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心压缩机大流量系数模型级叶轮外径切削的试验研究

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心压缩机大流量系数模型级叶轮外径切削的试验研究心压缩机大流量系数模型级叶轮外径切削的试验研究 许 敏 孙 洋 赵 强/沈阳鼓风机集团有限公司 摘要:叙述了一个离心压缩机大流量系数模型级叶轮外径切削的研究结果,首先对外径切割后作CFD计算比较,然后做模型级的切削试验,通过试验不仅对CFD计算结果得到了验证,同时切削后得到了与母型级性能相近的良好性能的派生级。 关键词:离心式压缩机;模型级;流量系数 中图分类号:TH452 文献标识码:B 文章编号:1006-8155(2008)05-0020-04 Experimental Study on Outer Diam...
心压缩机大流量系数模型级叶轮外径切削的试验研究
心压缩机大流量系数模型级叶轮外径切削的试验研究 许 敏 孙 洋 赵 强/沈阳鼓风机集团有限公司 摘要:叙述了一个离心压缩机大流量系数模型级叶轮外径切削的研究结果,首先对外径切割后作CFD计算比较,然后做模型级的切削试验,通过试验不仅对CFD计算结果得到了验证,同时切削后得到了与母型级性能相近的良好性能的派生级。 关键词:离心式压缩机;模型级;流量系数 中图分类号:TH452 文献标识码:B 文章编号:1006-8155(2008)05-0020-04 Experimental Study on Outer Diameter Cutting of Model Stage Impeller with Large Flow Coefficient of Centrifugal Compressors Abstract: This paper described the result of experimental study on outer diameter cutting of model stage impeller with large flow coefficient of centrifugal compressors. First, the performance of stage after outer diameter cutting is analyzed through CFD. Secondly, the cutting test for model stage is carried out. The CFD calculation result is verified through the test. And derivational stages are obtained after cutting of proto-stage, and have good performance closed to the latter. Key words: centrifugal compressor; model stage; flow coefficient 0 引言 随着工业装置不断地向着大型化方向发展,要求离心压缩机也向着大流量,高性能方向发展。近几年大流量系数、高马赫数的离心压缩机级的研究和应用就是其中一个重要的标志。它的出现不仅提高了离心压缩机的性能,节省了能源,而且大大缩小了机器的尺寸,降低了制造成本和运行成本。然而这种大流量系数(φ=0.14,0.18)、高马赫数(Mu,1.0)的离心压缩机级,叶轮为跨音速叶轮,在叶轮叶片进口的1 叶尖部分往往有较强的激波存在。同时由于叶道宽,二次流强烈,靠轮盖的叶片吸力面不可避免地有较强的气流分离区。这不仅加大了叶轮的损失,同时也给叶轮出口造成很大的流动扭曲,给后续元件带来很不 ,,1利的气流结构。这不仅增加了扩压器叶片设计的难度,增加了损失,而且也使变工况性能迅速恶化。因此这种模型级的开发是有很大技术难题的,也是目前世界各先进离心压缩机生产厂家和研究机构研究的前 ,,2沿课题。我公司研发部近几年也着力于研发大流量系数、高马赫数、高能头系数的模型级。经过艰苦努力和创新,也取得了一些可喜的技术突破和成果,成功地应用于百万吨乙烯装置的丙烯压缩机新产品中。叶轮外径切削就是一个非常有效的方法。它不仅扩大了模型级的应用范围,而且对模型级的系列化也具有重大意义。 1 试验研究分析和CFD计算比较 试验研究是针对我公司研发部近年来研发的一个半开式高能头、大流量系数的模型级进行叶轮外径切 削的计算和试验。该模型级具有如下参数:并在图1列出其级性能。 叶轮型式:半开式 叶轮外径:D=240mm 2 流量系数:φ=0.15 1 能头系数:τ=0.72 级多变效率:η=0.825 pol 机器马赫数:Mu=1.05 叶片扩压器:串列叶栅 ———————————— 1 收稿日期:2008-06-23 沈阳市 110142 图1 母型级级性能 考虑到该模型级叶轮叶片进口叶尖尺寸已经很大了D/D,0.72,故外径D不宜切削太大。