機(jī)中。
根據(jù)葉輪葉片出口角度的不同可以將葉輪分為前彎型葉輪、徑向型葉輪和后彎型葉輪。其中前彎型葉輪中葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同,葉片出口角度大于90°;徑向型葉輪中葉片出口角度等于90°;后彎型葉輪中葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相反,葉片出口角度小于90°。
由于前彎型葉輪中的葉片彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同,介質(zhì)在葉輪流道中的流動距離相對較短,因此其穩(wěn)定工作范圍相對較窄且工作效率較低,因此被大量應(yīng)用于通風(fēng)機(jī)中。但是使用前彎型葉輪能夠使介質(zhì)獲得更高的流動速度,從而使其在葉輪出口處獲得較大的靜壓。
介質(zhì)在后彎型葉輪中流動時與離心力作用下的運動方向相同,可以顯著減小介質(zhì)與葉片之間的沖擊,具有效率高、能量損失小、流動噪聲低以及穩(wěn)定工作范圍寬等優(yōu)點,因此被多用于離心壓縮機(jī)中。與前彎型葉輪不同,后彎型葉輪無法使介質(zhì)以較高的速度流出葉輪,因此介質(zhì)所獲得的動壓較低。三種形式葉輪的性能特點比較見表1。
表1 三種形式葉輪的性能特點
為總結(jié)葉輪結(jié)構(gòu)變化對機(jī)壓比以及多變效率影響的一般規(guī)律,分別調(diào)整葉輪的葉片數(shù)量、葉片厚度以及葉片出口安裝角等主要結(jié)構(gòu)參數(shù),并建立具有不同結(jié)構(gòu)的葉輪模型,在進(jìn)口條件如溫度、壓力以及分子量等分析條件保持不變的前提下,分別計算不同進(jìn)口質(zhì)量流量下葉輪的壓比和多變效率,從而得出該結(jié)構(gòu)下葉輪壓比和多變效率隨質(zhì)量流量變化的性能曲線。為便于比較,基礎(chǔ)葉輪模型的直徑為800mm、葉輪葉片出口寬度為40mm,葉片數(shù)量為15片、葉片厚度為12mm,葉輪出口角為77.5°,轉(zhuǎn)速為4800r/min。
分別建立葉片數(shù)量為13片、14片、15片、16片以及17片的葉輪模型,并計算進(jìn)口質(zhì)量流量在1.6kg/s、2.6kg/s、3.6kg/s、4.6kg/s、5.6kg/s以及6.6kg/s等6種條件下葉輪的壓力和多變效率,將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后繪制出葉輪在不同葉片數(shù)量時的壓比-流量性能曲線和多變效率-流量性能曲線,如圖1所示。
由圖1中的流量-壓比曲線可以看出,同一種葉輪在入口流量增后壓比逐步下降。以葉片數(shù)量為15片的基礎(chǔ)葉輪為例,入口流量由1.6kg/s增加至6.6kg/s后,其壓比由1.211降低至1.148,共下降了5.2%。同時,在同一流量下,隨著葉輪中葉片數(shù)量的增加壓比也有所增大,以入口流量為3.6kg/s為例,當(dāng)葉輪葉片數(shù)量由13片增加至17片后,壓比由1.181增加至1.219,共增加了約3.2%。
由圖1中的流量-多變效率曲線可以看出,隨著入口流量由1.6kg/s開始逐步增加,葉輪的多變效率也開始逐步提高。當(dāng)達(dá)到效率最高點后,隨著入口流量的繼續(xù)增加,葉輪的多變效率迅速下降。這是由于閉式葉輪中葉片扭曲程度較高且葉片間的流道相對狹小,當(dāng)流量持續(xù)增加時容易在流道內(nèi)形成嚴(yán)重的阻塞現(xiàn)象,從而導(dǎo)致葉輪的多變效率有所降低。
圖1 不同葉片數(shù)量葉輪性能曲線
在5種葉片數(shù)量的葉輪中,葉片數(shù)量為13片和17片時葉輪的多變效率較低。這是由于當(dāng)葉片數(shù)量為13片時,葉片之間形成的流道擴(kuò)張角較大,邊界層厚度較厚,導(dǎo)致分離損失和流動損失增加。當(dāng)葉片數(shù)量為17片時,葉片之間的流道較窄,介質(zhì)的流動損失增加,并極易在葉輪進(jìn)口處形成阻塞現(xiàn)象。因此當(dāng)葉輪中葉片數(shù)量過多或過少時均會導(dǎo)致葉輪多變效率的降低。當(dāng)葉片數(shù)量為14片、15片和16片時,介質(zhì)在葉輪中的流動速度分布均勻,各類損失相對較低。通過上述計算和分析可以總結(jié)出如下兩點規(guī)律:首先是當(dāng)入口流量相同時,通過增加葉輪中葉片數(shù)量可以起到增加壓比的作用;其次是葉輪中葉片數(shù)量過多或過少時均會導(dǎo)致多變效率的降低。
