离心压缩机可调进口导叶研究综述9

1、离心压缩机可调进口导叶研究综述谭佳健毛义军祁大同/西安交通人学能源与动力工程学院 王 锐 王学军/沈阳鼓风机(集团)有限公司摘要：综述了国内外对离心式压缩机可调进口 导叶的研究状况，概括性地分类介绍了目前研 究热点中取得的成绩和而临的问题，并对相关 问题进行了探讨。关键词：离心式压缩机 可调进口导叶综述 中图分类号：th452 文献标识码：a 文章编号：1006-8155 (2006) 03-0044-06research overview on adjustable inlet guide vane for centrifugal compressor abstract: the domes

2、tic and oversea research state of inlet guide vane of centrifugal compressor is summarized, the development and problems in research are introduced briefly, and the relative problems are discussed key words: centrifugal compressor adjustable inlet guide vane overview1引言人多数离心式压缩机在实际运行时都是 在一定工况范围内工作，仅

3、在一个工况点运 行的悄况綾少。所以，除提高设计点的效率 之外，提高离心式圧缩机的调节性能也是节 约能源的有效途径之一。离心式压缩机常用的调节方法有进出口 节流、可调进口导叶调节、可调叶片扩压器 调节和变转速调节等。其中，可调进口导叶 (variable inlet guide vanes,简称vigv)调节 是通过改变叶伦进口导叶的安装角从而改变 气流预旋的调节方法。与变转速调节相比， 这种调节方式虽然效率较低，但在某些方面 有自己的特色,如：系统结构札i对比较简单, 可以在不停车的条件下进行调节，利用伺服 机构还可实现自动化。因此，具有广阔的应 用前景与研究价值。可调进口导叶在20世纪50年

4、代初就已 经用于风机调节，到8()年代后期，国外对 离心式压缩机可调进口导叶开始了比较全 面的理论和试验研究，取得了较人的进步。 而国内的研究普遍要晚于国外，总体水平与 国外尚冇一定差距。冃前，国内外学者对离 心式压缩机可调进口导叶的研究主要集中 在可调进口导叶的调节性能、相关结构参数 对导叶性能的影响、可调进口导叶与叶轮非 定常相干作用、可调进口导叶的常见故障及 处理等方而。2可调进口导叶的调节性能通常，评价可调进口导叶性能的主要标 准有两个：一是调节范围的大小；二是调节 效率的高低。调节效率是指整个调节范围内 或某一规定调节范围内的平均效率。2. 1调节范围西安交通大学空气动力实验室曾对一

5、 个离心式压缩机级进行了进气预旋试验，得 出了预旋角分别为,一21°,-17°,0°,+10°时 的级性能曲线。试验表明，当正预旋增加时, 饥下降,能量头曲线屮=g就向左下 方'移动；当负预旋增人时，想增大，能量 头曲线屮=f e就向右上方移动，从而使 稳定工况范围扩人叫 williams进行了压比 为1.7的过程压缩机的试验，在+60°的进口 预旋介下，测得喘振线往小流虽方向移动， 压缩机的稳定工况范围扩人。随后， rodgers对压比为5的小型燃气透平压气机 试验表明，在+40°的进口预旋介下，喘振 线同样往小流量方向移动

6、，稳定工况范围也 得到了扩大。yuji iwakiri151对带可调进口 导叶的小型离心式压缩机的性能进行了三 维cfd研究，并且针对不同的可调进口导叶 安装角，用试验验证了安装角分别为(t， +12°，+24°，+36°，+48°，+60"时，喘 振流量随可调进口导叶安装角的增人而减 小，与无预旋流动相比最人可减小14%。2.2调节效率理想的可调进口导叶不仅仅需要有较 宽的调节范i韦i，还要求有较高的效率，即较 低的损失。从其调节原理来看，它既有-预旋 效应，又有节流效应。当压缩机负荷变化不 人即导叶安装和较小时，预旋效应占主导地 位，如果导

7、叶叶型设计较好，具有良好的气 动性能，这样其产生的损失就较小。西安交 通大学空气动力实验室的进气预旋试验还 表明，在导叶安装角较小的调节范围内 (-26°+10°)，与无预旋相比,最高级效 率值变化并不人，效率曲线的形状及平坦程 度也相差无几，具有较高的调节效率。而当 负荷变化大，即导叶安装角较大吋，节流效 应占主导地位，这时就同节流调节一样，调 节效率就较低。另外，当导叶安装角较人时, 在可调进口导叶的前缘会产生较大的冲击 损失，且气流通过导叶产生预旋后，气流方 向与叶轮叶片进口安装如不一致，也会产生 冲击损失，导致效率降低。值得指出的是， 采用可调进i i导叶负预旋调节