这是其一;122 其二是研究D切削的目的,一方面是为了扩展模型级的应用范围;另一方面为积累切削后的性能与母型2 级性能建立某种联系,而后加以修正。因此必须保证切削后的性能与母型级相接近,这就是说D切削量2不宜过大,如果切削大了性能差异就大了。因此,经分析与CFD计算后,决定切削量为D的5,。切削2试验分两次进行:第一次,D切削2.5,;第二次,D切削5,,而且其他级元件均保持不变。模型级叶22 轮外径切削后,作了CFD分析计算。计算时考虑到计算的工作量太大,只作了叶轮加上串列扩压器的计算。也就是CFD计算的结果参数都是串列扩压器出口的参数,这与级试验时级出口(蜗壳出口)的参数是有所不同的。CFD计算的目的不是为了计算性能与级试验性能的比较而是考察母型叶轮外径切削后能头系数和效率的相对变化,计算结果主要参数见表1。 表1 计算结果主要参数(Mu=1.05) 名义流量系数φ 能头系数τ 级多变效率η /, 系数K 系数h τη1pp 母型 0.1608 0.7337 84.43 1.0 1.0 切削? 0.1608 0.7261 83.67 0.99 0.991 切削? 0.1608 0.7222 81.33 0.984 0.986 图2列出了CFD计算性能(扩压器出口)与级试验性能(蜗壳出口)的比较。从表1中可看到,所研究的大流量系数跨音速级,叶轮外径切削5,以内,在设计点工况级能头系数和效率均有所下降。其下降的量值在1,,1.2,。工况变化时性能变化的趋势在小流量工况区与母型相当接近,而在大流量工况区差异较大,CFD计算的大流量范围比试验结果要大些。 (a)名义流量系数—多变效率 2 (b) 名义流量系数—总压比 (c) 名义流量系数—名义能头系数 图2 CFD计算性能(扩压器出口)与级试验性能(蜗壳出口)的比较 试验在我公司的试验中心离心压缩机高速模型级试验台上进行。试验级的级性能测量按试验中心的进行。试验分三次,第一次对所选取的母型级进行试验;第二次叶轮外径切去2.5,;第三次叶轮外径切去5,。三次试验级的其他元件都不变化,试验结果为了便于分析比较,采用无因次参数:能头系数τ,流量系数φ,多变效率η表示。 1p 试验结果见图3,图8。 图3 派生级?性能 3 图4 派生级?性能 图5 Mu=0.95母型级与派生级性能比较 图6 Mu=1.05母型级与切削派生级性能比较 图7 切削派生级?性能 4 图8 切削派生级?性能 试验结果的主要参数见表2和表3。 =1.05) 表2 试验结果主要参数(Mu D/ D φ τ η 喘振裕度 k k η τη2cut21pppmax 母型级 1.0 0.15 0.716 0.813 0.837 1.0 1.0 0.817 派生级? 0.975 0.15 0.684 0.792 0.837 1.005 0.974 0.805 派生级? 0.95 0.15 0.656 0.778 0.837 1.0152 0.957 0.79 表3 试验结果主要参数(Mu=0.95) D/ D φ τ η 喘振裕度 k k η τη2cut21pppmax 母型级 1.0 0.14 0.715 0.825 0.842 1.0 1.0 0.825 派生级? 0.975 0.14 0.688 0.805 0.821 1.012 0.976 0.808 派生级? 0.95 0.14 0.662 0.79 0.80 1.026 0.958 0.80 从上述试验结果可以看到,对大流量系数跨音速叶轮,外径切削5,以内时,其设计工况点性能与变工 况性能与母型性能十分接近。在设计工况点,切削后能头系数上升1,,1.2,,但级效率下降2,,3.5,。 而切削后最高效率点与母型相比向小流量方向偏移,切削后的最高效率值与母型相比下降2,左右。因此, 对于大流量跨音速模型级采用叶轮外径切削5,以内,以调整各种压缩机#设计#的需要是可行的,但切 割后必须对性能给予一定的修正。 从切削外径2.5,和5,所得到的两个派生级的试验性能看,虽然与母型相比级效率有所下降,但仍保 持了母型级的优良性能。同时,可贵的是其流量系数值比母型级扩大7.5,和15,,可以做为两个独立的 模型级使用。 CFD计算与试验数据之间有较大的差别,试验性能偏小流量方向,而计算偏大流量方向,计算方法有 待于进一步探讨。 2 结论 (1)对大流量系数跨音速模型级,叶轮外径在5,以内切削以此扩大使用范围来满足各种设计方案的需 要。或以此作为模型级系列化的一种方法是可行的,但必须对级性能给予一定的修正。 (2)在5,的小范围内切削已有的优良模型级的叶轮,而派生出来的级虽效率有所下降,但仍然能保持 母型级的优良性能,派生级经性能修正后,可以作为独立的模型级使用。 (3)CFD计算与试验比较存在一定偏差,尤其在大流量区域,有待于进一步深入探讨。 参 考 文 献 [1] 徐忠.离心压缩机原理[M].机械工业出版社,1990. [2] NREC,Concepts User Manual Concepts,co.Ltd. 5 6
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