張治平，劉建飛

（珠海格力電器股份有限公司，廣東　珠海　519070）

雙葉柵葉片回流器在離心式壓縮機(jī)應(yīng)用研究

張治平*，劉建飛

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

本文討論了擴(kuò)壓器與回流器對(duì)離心式壓縮機(jī)運(yùn)行范圍及穩(wěn)定性的影響，提出應(yīng)用雙葉柵葉片回流器改善穩(wěn)定性及運(yùn)行范圍。通過CFD仿真及實(shí)驗(yàn)證明，用雙葉柵葉片回流器/無葉擴(kuò)壓器方案替代單葉柵葉片回流器/無葉擴(kuò)壓器方案，可將壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行范圍擴(kuò)展15%左右。

離心式壓縮機(jī)；雙葉柵葉片回流器；無葉擴(kuò)壓器；運(yùn)行范圍

0　引言

離心式壓縮機(jī)的喘振特性導(dǎo)致的運(yùn)行范圍過窄一直是離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用面臨的主要問題。為提升壓縮機(jī)及機(jī)組的部分負(fù)荷性能，減少壓縮機(jī)喘振的發(fā)生，主要方法有采用無葉擴(kuò)壓器和采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)［1-2］，但這兩種方式降低最低負(fù)荷有限［3］，有些廠家通過增加可調(diào)擴(kuò)壓器或增加導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)方式調(diào)節(jié)，該種方法雖然可以顯著提高運(yùn)行范圍，但其部分負(fù)荷性能卻會(huì)顯著降低，當(dāng)然也可以在系統(tǒng)中采用熱氣旁通的方式調(diào)節(jié)［4］，但該種方式相當(dāng)于壓縮機(jī)做功的浪費(fèi)。

對(duì)多級(jí)離心壓縮機(jī)，回流器是一個(gè)重要的部件，對(duì)下一級(jí)氣體葉輪進(jìn)口狀態(tài)有顯著影響，自然也會(huì)影響壓縮機(jī)運(yùn)行范圍與喘振特性，但業(yè)內(nèi)對(duì)于回流器的研究較少，隨著行業(yè)對(duì)離心式制冷壓縮機(jī)運(yùn)行范圍及部分負(fù)荷性能［5］要求越來越苛刻，回流器的設(shè)計(jì)優(yōu)化顯得越來越重要。

本文主要介紹了一種雙葉柵葉片回流器在離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用，將回流器葉片拆分為前后兩列，通過后列葉片限制回流器葉片的邊界層分離，阻止回流器流動(dòng)惡化，通過提高回流器出口速度場(chǎng)的均勻性改善壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍。并通過CFD分析與實(shí)驗(yàn)證明了該方案的可行性與實(shí)際效果。

1　理論分析

典型雙級(jí)壓縮的離心式壓縮機(jī)示意圖如圖1所示，回流器在多級(jí)壓縮機(jī)中主要用于消除一級(jí)擴(kuò)壓器流出氣流的旋繞［6］，將氣流引向二級(jí)葉輪，這會(huì)直接影響二級(jí)葉輪進(jìn)口的氣體狀態(tài)，回流器流動(dòng)惡化會(huì)影響二級(jí)葉輪進(jìn)口速度場(chǎng)均勻性，使得二級(jí)葉輪及擴(kuò)壓器流動(dòng)穩(wěn)定性變差，壓縮機(jī)運(yùn)行效率降低，在惡劣工況下容易出現(xiàn)喘振［7］。

從回流器角度來看，影響回流器流動(dòng)的主要參數(shù)有回流器入口狀態(tài)、回流器葉片型線、回流器沿流線通流面積，三者在設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮［8］。

其中，回流器入口狀態(tài)主要受一級(jí)擴(kuò)壓器影響，目前制冷行業(yè)主要采用無葉擴(kuò)壓器，采用的葉片回流器如圖2所示。在下文中統(tǒng)一稱現(xiàn)有的單列葉片的回流器為單葉柵葉片回流器，以與文中的雙列葉片的回流器區(qū)分。

