閆 雪，左志濤，梁 奇，湯宏濤，陳海生

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帶級間冷卻的雙級離心壓縮機可調進口導葉聯(lián)合調節(jié)分析

閆 雪1,2，左志濤1，梁 奇1,2，湯宏濤1，陳海生1

（1中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2中國科學院大學，北京 100049）

本文建立了帶級間冷卻的雙級離心壓縮機計算模型，該模型利用多孔介質模擬級間換熱器，且壓縮機每級前均設有可調導葉進行變工況調節(jié)。利用該模型詳細分析了雙級離心壓縮機變導葉聯(lián)合調節(jié)性能，研究發(fā)現(xiàn)單級變導葉調節(jié)時，兩級導葉調節(jié)規(guī)律相同，正開度改善了失速特性，負開度能夠獲得更高的壓比，正負開度使得效率都有所降低。雙級聯(lián)調時，以一、二級導葉開度都為0°的工況為基準，當?shù)谝?、二級導葉都為負開度時壓比增大，其余開度組合的壓比性能都有所降低，任意組合導葉開度的效率性能都低于基準工況。通過內(nèi)部流動分析可知，合理的雙級聯(lián)調改善了第二級壓縮機內(nèi)部流動的均勻性，兩級導葉對雙級離心壓縮機的整體性能影響效果的強弱基本相同，第一級開度由負到正變化時，第一級葉輪進口葉尖吸力面附近高速流體區(qū)域縮小，并在壓力面凝聚。

雙級離心壓縮機；級間冷卻；可調導葉；聯(lián)合調節(jié)

壓縮空氣儲能是一項能夠實現(xiàn)大規(guī)模和長時間電能存儲的儲能技術[1]，主要用于電網(wǎng)調峰和調頻，在可再生能源、分布式能源、汽車等方面的應用也愈發(fā)廣泛[2]。在壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，壓縮機的運行效率和穩(wěn)定裕度對整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性和適用性起決定性作用[3]。通常情況下，壓縮空氣儲能系統(tǒng)通過壓縮子系統(tǒng)獲得高壓氣體，并向儲罐不斷充氣，壓縮機的背壓不斷變化，導致壓縮機的運行工況點持續(xù)變化。通常通過導葉調節(jié)來增大其穩(wěn)定裕度和平均運行效率，相比于變轉速調節(jié)和擴壓器調節(jié)，該方法不會影響壓縮機傳動系統(tǒng)的復雜轉子動力學特性，而且能獲得比擴壓器調節(jié)更寬的工況范圍和更高的運行效率。

NASA在20世紀80年代對可調葉片技術進行了大量研究[4-6]，此后可調葉片廣泛地應用在燃氣輪機、水輪機以及風機中[7-9]。很多學者[10-11]通過實驗研究可調導葉對壓縮機整體性能的影響并用數(shù)值模擬方法[12-13]觀察內(nèi)部流動。近年來，不斷有學者利用數(shù)值模擬在可調葉片在壓縮機啟動過程的作用[14]、環(huán)量控制進口導葉調節(jié)[15]等方面進行了更深入的研究，并進一步提出可調導葉控制系統(tǒng)[16]。

前人在對帶有雙級可調導葉的雙級離心壓縮機進行聯(lián)合調節(jié)的數(shù)值模擬時，均采用單級逐級計算的方式，即將計算所得的前一級出口數(shù)據(jù)進行簡單處理作為第二級的入口條件，逐級計算。由于聯(lián)調的變工況數(shù)量巨大，該種方法大大增加了研究者的操作量，同時級間冷卻的處理比較粗糙，影響研究結果的精度和可靠性。因此本文針對某設計流量 34 kg/s的雙級離心壓縮機中的為研究對象，每級前均帶有可調導葉，級間進行冷卻換熱處理，對雙級導葉聯(lián)合調節(jié)的變工況性能進行數(shù)值模擬研究。

