可调导叶尾缘吹气对离心压缩机动静干涉与叶轮气动载荷影响的研究

发布时间：2020-06-19 02:47

【摘要】：离心压缩机作为输送气体和提高气体压力的动力设备,在国民经济诸多领域中应用广泛,占有重要地位。叶轮作为离心压缩机的核心部件,其在运行过程中受到多种复杂流场的作用,其中静子尾迹导致的动静干涉、入口流场畸变都会使叶轮受到非稳定流场的影响,在叶轮表面产生非定常气动载荷,是导致叶轮疲劳破坏的主要因素。静子尾缘吹气能够有效改善尾迹速度亏损,降低转子叶片承受的气动载荷强度和机组噪声等。研究尾缘吹气流动现象和动静干涉机理对提高离心式压缩机安全可靠性具有重要意义。本文采用实验与数值模拟方法,对离心压缩机进口可调导叶、径向进气室和尾缘吹气对叶轮表面气动载荷的影响机理进行了系统的研究。研究内容及主要结论分为五个方面:1.以某离心压缩机的进口可调导叶为研究对象,设计搭建整周环形可调导叶尾缘吹气实验平台,并提出了基于多项式拟合的双线性差值七孔探针校准测试新方法,提高了测试精度。通过实验验证了数值模拟的尾迹流场,确保了数值模拟方法可有效的进行可调导叶尾迹的相关研究。2.研究了尾缘开缝与无动量亏损尾迹流场的形性相关特性。通过研究了开缝宽度、形式与速度、流量、湍流度和气流角等流动参数的关系,推导出适应于可调导叶变开度条件下达到无动量亏损尾迹所需吹气速度的多参数预估模型,通过验证,其误差小于5%。3.搭建数值模拟动静干涉平台,采用非定常模拟获取导叶不同开度下纯尾迹与无动量亏损尾迹与转子叶轮干涉过程,阐明了导叶尾迹影响下的动静干涉与气动载荷的产生机理,证明尾缘吹气能有效改善尾迹亏损,显著降低叶轮所受通频气动载荷。4.结合真机工况,分析导叶尾缘吹气的有效工作范围,首次提出了可调导叶尾缘吹气的结构设计准则。通过研究槽道内部流动,发现吹气槽道内的“C”形自诱导流动,将导叶叶根处的气流补充至导叶中径和叶顶处,一定程度上改善尾迹亏损,降低下游叶轮所受到气动载荷强度。5.对某压缩机因径向进气室导致的进气畸变进行研究。设置弧形导叶能有效地降低转子转频气动载荷。将尾缘吹气应用于径向进气室中的导叶,有效地降低了由尾迹导致的通频气动载荷强度。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH452
【图文】：

压缩机叶轮,破坏特征

缩机在冶金、石油化工、天然气输运与液化、电力等需要气体压缩的能源装备领域有着逡逑广泛的应用因此，离心式压缩机的发展水平与安全可靠性对国民经济有着重要影逡逑响，其基本结构如图１．１所示，包括进气管道、入口导叶、叶轮、扩压器、弯道回流器逡逑和集气蜗壳等元件。逡逑图ｉ．ｉ离心压缩机基本结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｂａｓｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ逡逑ｕ压缩机叶轮气动载荷研究背景和意义逡逑离心压缩机等大型旋转机械作为各行业关键设备，具有大型、高速、连续工作等特逡逑点。如果离心压缩机发生故障停机，会导致整个企业的减产甚至停产，给企业及用户带逡逑来巨大的经济损失和安全性事故。叶轮作为压缩机内部的核心做功部件，在国内外因叶逡逑轮破坏而导致的压缩机事故时有发生，如图】．２。逡逑ｉｗｍ逡逑图１．２压缩机叶轮破坏特征逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｆａｉｌｕｒｅ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ邋ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ逡逑振动导致的局部应力过大是引起叶轮疲劳破坏的主要因素Ｋ邋５１，严重影响着压缩机逡逑的安全可靠性。叶轮疲劳失效的冈素分为以下四个方面：叶轮的加材料、叶轮加工丨：逡逑艺、机械系统载荷激励和运行屮流场产牛的气动载荷激励，时轮的失效分析需要对所有逡逑因素进行校核ｍ。在运行过程屮，离心压缩机叶轮承受到的常规荷钱分为离心力载荷马逡逑Ｉ逡逑

可调导叶,工业应用,预旋

逦（１．１）逡逑式中：＼为理论能量头，ｃｈ，、分别为进出口处切向绝对分速度，＆、ｗ２分别为叶轮逡逑进出丨处的圆周速度。图１．５为导叶变变^u度的速度三角形，图屮０为预旋角度。当气逡逑流方向垂直于圆周速度时，即为无预旋或零预旋条件。当来流速度方向与圆周速逡逑度相同时，ｑｕ＞0即为正预旋条件。反之，ｃｌｕ＜0时负预旋条件。根据式１．２可知，当逡逑正预旋条件时，压缩机的理论能量头降低，负预旋时叶轮的能量头会增高。当处于负预逡逑旋条件下时，压缩机的进口相对马赫数较高，受到压缩机阻塞工况的制约，高马赫数导逡逑致的流动损失也会提高，所以工程中较少采用负预旋工况或仅采用较小负预旋角度条件逡逑的工况１｜７１。逡逑Ｕ逦ｕ逦ｕ逡逑、—逦—一１逦、逦７飞—逡逑．逦／逦、＜、、邋Ｗ逡逑ｗ逦ｃ邋ｒ＇＇＇４邋ｃ＇邋＇．ｃ逡逑ｕ逦、＇ｕ逡逑（ａ）无预旋逦（ｂ）正预旋逦（ｃ）负预旋逡逑图ｌ．Ｓ叶轮进口速度三角形逡逑Ｆｉｇ．邋］邋．５邋ＩＴｉｅ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｔｒｉａｎｇｌｅｓ邋ａｔ邋ｔｈｅ邋ｉｍｐｅｌｌｅｒ邋ｉｎｌｅｔ逡逑３逡逑

【参考文献】