圖2　單葉柵葉片回流器

擴(kuò)壓器內(nèi)部在小流量條件下仍能保證較好的流動(dòng)情況，但由于缺少擴(kuò)壓器葉片來矯正擴(kuò)壓器出口氣流角，導(dǎo)致在變流量條件下，回流器葉片沖角變化較大。圖3所示為Benvenuti繪制的回流器流道損失隨沖角變化規(guī)律［9］，其中α表示氣流沖角，α6b表示葉片入口角。

從圖3中可以看出沖角變化會(huì)顯著影響回流器損失，惡化回流器內(nèi)流動(dòng)。流量減小時(shí)，沖角變大，會(huì)在回流器葉片背壓面出現(xiàn)邊界層分離，產(chǎn)生較大的分離損失［10］，邊界層分離產(chǎn)生的氣流紊亂會(huì)影響下一級(jí)葉輪進(jìn)口狀態(tài)，降低二級(jí)葉輪流動(dòng)效率，使得下一級(jí)流動(dòng)惡化，導(dǎo)致壓縮機(jī)在小流量下更容易喘振［11］。

圖3　回流器流道損失變化（Benvenuti，1977［9］）

無葉擴(kuò)壓器/單葉柵葉片回流器方案無法同時(shí)兼顧擴(kuò)壓器與回流器的流動(dòng)情況，無法同時(shí)兼顧效率與運(yùn)行范圍。針對(duì)此問題，我們進(jìn)行了不斷的研究與探索，在葉片擴(kuò)壓器中有一種雙葉柵葉片擴(kuò)壓器［12］的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用前后兩列擴(kuò)壓器葉片，可以提高葉片擴(kuò)壓器的運(yùn)行范圍，我們將此技術(shù)應(yīng)用于回流器中，將葉片分為前后兩列葉片，如圖4所示，后列葉片置于前列葉片尾部，處于兩前列葉片之間，通過與無葉擴(kuò)壓器配合使用。

圖4　雙葉柵葉片回流器

在額定工況附近運(yùn)行時(shí)，氣流流出上一級(jí)擴(kuò)壓器后，以一個(gè)較小的沖角流向前列回流器葉片，通過前列葉片對(duì)氣流方向的矯正作用，后列葉片也有一個(gè)較好的氣流沖角，流動(dòng)損失小，下一級(jí)葉輪入口氣流速度分布均勻，效率較高。在流量減小時(shí)，由于采用無葉擴(kuò)壓器，擴(kuò)壓器中流動(dòng)情況較好，但流出擴(kuò)壓器的氣流角相對(duì)于額定工況下會(huì)有較大變化，回流器葉片氣流沖角增大，此時(shí)會(huì)在前列回流器的根部形成邊界層分離，如圖5所示虛線區(qū)域，分離的邊界層繼續(xù)發(fā)展會(huì)遇到后列葉片，后列葉片的壓力面會(huì)限制邊界層分離的發(fā)展，阻止回流器流動(dòng)進(jìn)一步惡化，與此同時(shí)前列葉片壓力面對(duì)氣流方向的矯正作用可以阻止后列葉片背壓面出現(xiàn)邊界層分離，通過此種方式可以將邊界層損失限制在前列葉片尾部與后列葉片壓力面之間，進(jìn)而將下一級(jí)葉輪進(jìn)口的氣流速度分布維持在一個(gè)相對(duì)均勻的條件下。這樣在離心壓縮機(jī)流量變化的過程中，擴(kuò)壓器與回流器均可以維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)情況，同時(shí)消除了回流器流動(dòng)不穩(wěn)定對(duì)下一級(jí)葉輪與回流器流動(dòng)的影響，提高了二級(jí)葉輪與回流器的流動(dòng)效率，拓展整個(gè)壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍。