1 研究對象

分別建立單、雙級離心壓縮機的幾何模型，具體參數(shù)如表1所示，雙級幾何模型如圖1所示。

表1 研究對象參數(shù)表

續(xù)表

2 研究方法

2.1 數(shù)值模擬方法驗證

本文采用軟件CFX進行網(wǎng)格劃分和模擬計算，需要對數(shù)值模擬方法進行驗證。選取設計流量4 kg/s，設計壓比為4.7的Krain葉輪作為算例，對其性能和內(nèi)部流動情況進行模擬，進口總溫為288.15 K，進口總壓為101325 Pa，出口設置平均靜壓，湍流模型，網(wǎng)格約75萬。

圖2是Krain葉輪總體性能的對比，從圖中可以看出，數(shù)值模擬得到的壓縮機壓比、效率特性與實驗結果基本吻合，趨勢一致，大流量處誤差稍大，在4%左右，能夠保證研究所需的精度要求。圖3和圖4是Krain葉輪進出口截面的內(nèi)部速度分布情況，與文獻中對比后發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬能夠很好地模擬內(nèi)部流動情況，與實驗結果一致。

總體來說，CFX能夠很好地模擬Krain葉輪的壓比、效率性能，內(nèi)部流動情況與實驗結果符合得很好。

2.2 數(shù)值模擬設置

網(wǎng)格設置為H/J/C/L型網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為300萬，三維網(wǎng)格模型如圖5所示。

湍流模型采用兩方程模型，交界面選用Stage型，進口總壓為97 kPa，總溫為303.15 K，出口給定流量，通過改變出口流量的大小改變運行工況點。

2.3 級間冷卻處理

級間冷卻能夠降低進入下一級的氣體溫度，提高壓縮系統(tǒng)的效率，同時冷卻過程中也不可避免的產(chǎn)生壓降。因此，本文利用多孔介質模型模擬換熱器，保證第二級進口溫度為303.15 K，額定工況下產(chǎn)生的壓降為20 kPa。為了簡化模型處理，將換熱器設置在第二級導葉前，如圖1所示，既能簡化流線方向為軸向，并且能夠充分保證第二級進口溫度大小。多孔介質采用各向異性損失模型，通過設置損失系數(shù)來控制壓降，多孔介質中通過表達式給出冷源，保證氣體經(jīng)過冷卻后達到第二級進口總溫。

2.4 計算方案

首先對兩級離心壓縮機單獨進行數(shù)值模擬，改變每級的導葉角度，通過模擬得到每一級的變導葉調節(jié)特性及導葉調節(jié)范圍。通過級間連接建立雙級離心壓縮機模型，改變第一級導葉和第二級導葉的角度組合，通過模擬獲得雙級離心壓縮機的導葉聯(lián)合調節(jié)特性，總結聯(lián)調規(guī)律。

進行多級模擬時，以下式計算壓縮機模型等熵效率

3 計算結果分析

3.1 單級計算結果分析

圖6和圖7分別為第一、二級離心壓縮機在不同導葉開度下的變工況特性曲線圖，橫坐標為流量，縱坐標分別為總壓比和等熵效率。由圖可知，第一級導葉開度的調節(jié)范圍為50°～-10°，第二級導葉的調節(jié)范圍為40°～-20°，兩級導葉調節(jié)規(guī)律相同。

當開度為正值并且不斷增大時，運行工況范圍向小流量方向偏移，壓比、效率都逐漸下降，效率最高點向小流量方向偏移，當正開度過大時，效率下降較多。開度為負值時，導葉變化范圍較小，運行工況范圍向大流量方向偏移，壓比增大，效率下降，效率最高點向大流量方向偏移。

為了分析特性曲線變化規(guī)律，以第一級為例，通過觀察對比葉輪內(nèi)的內(nèi)部流動情況進行分析。 如圖8所示，同一小流量下，選取導葉開度分別為 10°、30°和50°的葉尖流動情況進行分析。當流量降低時，較大的正開度能夠更有效地改善葉尖尾部吸力面的流動情況，降低了壓縮機在較小流量時失速的可能，因而正開度能夠減小失速流量，改善失速特性，擴大壓縮機的穩(wěn)定裕度。

（a）10°

（b）30°

（c）50°

圖8 流量26 kg/s導葉開度分別為10°、30°和50°的90%葉高處流線圖

Fig.8 Streamline diagram at 0.9 span of 26 kg/s when the opening is 10°, 30°and 50°

