[發(fā)明專利]雙函數(shù)耦合型面調(diào)控擴壓器端壁的離心壓縮機擴穩(wěn)方法

有效

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• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113027785B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設計）人: 崔琴;秦國良;王懿;賈誠;雷健
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學
• 主分類號: F04D17/10
• 分類號: F04D17/10;F04D29/00;F04D29/44;G06F30/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發(fā)明雙函數(shù)耦合型面調(diào)控擴壓器端壁的離心壓縮機擴穩(wěn)方法，包括：首先通過對原始帶葉片擴壓器的離心壓縮機進行幾何建模與數(shù)值模擬，分析小流量工況下誘發(fā)失穩(wěn)的流動結(jié)構(gòu)，查明誘發(fā)壓縮機失速先兆最關鍵的位置，將失速先兆出現(xiàn)位置的葉片擴壓器輪轂壁面確定為造型關鍵位置；然后按照流動規(guī)律將常規(guī)平面端壁改造為具有凹凸起伏特征的雙函數(shù)耦合型面，通過調(diào)整三個型面控制參數(shù)靈活地構(gòu)造不同形式的凹凸端壁，所述雙函數(shù)耦合型面在擴壓器所有葉片通道內(nèi)以葉片中弧線為邊界呈周期性陣列。本發(fā)明通過改變流道幾何形狀改變近壁面流速與壓力分布，有效抑制離心壓縮機小流量工況下的流動分離，推遲旋轉(zhuǎn)失速和喘振發(fā)生，從而拓寬離心壓縮機穩(wěn)定運行范圍。

技術領域

本發(fā)明屬于離心壓縮機技術領域，具體涉及一種雙函數(shù)耦合型面調(diào)控擴壓器端壁的離心壓縮機擴穩(wěn)方法。

背景技術

離心壓縮機由于具有體積小、單級壓比高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在冶金、石化、天然氣運輸、制冷、電力等行業(yè)中發(fā)揮著至關重要的作用。隨著現(xiàn)代化工業(yè)進程的不斷推進，發(fā)展高負荷、寬工況、高效率、小型化離心壓縮機是當前的重要趨勢之一，并對離心壓縮機的性能提出了更加嚴苛的要求。縱觀國內(nèi)外學者對離心壓縮機的研究發(fā)現(xiàn)，依靠先進的設計方法可以實現(xiàn)高負荷離心壓縮機設計，但會面臨穩(wěn)定運行范圍顯著變窄和峰值效率向喘振點移動的難題。因此，壓縮機穩(wěn)定運行范圍窄是制約高負荷、寬工況離心壓縮機發(fā)展的重要因素，特別是小流量工況下的旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象嚴重危害離心壓縮機的穩(wěn)定運行。因此，通過有效的技術手段推遲旋轉(zhuǎn)失速和喘振的發(fā)生，拓寬壓縮機的穩(wěn)定運行范圍，對提高離心壓縮機的性能和可靠性具有重要意義，也是壓縮機安全穩(wěn)定運行需要解決的關鍵問題之一。

對于帶有葉擴壓器的離心壓縮機，離心葉輪出口的強烈非均勻流場導致葉片擴壓器內(nèi)部流動紊亂，失速先兆首先發(fā)生在葉片擴壓器的無葉以及半無葉區(qū)域。因此，抑制葉片擴壓器在小流量工況下誘發(fā)失速的流動分離至關重要。國內(nèi)外學者針對離心壓縮機失穩(wěn)機理提出了很多主動及被動擴穩(wěn)技術。被動流動控制技術具有裝置簡單、成本低廉、不需要額外的能量輸入等特點而被廣泛采用，例如，機匣處理、串列葉柵擴壓器、可調(diào)節(jié)葉片擴壓器等。這些方法在拓寬離心壓縮機穩(wěn)定運行范圍方面具有一定功效，但使得葉片擴壓器結(jié)構(gòu)相對復雜，增加了設計和制造難度。非軸對稱端壁造型技術可依據(jù)流動規(guī)律將軸對稱端壁設計成凹凸起伏型面端壁，通過改變流道的幾何形狀來控制近端壁流動的方向與強弱以減小流動損失。目前非軸對稱端壁造型技術在離心壓縮機中的研究、應用尚不成熟。

周莉?qū)δ畴x心式壓縮機葉片擴壓器輪轂側(cè)進行了非軸對稱端壁數(shù)值優(yōu)化研究，采用優(yōu)化端壁擴壓器后，使設計點總壓損失減小，但穩(wěn)定運行范圍有所減小。郎進花在楔形葉片擴壓器輪轂側(cè)進口區(qū)域采用非軸對稱端壁造型結(jié)構(gòu)，使擴壓器通道內(nèi)的流量重新分配從而延緩喘振的發(fā)生，實現(xiàn)11.8％的穩(wěn)定運行范圍擴展。Hermann在離心壓氣機的葉片擴壓器輪轂側(cè)進口區(qū)域采用了端壁造型技術，改變了葉片擴壓器前緣流動氣流角分布，增加了8％的穩(wěn)定運行范圍。研究表明，非軸對稱端壁造型技術在拓寬離心壓縮機穩(wěn)定運行范圍方面具有一定功效。但是，關于葉片擴壓器非軸對稱端壁造型方法只是給出了一種思路，沒有通用的離心壓縮機非軸對稱端壁造型方法，使端壁造型技術難以融入離心壓縮機設計體系。因此，非軸對稱端壁造型方法的提出對推動該技術在離心壓縮機中的研究具有重要意義。

西北工業(yè)大學周莉在2016年第106089806號中國專利說明書中公開了一種減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，采用NURBS曲面構(gòu)造一對幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)。該端壁處理方法使壓氣機總壓損失降低，進而峰值效率和壓比相應地提升。但是，該方法僅能改變非軸對稱端壁結(jié)構(gòu)的峰值大小，不能改變周向凹凸形式和峰值沿流向的變化，導致生成的凹凸端壁形式單一，不能實現(xiàn)凹凸端壁形式多樣性變化。而且端壁造型位置未選擇在流動失穩(wěn)關鍵位置，只達到了降低設計點流動損失的目的，未能實現(xiàn)擴穩(wěn)的效果。

發(fā)明內(nèi)容