分別建立葉片厚度為10mm,11mm,12mm,13mm,15mm時的葉輪模型,并計算進(jìn)口質(zhì)量流量在1.6kg/s、2.6kg/s、3.6kg/s、4.6kg/s、5.6kg/s以及6.6kg/s等六種條件下葉輪的壓力和多變效率,將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后繪制出葉輪在不同葉片厚度時的壓比-流量性能曲線和多變效率-流量性能曲線,見圖2。
由圖2中的流量-壓比曲線可以看出,同一種葉片厚度的葉輪在入口流量增后壓比逐步變小。以葉片厚度為12mm的基礎(chǔ)葉輪為例,入口流量由1.6kg/s增加至6.6kg/s后,其壓比由1.212降低至1.146,共下降了5.45%。同時,在同一流量下,隨著葉輪中葉片厚度的增加壓比也會變小,以入口流量為3.6kg/s為例,當(dāng)葉輪中葉片厚度由10mm增加至14mm后,壓比由1.211降低至1.189,共降低了約1.82%。
圖2 不同葉片厚度葉輪性能曲線
由圖2中的流量-多變效率曲線可以看出,隨著入口流量由1.6kg/s開始逐步增加,5個葉輪的多變效率也開始逐步增大。當(dāng)達(dá)到效率最高點后,隨著入口流量的繼續(xù)增加,葉輪的多變效率迅速下降。這是由于當(dāng)葉片厚度增加后,葉輪中流道的擴(kuò)張角的角度減小,擴(kuò)張損失也對應(yīng)下降,從而導(dǎo)致葉輪的多變效率有所提升。隨著葉輪中葉片厚度的繼續(xù)增加,葉輪中的流道截面積不斷變窄,導(dǎo)致速度梯度和力的梯度也有所降低,容易導(dǎo)致二次流現(xiàn)象,從而導(dǎo)致流動損失增加。
通過上述計算和分析可以總結(jié)出如下幾點規(guī)律:首先是當(dāng)入口流量相同時,增加葉輪中葉片厚度會導(dǎo)致葉輪的壓比變??;其次是葉輪中葉片厚度過薄或過厚時均會導(dǎo)致多變效率的降低;最后是減小葉片厚度時葉輪的壓比變化相對較小,但對葉輪的多變效率影響較大,增加葉片厚度后會降低葉輪的壓比,但是由于葉片厚度增加而導(dǎo)致的葉輪多變效率的增加幅度大于葉輪壓比減小的幅度。
由于離心壓縮機(jī)中葉輪的周速較高,因此對葉輪自身強(qiáng)度方面也具有較高的要求。適當(dāng)增加葉輪中葉片的厚度還可以起到提升葉輪自身強(qiáng)度的作用。因此,在葉輪滿足離心壓縮機(jī)壓比的前提下可以適當(dāng)增加葉輪中葉片的厚度,這樣不僅可以有效提升葉輪強(qiáng)度,保障離心壓縮機(jī)的安全,還可以使離心壓縮機(jī)的多變效率得到大幅提升。
葉輪出口安裝角的變化同樣會對離心壓縮機(jī)的性能產(chǎn)生重要影響,這是由于葉輪中葉片的彎曲程度不同,從而改變?nèi)~輪中介質(zhì)的流動情況,為分析與總結(jié)葉輪出口安裝角對葉輪壓比與多變效率的影響,分別建立葉輪出口安裝角度為67.5°、72.5°、77.5°、82.5°、87.5°時的葉輪模型,并計算進(jìn)口質(zhì)量流量在1.6kg/s、2.6kg/s、3.6kg/s、4.6kg/s、5.6kg/s以及6.6kg/s等六種條件下葉輪的壓力和多變效率,將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后繪制出葉輪在不同葉片出口角時的壓比-流量性能曲線和多變效率-流量性能曲線,如圖3所示。
圖3 不同葉片出口角葉輪性能曲線
由圖3中的流量-壓比曲線可以看出,同一種葉輪在入口流量增后壓比逐步下降。以葉輪出口角度為77.5°的基礎(chǔ)葉輪為例,入口流量由1.6kg/s增加至6.6kg/s后,其壓比由1.212降低至1.148,共下降了5.28%。同時,在同一流量下,隨著葉輪出口安裝角度的增加,葉輪的壓比也有所提升,以入口流量為3.6kg/s為例,當(dāng)葉輪葉片數(shù)量由13片增加至17片后,壓比有由1.19增加至1.208,共增加了約1.51%。
由圖2中的流量-多變效率曲線可以看出,隨著入口流量由1.6kg/s開始逐步增加,葉輪的多變效率也開始逐步提升。當(dāng)達(dá)到效率最高點后,隨著入口流量的繼續(xù)增加,葉輪的多變效率迅速下降。
通過上述計算和分析可以總結(jié)出如下兩點規(guī)律:首先是當(dāng)入口流量相同時,通過增加葉輪出口安裝角的角度可以提升葉輪的壓比;其次是葉輪出口安裝角應(yīng)與運行工況的流量相匹配。
綜上所述,對離心壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行模擬分析,分別總結(jié)了葉片數(shù)量、葉片厚度以及葉片出口角等葉輪結(jié)構(gòu)對壓比與多變效率的影響。在實際設(shè)計過程中,應(yīng)結(jié)合實際的運行工況,不斷對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化,確保離心壓縮機(jī)處于最佳運行點,從而提升離心壓縮機(jī)的性能。