圖9為0°、-10°、30°和50°開度時葉輪內(nèi)部馬赫數(shù)分布情況，與0°相比，正開度減小了葉輪入口馬赫數(shù)，負開度增大了進口馬赫數(shù)。當導葉分別向正、負方向調節(jié)，葉輪內(nèi)的速度梯度都有所增大，馬赫數(shù)分布更加不均勻，開度的絕對值越大，變化越明顯，由于離心壓縮機內(nèi)的多種損失都是速度梯度的函數(shù)[17]，損失增加導致導葉調節(jié)時整體效率相比0°時有所下降。

儲能系統(tǒng)中壓縮機背壓不斷變化，當工況接近失速或堵塞時效率下降，通過導葉調節(jié)可以保證壓縮機在工況變化時依然運行在相對較高的效率下。同時導葉調節(jié)大大增加了壓縮機的運行工況范圍，特別是向小流量方向，改善了壓縮機的失速特性。

3.2 雙級計算結果分析

改變第一、二級導葉開度的匹配組合，對帶有級間冷卻的雙級離心壓縮機變導葉聯(lián)合調節(jié)的全工況進行數(shù)值模擬，其性能曲線如圖10所示。

（a）0°

（b）-10°

（c）30°

（d）50°

圖9 流量30kg/s導葉開度分別為0°、-10°、30°和 50°的50%葉高處馬赫數(shù)分布圖

Fig.9 Distribution of mach number at 0.5 span of 30 kg/s when the opening is 0°,-10°, 30°and 50°

雙級聯(lián)調時，以一、二級導葉開度都為0°的工況為基準，當?shù)谝?、二級導葉都為負開度時壓比增大，其余開度組合的壓比性能都有所降低，任意組合導葉開度的效率性能都低于基準工況。當某一級的導葉開度固定，雙級離心壓縮機性能變化與另一級導葉調節(jié)規(guī)律相同。通過導葉調節(jié)大大擴大了雙級離心壓縮機的穩(wěn)定裕度，第一、二級導葉開度都在-10°到20°之間時雙級壓縮機平均效率可達86%以上。

但是并不是任意開度組合都利于雙級離心壓縮機的變工況調節(jié)，當雙級導葉開度都為較大的正值時，由于損失較大導致調節(jié)效率不高。模擬時亦發(fā)現(xiàn)當?shù)谝患夐_度為較大的正值，第二級為負開度時，二者對內(nèi)部流動的影響很大且效果相反，此時內(nèi)部流動惡化嚴重，因此此種開度組合調節(jié)不可取。當工況變化時，開度組合的最佳匹配為效率曲線圖中不同流量時對應的最高效率點的包絡線。

4 導葉調節(jié)對內(nèi)部流動的影響

4.1 雙級聯(lián)調對流動均勻性的影響

對比同一流量，相同導葉開度下，單獨調節(jié)與雙級聯(lián)調時葉輪內(nèi)部流場分布，如圖11所示。圖11(a)中一、二級導葉單獨調節(jié)，在葉輪的葉尖尾部和葉根前中部都分布著低流速區(qū)，葉尖前緣流速高，兩級的內(nèi)部馬赫數(shù)分布相似。雙級導葉聯(lián)調時如圖11(b)所示，第一級葉輪內(nèi)流動幾乎不變，對第一級影響不大，但第二級的內(nèi)部流動有很大的改善，流動更加均勻，子午流道內(nèi)的速度梯度大大減小。

但是當導葉開度都為很大的正值時，如圖12所示，第一級導葉開度為50°，第二級開度為40°，流量為30 kg/s，與單級調節(jié)相比，雙級聯(lián)調時第一級葉輪內(nèi)部馬赫數(shù)變化不劇烈，但是在第二級內(nèi)部馬赫數(shù)增大，葉輪進口靠近葉尖部分出現(xiàn)高速區(qū)，內(nèi)部流動惡化劇烈，導致雙級離心壓縮機的整體效率出現(xiàn)了大幅下降。

4.2 一、二級導葉對雙級離心壓縮機影響效果強 弱對比

在雙級聯(lián)調時，每一級導葉調節(jié)對整體性能的影響效果能夠為實際調節(jié)方案提供參考。因此從內(nèi)部流動來對比一、二級導葉的調節(jié)效果，如圖13和圖14所示。同一流量下，選取第一級導葉調節(jié)但第二級保持同一開度，以及第二級導葉調節(jié)但第一級保持同一開度的內(nèi)部流動情況進行對比。為了便于對比，選取流動特征更為明顯的葉尖處進行觀察。