圖5　大沖角下雙葉柵葉片流動(dòng)示意圖

2　方案設(shè)計(jì)

為后續(xù)分析方便，我們對(duì)某單列回流器模型按照雙葉柵葉片形式進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖6所示。

圖6　雙葉柵葉片回流器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

為使得分析數(shù)據(jù)更具有可比性，取雙葉柵葉片入口安裝角α6b、葉片出口安裝角α7b、葉片入口半徑R6、葉片出口半徑R7均與單葉柵方案保持一致，前后列葉片在骨線的2/3處分離，即（Rd-R7）/（R6-R7）=2/3，后列葉片處于前列兩葉片的中間，即：t/tcm=1/2。具體值如表1所示。

表1　回流器仿真模型參數(shù)

前后兩列采用NACA-65號(hào)葉片型線，骨線采用CCR型線，公式如下：

3　CFD仿真分析

在結(jié)構(gòu)方案提出后，我們針對(duì)該回流器模型進(jìn)行了仿真分析，回流器三維如圖7所示。其中（a）為原有的單葉柵葉片回流器，（b）為雙葉柵葉片回流器，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。在構(gòu)建仿真模型過程中，為了考慮一級(jí)擴(kuò)壓器出口彎道對(duì)于回流器氣流進(jìn)口的影響，我們將回流器入口的彎道包括在內(nèi)，同時(shí)為衡量回流器對(duì)二級(jí)葉輪進(jìn)口的影響，我們也對(duì)葉片出口進(jìn)行了延伸，實(shí)際單流道模型如圖8所示。為減少計(jì)算量，模型采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械常用的周期邊界條件，計(jì)算模型采用速度入口邊界條件，靜壓出口邊界條件。

圖7　回流器三維

圖8　CFD仿真模型

采用ANSYS旋轉(zhuǎn)機(jī)械模塊對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分及仿真分析，網(wǎng)格劃分效果如圖9所示，其中單葉柵葉片回流器模型單流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)293，508，單元數(shù)273，090，雙葉柵葉片回流器模型單流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)314，535，單元數(shù)284，900。模型采用六面體劃分方式，對(duì)計(jì)算結(jié)果收斂性有益。

圖9　網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)示意圖

圖10顯示了沖角為0°時(shí)單葉柵葉片回流器仿真結(jié)果，在葉片尾部出現(xiàn)了較小的尾跡區(qū)，并未出現(xiàn)邊界層分離，流動(dòng)較好，模型出口處速度場(chǎng)范圍在10 m/s～32.5 m/s，從該速度場(chǎng)中可以很明顯地看出回流器葉片尾跡對(duì)二級(jí)進(jìn)口影響。圖11為單葉柵葉片回流器在入口流量降低40%時(shí)的流動(dòng)仿真結(jié)果，圖片顯示在葉片1/3處發(fā)生了很嚴(yán)重的邊界層分離現(xiàn)象，回流器出口速度場(chǎng)范圍在0 m/s～23 m/s，流量變小后模型出口徑向、周向均比正常流量下有較大惡化。

圖12顯示了沖角為0°時(shí)雙葉柵葉片回流器仿真結(jié)果，在小沖角條件下，前后兩列葉片均有一個(gè)較好的流動(dòng)情況，模型出口流場(chǎng)18 m/s～35 m/s，整個(gè)回流器出口流場(chǎng)較為均勻，幾乎看不到尾跡區(qū)的影響，這為下一級(jí)的葉輪創(chuàng)造了比較好的流動(dòng)入口，改善了整個(gè)壓縮機(jī)的流動(dòng)效率，但由于有前后兩列葉片，氣流要兩次沖擊葉片，實(shí)際上回流器的總損失是增加的。圖13顯示了流量降低40%時(shí)，雙葉柵葉片回流器的流動(dòng)情況，邊界層在前列葉片2/3處發(fā)生了分離現(xiàn)象，分離發(fā)散后被后列葉片阻擋，被限制在前后兩列葉片之間，同時(shí)后列葉片起到了光順氣流的作用，減少尾跡區(qū)對(duì)回流器出口的影響，回流器出口流場(chǎng)速度分布在12 m/s～24 m/s，氣流尾跡影響區(qū)遠(yuǎn)小于單葉柵方案。