8、时，理论上可 以提高离心式压缩机的压力和流最，但却能 导致叶轮进口气流相对速度的马赫数增大， 从而增大损失。因此，采用负预旋调节时， 调节范围应有一定的限度血7j3结构参数对可调进口导叶性能的 影响3.1通道几何形状对性能的影响3.1.1柱状坏形通道swain181 使用 dawes cfd 程序 btob3d 实现了对可调进口导叶柱状坏形通道性能 的数值研究，但其忽略了在不同导叶安装角 下叶顶间隙的变化和内壁的影响，随后 coppinger 和 swain 使川 cfx tasc-flow 进 行数值分析得到了比较准确的结果，指出可 调进口导叶系统柱状坏形通道的3个不利z 处叫(1) 在导叶

9、安装角较大时，进气通道 中心存在一个明显的泄漏区域，这个区域将 会导致产牛轴向射流。(b)(a) 叶顶附近的速度矢量(b) 叶根附近的速度矢量图1(2) 在中等导叶安装角(30°60°)时, 叶顶处打开了一个间隙区域，这个间隙导致 损失增人。(3) 在导叶安装角较人时，气流通过 导流叶片时会出现很大的压降，而在叶顶相 对具转轴是悬臂的，这将导致叶片承受较人 的弯矩。图1表示了柱状环形通道对调进口导 叶在安装角为+30°时的导叶叶顶和叶根附 近的速度矢量图。3.1.2球状环形通道为改进柱状环形通道的性能，swain采 用了球状环形通道来减少导叶叶顶、叶根附 近的叶片

10、间隙。从图2屮通道几何形状的比 较町以看出，利用球状环形通道内壁面配合 叶顶和叶根为圆弧形状的导叶示，可以明显 减少导叶叶顶、叶根附近的叶片间隙，并且 对于任何导叶安装角时叶顶、叶根附近的叶 片间隙都怛定不变。图3为球状环形通道可 调进口导叶系统在叶片安装角为+30°时叶 顶和叶根附近的速度矢量图。swain研究指 出冈，与柱状环形通道设计相比，这种新型(a)柱状环形通道(b)球状环形通道图2柱状和球状环形vigv通道截面的比较叶片和通道可使气流通过vigv系统时的总 压损失明显减少。3.1.3鬪锥形通道球状环形通道内壁血配合叶顶和叶根 为圆弧形状的导叶，可以最小化在所有安装 角时的

11、叶丿丫间隙,但是它在叶轮进口之前产 生了一个弯曲通道截面。于这个弯曲通道截血，从而导致了边界层分 离。coppinger和swain"】经cfd分析后， 尝试川叶顶处为闘锥形的内壁面來代替球 状环形通道内壁血从而消除分离团和减少 通道损失，如图5。经试验证实，在叶顶处 采丿ij閲锥形的内壁面后分离团的确减少了, 但是并不能减少导叶系统损失。图4 了午面视图屮出现的分离团正是由图3 (a)叶顶附近的速度矢量(球状环形通道及vigv安装角为+30“)(b)叶根附近的速度矢量(球状环形通道及vigv女装角为+30°)图4球状坏形通道内壁面引起的分离图5圆锥形和球状通道截面几何形状

12、3.2导叶叶型对性能的影响321平板叶片swain使用bt0b3d测试了节弦比为1 的13个平板叶片，英安装角范围为-20。 +90 cfd测试结果如图6。可以看出， 流面速度矢量分布冇了明显的改进，但是在 导叶安装角约为60°时，叶片吸力面上分离 团有所发展，分离团的发展恶化了流动性 能，并冃导致了在导叶安装角较大时系统总 损失增大。vector seo e «1图6叶顶附近的速度矢量分布（+6（r安装角时）3.2.2组合叶片为了最小化叶片吸力面上的分离，从而 减少相关的压力损失，必须减小导叶安装角 较大时产牛.的冲角。coppinger和swain9 提出了使用组合叶片