從圖中可知，任意級導葉角度固定，另一級導葉角度變化時，固定級中葉輪內(nèi)部呈現(xiàn)相似的流動特征，因此兩級導葉對雙級離心壓縮機的整體性能的影響效果的強弱是基本相同的。

4.3 導葉調節(jié)對葉輪進口流動的影響

同一流量下，不同導葉開度時的葉輪進口馬赫數(shù)分布如圖15所示，與0°時相比，負開度時葉尖吸力面處的高速流體范圍增大，正開度時隨著開度增大，葉尖吸力面處的高速流體范圍逐漸消失，并逐漸在葉尖壓力面處出現(xiàn)，尺寸增大。這是由于0°工況時，葉片進口彎角與相對速度氣流角不同，此時葉尖攻角為4.27°，導葉開度向負方向增大時攻角增大，流動變化更為劇烈，導葉開度向正方向增大時攻角逐漸減小至負值，導致吸力面處高速流體消散并逐漸在壓力面凝聚。

5 結 論

本文建立了帶級間冷卻的雙級離心壓縮機幾何模型，利用多孔介質模擬換熱器，通過CFD進行數(shù)值模擬，研究第一、二級導葉單獨調節(jié)和雙級導葉聯(lián)合調節(jié)時的壓縮機性能變化和內(nèi)部流動情況，得出如下主要結論。

（1）單級變導葉調節(jié)時，正開度使運行工況向小流量方向偏移，改善了失速特性，負開度變化范圍較小，可以獲得較大的壓比。當工況近失速或堵塞時效率下降，通過導葉調節(jié)可以保證壓縮機在工況變化時依然運行在較高的效率下。

（2）雙級聯(lián)調時，與雙級導葉都為額定開度的工況對比，當?shù)谝弧⒍墝~都為負開度時壓比增大，其余導葉開度組合的壓比性能都有所降低，任意導葉開度組合的效率性能都低于基準工況。合理的雙級導葉聯(lián)調改善了第二級壓縮機內(nèi)部流動的均勻性，但是當兩級導葉開度都為很大的正值時，流動惡化嚴重，效率降低。

（3）兩級導葉對雙級離心壓縮機的整體性能的影響效果的強弱基本相同。

（4）第一級開度由負到正變化時，第一級葉輪進口葉尖吸力面附近高速流體區(qū)域縮小，并在壓力面凝聚。

[1] 張新敬, 陳海生, 劉金超, 等. 壓縮空氣儲能技術研究進展[J]. 儲能科學與技術, 2012, 1 (1): 26-40.

ZHANG Xinjing, CHEN Haisheng, LIU Jinchao, et al. Research progress in compressed air energy storage system: A review[J]. Energy Storage Science and Technology, 2012, 1 (1): 26-40.

[2] 陳海生, 劉金超, 郭歡, 等. 壓縮空氣儲能技術原理[J]. 儲能科學與技術, 2013, 2 (2): 146-151.

CHEN Haisheng, LIU Jinchao, GUO Huan, et al. Technical principle of compressed air energy storage system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013, 2 (2): 146-151.

[3] 劉暢, 徐玉杰, 胡珊, 等. 壓縮空氣儲能電站技術經(jīng)濟性分析[J]. 儲能科學與技術, 2015, 4 (2): 158-168.

LIU Chang, XU Yujie, HU Shan, et al. Techno-economic analysis of compressed air energy storage power plant[J]. Energy Storage Science and Technology, 2015, 4 (2) : 158-168.

[4] STEINKE R J, CROUSE J E. Preliminary analysis of the effectiveness of variable geometry guide vanes to control rotor inlet flow conditions[R]. NASA TND- 3823, 1967.

[5] DONALD C U, RONALD J S, WALTER S C. Stalled and stall-free performance of axial-flow compressor stage with three inlet-guide-vane and stator-blade settings[R]. NASA TND-8457, 1977.