圖10　小沖角下單葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

圖11　大沖角下單葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

圖12　小沖角下雙葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

圖13　大沖角下雙葉柵葉片回流器CFD仿真速度分布

CFD仿真證明，雙葉柵葉片回流器可以起到限制分離的作用，確保了回流器出口（二級(jí)葉輪進(jìn)口）的速度場(chǎng)分布均勻。葉輪是壓縮機(jī)最重要的做功部件，對(duì)入口敏感。良好的入口特性將提高葉輪的做功效率，同時(shí)提高二級(jí)擴(kuò)壓器的流動(dòng)效率，尤其是在小流量條件下，均勻的葉輪入口條件尤為重要，這可以有效提高二級(jí)葉輪及擴(kuò)壓器流動(dòng)穩(wěn)定性，提升壓縮機(jī)在惡劣工況下的表現(xiàn)，拓展壓縮機(jī)運(yùn)行范圍。需要指出的是，雙葉柵葉片回流器與單葉柵葉片回流器相比，由于存在兩次氣流對(duì)葉片的沖擊，損失要大一些。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證無葉擴(kuò)壓器/雙葉柵葉片回流器的實(shí)際效果，我們?cè)谠撟冾l機(jī)組中通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)比了無葉擴(kuò)壓器/雙葉柵葉片回流器（方案1）、無葉擴(kuò)壓器/單葉柵葉片回流器（方案2）兩個(gè)方案實(shí)際效果。結(jié)果如圖14所示，n表示額定轉(zhuǎn)速，在不使用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)與可調(diào)擴(kuò)壓器調(diào)節(jié)，僅采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的條件下，與無葉擴(kuò)壓器/單列葉片回流器方案相比，運(yùn)行范圍提高15%以上。但是兩個(gè)方案的壓縮機(jī)效率無明顯變化。實(shí)驗(yàn)證明方案1可有效改善壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍。

圖14　擴(kuò)壓器與回流器方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5　結(jié)論

1）雙葉柵回流器可通過后列葉片限制前列葉片尾部的流體分離，光順葉片后氣流流動(dòng)，改善二級(jí)葉輪入口流動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定回流器內(nèi)部流動(dòng)的目的。

2）無葉擴(kuò)壓器/雙葉柵葉片回流器方案可有效提高離心壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍約15%。

3）回流器的設(shè)計(jì)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行范圍有顯著影響，在更精細(xì)的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮。

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Application of Double Cascade Vaned Return Channel in a Centrifugal Compressor

ZHANG Zhi-ping*，LIU Jian-fei
（GREE Electric Appliances Inc，Zhuhai，Guangdong 519070，China）

The effect of diffuser and return channel on the stability and operation range of centrifugal compressors is discussed.Then it is referred that using the double cascade vaned return channel can improve the stability and operation range.Through the CFD simulation and experiment，it is proved that the real operation range of the compressors can be improved about 15% when using the scheme of vaneless diffuser plus double cascade vaned return channel instead of using the scheme of vaneless diffuser plus vaned return channel.

Centrifugal compressor；Double cascade vaned return channel；Vaneless diffuser；Operation range

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.204

*張治平（1982-），男，工程師，學(xué)士，產(chǎn)品經(jīng)理。研究方向：離心式冷水機(jī)組及離心式制冷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：廣東省珠海市前山金雞西路789號(hào)珠海格力電器股份有限公司商用空調(diào)技術(shù)一部，郵編：519070。聯(lián)系電話：18023037253。E-mail：Zzping001@126.com。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“新型溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)”（No.2014BAJ02B01）