13、（tandem vane）,其i巾f 前缘保持与轴向进口流动一致并尾缘可 以关于前缘转动，所以这种叶型在所有安装 角下均可获得小冲用，如图7。组合叶片速 度矢量图如图8所示，与图6平板叶片的速 度欠量图比较可以看出，在叶顶附近叶片吸 力面上的分离团几乎完全消除，气动性能也图7组合叶片（-）0安装角时）有了明显的改善。coppinger和swain也通 过试验证实了其cfd预测结果。图8叶顶附近的速度欠量分布（+60'安装角时） 3. 3导叶装置直径及叶轮进出口直径比对 ，性能的影响离心式压缩机可调进口导叶装置调节 效率的高低，主要取决于可调进口导叶装置 的结构型式和压缩机的结构特征。在

14、此主要 介绍了 nj调进口导叶装置的直径和叶轮进 出口直径比的影响。可调进口导叶装置的肓径一般都选用 大于或等于叶轮的进口直径，虽然当大于叶 轮进口直径0吋，压缩机效率并没有很人 的提高，但是可以明显地扩人调节范围。文 献指出，试验中把可调进口导叶装置的直 径从1.0卩逐渐增大到1.4卩时，调节范围 和效率都有比较明显地增人。但是如果再继 续增人其直径，将会影响其基木尺寸和制造 成本。文献10指出，叶轮的结构尺寸对可调 进口导叶的调节效率也冇很大的影响，其中 叶轮进出口直径比d/£>2对可调进口导叶 调节效果的影响最大，一赢來说，djd2越 大，调节效果越明显。在文献中给出了原

15、 因，由欧拉方程作一定的转换可得由式看出，djd2为平方项，所以 当z）, /d2人时，预旋的影响明显，调节的 有效范围也就大。3.4导叶与叶轮轴向间距及其叶片数的匹 配对性能的影响文献11概括地指出，处于上游物体气 流尾迹中的动叶片，承受着变化的气动载 荷，而气动载荷变化的人小与尾迹衰减速率 冇关。当上游物体为流线型时，其衰减程度 将収决于进口处气流的紊流度、相対栅距以 及至下游动叶之间距。在稳定的入流条件 下，叶轮与诱发尾迹的上游支承物后缘z间 距至少应等于该支承物弦长的1/2,此距离 不会改变压缩机的压升。然而对于紊乱的入 流条件，此间距甚至可增至弦长的一倍。从 目前掌握的资料來看，在此

16、方血的研究主要 集屮在轴流式压缩机上johnston和fleeter 通过某轴流式压缩机级进行了一系列试验 测得了可调进口导叶岀口马赫数为0.29及叶 轮进口相对马赫数为0.6时，导叶和叶轮的轴 向间距与叶轮叶片弦长z比分别为0.68, 0.93, 1.18时，导叶尾迹区的压力场和速度 场，并指出在比值为0.68时,可以明显的减 小尾迹区阳。而关于离心式压缩机可调进口 导叶与叶轮之间的轴向间距对性能的影响, 国内外尚没有具体研究。然而，就导叶与叶轮叶片数的匹配而 言，文献11指岀了两者之间应按互为质数 的原则1兀配，尽可能避免公因数，但也不能一 概而论，最重要的是必须遵循“导叶叶片数 z】x叶

17、轮工作转速n/60 +叶轮叶片固有频 率”这一原则，因为叶轮在旋转过程中，每 个叶片与前导叶尾迹流z间周期性相互作 用，其作用频率的计算公式为f= n zj/60从式（2）看出，为避免导叶作用引起叶轮 共振，必须使得其相互作用频率避开叶轮叶 片的固冇频率，最好是能远离叶轮叶片的固 冇频率，以防止非定常载荷长期作川而引起 叶轮的疲劳破坏。3.5单级与多级调节对性能的影响对于多级离心式压缩机，如果只对第一 级采用可调进口导叶调节，效果会不太明 显，然而如果每级前均采用可调进i i导叶调 节，则整个装置的结构又比较复杂。冃前从 公开发表的文献看，対离心式压缩机采用多 级导叶调节的研究并不多，仅有si