[6] BROICHHAUSEN K D, HARSTER P. Aerodynamic analysis of a transonic compressor with variable stator vanes[R]. ASME TND-8457, 1977.

[7] PEKOS N F, FABI J, JACKSON A J, et al. Variable geometry and multicycle engines[C]//Proceedings of the Advisory Group for Aerospace Research and Development Meuiuy-sur-seine Conferece Proceedings, France: Agard, 1977.

[8] WESTMORELAND J S, HOWLETT R A, LOHMANN R P. Progress with variable cycle engines[J]. Supersonic Cruise Research, 1979: 371-390.

[9] ROY-AIKINS J E. Considerations for the use of variable geometry in gas turbines[C]//ASME 1990 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers, 1990: doi: 10.1115/90-GT-271.

[10] MOHTAR H, CHESSE P, YAMMINE A, et al. Variable inlet guide vanes in a turbocharger centrifugal compressor: Local and global study[R]. SAE Technical Paper, 2008.

[11] ISHINO Minoru, IWAKIRI Yuji, BESSHO Akinobu. Effects of variable inlet guide vanes on small centrifugal compressor performance[C]//Proceedings of the ASME 1999 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, USA: Indianapolis, Indiana, 1999.

[12] SWAIN E. The design of an inlet guide vane assembly for an industrial centrifugal compressor[J]. Energy Saving in the Design and Operation of Compressors, 1996, 13: 11-12.

[13] COPPINGER M, SWAIN E. Performance prediction of an industrial centrifugal compressor inlet guide vane system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2000, 214 (2): 153-164.

[14] EBISAWA Naoto, FUKUSHIMA Yasuo, ORIKASA Hideaki. Dynamic simulation of centrifugal compressor startup with inlet guide vane[C]//ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition, American Society of Mechanical Engineers, 2011: 2067-2074.

[15] HILL H E, NG W F, VLACHOS P P, et al. 2d parametric study using cfd of a circulation control inlet guide vane[C]//ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air. American Society of Mechanical Engineers, 2007: 1405-1413.

[16] TSALAVOUTAS A, MATHIOUDAKIS K, STAMATIS A, et al. Identifying faults in the variable geometry system of a gas turbine compressor[J]. Journal of Turbomachinery, 2001, 123 (1): 33-39.

[17] GALVAS M R. Analytical correlation of centrifugal compressor design geometry for maximum efficiency with specific speed[R]. USA: Washington D.C., 1972.

Analysis on joint adjusting of a two-stage centrifugal compressor with inter-stage cooling and variable guide vanes

1,2,1,1,2,1,1

(1Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A numerical model of a two-stage centrifugal compressor with inter-stage cooling and variable guide vanes has been developed. Analyses are made using the model on the performance of the compressor while the two-stage vanes are adjusted. The results illustrate that when each of the two-stage guide vanes adjusted, they follows the same rules: a positive opening of the guide vane improves the stall features; a negative opening leads to a pressure ratio increase.; but the isentropic efficiency drops for both the positive or negative openings of the vane. When two-stage guide vanes are adjusted jointly using the zero opening as the reference, the pressure ratio increases only when the opening of two-stage guide vanes are all negative whereas the pressure ratio decreases in all other cases. The isentropic efficiency of all opening cases is lower than that at the reference condition. Internal flow analyses suggest that the uniformity of the internal flow of the second stage can be improved through jointly adjusting the two vanes. The effect of adjusting the guide vanes of the two stages is the same on the performance of the two-stage centrifugal compressor. When the opening of first stage guide vane changes from negative to positive, the area of high velocity at the suction surface of the impeller inlet shroud decreases, concentrating on the pressure surface around the shroud.

two-stage centrifugal compressor; interstage cooling; adjustable guide vane; joint adjusting

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0010

TK 0

A

2095-4239（2017）01-108-08

2016-04-06；

2016-07-17。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（973計劃）（2015CB251302）和國家自然科學優(yōu)秀青年基金項目（51522605）。

閆雪（1990—），女，碩士研究生，研究方向為壓縮空氣儲能、葉輪機械氣動熱力學，E-mail：yanxue_hcl@163.com；

陳海生，研究員，研究方向為大規(guī)模壓縮空氣儲能，E-mail：chen_hs@mail.etp.ac.cn。