18、mon%】等 人通过试验对某4级齿轮增速离心式压缩 札仅在笫一级前加可调进口导叶以及在各 级前均加可调进口导叶的调节性能进行了 比较，并h.获得了两种情况下的无因次性能 曲线。可以看出在各级前均加进口导叶比仅 在第一级加进口导叶的调节范围要宽出近 60%。4进口导叶与叶轮非定常动静干涉作用离心式压缩机可调进口导叶与叶轮非 定常动静干涉作用非常强烈，而fl作用机理 也很复杂，解决不好，不仅会使气动性能恶 化，而且还会引起叶片共振以及叶轮叶片疲 劳破坏的严重事故。所谓动静干涉，对于叶轮机械来说，若 不考虑条件非定常（喘振、旋转失速）等不稳 定性，流动的非定常性主要表现在某一叶片 排的尾迹扫过下一个

19、叶片排时产生的流场 非定常脉动。对于带可调进口导叶的离心 式压缩机，由于导流叶片尾迹的彩响，叶轮 叶片进口处流动状态（包括压力、密度和气 流方向等）随时间产生脉动，使得叶轮叶片 所受的气动载荷发生周期性变化或非周期 性变化。冃前动静干涉己成为叶轮机械中的 一 个研究热点，但其主要是针对轴流式压缩 机屮动静叶的干涉，以及离心式压缩机屮叶 轮叶片与扩压器叶片的动静干涉等。而对于 离心式压缩机可调进口导叶与叶轮的t涉 问题研究得较少，席光卩习对离心式压缩机可 调进口导叶翼烈绕流尾涡的非定常发展过 程进行了初步研究，指出其研究的导叶，攻 角在30°60°范围内,当恥数低于80时,

20、流动是稳定的，翼型后方不会出现大尺寸的 流动分离；雷诺数心大于80吋，翼型后方 会出现流动分离，并伴随有明显的涡脱落。西安交通大学流体机械研究所利用非 定常流动的时域和频域分析方法，研究了某 事故离心式压缩机叶伦在运行条件下的非 定常载荷特点，指出进口导叶的尾迹脉动是 引起叶轮叶片疲劳破坏的根本原因，计算得 到的叶片上脉动压力最大的位置与实际断 裂位置基本吻合。可见，离心式压缩机与其可调进口导叶 之间的非定常相干作用，已成为影响现代离 心式压缩机安全nj靠性的重大问题，必须引 起足够的重视。5可调进口导叶的常见故障及处理可调进口导叶结构虽然简单，但如果气 流中含有粉尘或有腐蚀性的物质，则容易造

21、 成可调进口导叶叶片腐蚀，执行机构锈蚀锈 死；叶片受气流的扰动较人，特别是当气流 中有固体微粒时，其受到的冲刷作用更为明 显。目前对离心式压缩机可调进口导叶的故 障处理研究得较多，但人都是针对出现故障 后如何处理，而没有对产生的原因进行全而 深入的研究。文献16介绍了离心式通风机 可调进口导叶系统常见的6种故障，包括叶 片变形、叶片松动、叶片脱落、叶片腐蚀与 磨损、调节执行机构卡死或失灵、振动，并 分析了其原因和示果，指出采用提高主要部 件的强度和刚度、关键部件特殊选材、防腐 耐磨处理、调节执行机构的改进等处理方法 可以延长其使用寿命。6结束语木文对离心式压缩机可调进口导叶调 节研究的几个热点

22、问题进行了分类综述，应 该说，现在对离心式压缩机可调进口导叶调 节的研究水平低于对轴流式压缩机的研究。对离心式压缩机可调进口导叶的研究 还而临很多亟待解决的问题，需要在以后进 一步深入研究，以进一步扩人调节范围并提 高调节效率。参考文献1黄经国.用可调进口导叶调节特性的大型混流 泵.流体机械,2000.28(4).|2西安交通大学气体动力研究室.对离心式圧缩 机进行预旋的分析.化工与通用机械,1976 (8).3 whitfield a, abdullah a h.the performance of acentrifugal compressor with high inlet prewhi

23、rl. journal of turbomachinery, 199& 120.4 rodgers c. centrifugal compressor inlet guide vane for increased surge margin. asme paper, 1990, no.90-gt-15&r&d review, 2000, 35(3).6徐忠.离心压缩机原理.西安交通大学出版 社,1976.7|商景泰.通风机手册.机械工业出版社,1994.8j swain e. the design of an inlet guide vane assembly for an industrial centrifugal compresso匚 in energy saving in the design and operation of compressors, mechanical engineering publications limited, london, 1996.91 coppinger m., swain e. performance prediction of an indu