轴向切割在压缩机改造中的应用分析

夏征盛　+程超

摘 要：通过对国内某石化企业用轴流段与离心段联合式压缩机实际运行需求与设计能力的差异进行分析，提出减小设计流量而不降低机组效率和做功能力的方法，并对其中的离心段叶轮轴向切割方法进行了数值验证，验证结果表明轴向切割方法可以有效减小离心段的设计流量，同时离心段效率和做功能力略有提升，满足企业实际需求。

关键词：压缩机；轴向切割；数值分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.210

0 引言

国内某石化分公司三催化机组采用国外设备，该设备属于轴流段+离心段联合式压缩机组，其中轴流段为13级压缩，部分静叶可调，离心段为1级压缩，以下称为复合式压缩机。由于机组目前实际生产所需要的流量是机组设计流量的85%，机组长期处于放空运行状态，大量能量白白损耗，运行成本增高，而且放空噪音巨大，对环境造成二次污染。鉴于此，通过对该机组进行分析，提出对该机组进行节能降噪改造，减少流量的同时保证出口压力、机组效率与设计参数相比无负偏差，以提高机组运行经济性。

1 计算方法

首先确定机组轴流段气动设计的基本原则为改变叶型流道以满足实际需求。经过详细计算，新承缸内径减少4.35%，再通过部分静叶调节能满足改造要求。

然后进行离心段改造，该复合式压缩机的离心段原始结构参数为：叶轮入口直径D0=714mm，叶轮出口直径D2=1000mm，叶轮出口宽度=71.5mm，叶轮叶片入口、出口安装角为38?、45 ?，叶轮叶片厚度=21mm，叶轮叶片数=15。

该离心叶轮叶型为二维机翼型，为了保证改造后性能变化在允许范围内，最简单有效的办法就是对叶轮进行轴向或径向切割，由于径向切割后，叶轮与扩压器间的间隙增大，加大了叶轮流动的泄露损失，对效率影响很大，此处为了保证压缩机的效率不变，对离心叶轮进行了等轴向比例盖侧切割变型设计，叶轮出口宽度减小，轮盖倾角保持不变，同时为了使离心叶轮段入口与轴流段出口匹配，离心叶轮新D0与轴流段静叶承缸出口内径保持一致。

最后为了尽可能少的变动原机组，我们希望仅变动叶轮，保持无叶扩压器不变，从相关资料[1-2]上可以看出，扩压器宽度和叶轮的匹配对机组性能有一定的影响，因此本文也考虑了无叶扩压器宽度对机组性能的影响，对三种方案即改造前的原始叶轮和扩压器，改造A方案（叶轮和扩压器均改变），改造B方案（仅叶轮改变，扩压器不变），采用CFD（computational fluid dynamics）数值计算方法进行了详细计算分析，三种方案的结构尺寸见表1。

2 计算网格

图1为三种方案示意图，表1为该三种方案的结构尺寸变化。三种方案的网格数分别为370000、320000、320000，网格最小正交角分别为14.5?、19.8 ?、14.4 ?，网格均为六面体结构化网格，以提高计算精度。

3 边界条件

三种方案的边界条件为：转速5827r/min，入口总压3.8bar（A），入口总温200℃，出口总压4.47bar（A）。

4 结果分析

数值计算利用商业计算软件Numeca的euranus求解器求解三维定常湍流Navier-Stokes方程组，由于叶轮机械的周期性，采用了对1个叶轮通道联合无叶扩压器进行定常计算， 叶轮流道采用Autogrid划分网格，扩压器采用IGG划分网格，叶轮与扩压器之间的动/静交接面采用周向平均法进行相关物理量的传递，空间差分采用中心差分格式。所有的收敛计算中近边界层的Y+均小于10，收敛残差均小于10-5，表明数值求解的结果可靠，收敛值为真值，数值结果具有网格无关性。

对改造前（Original）、A、B三种方案进行了湍流模型校验对比。依据经验，S-A湍流模型和标准K-ε湍流模型的工程应用非常广泛，有一定的精度，因此为了简化计算资源，仅对上述两种湍流模型进行了对比计算。特性参数计算结果如表2所示。

从计算结果来看，S-A模型在改造前、A方案和B方案的效率计算中偏离过大，同时从软件使用者的文献来看[3-6]，标准K-ε模型比K-A模型精确度更高，更符合实际工程需求，因此后续我们都以标准湍流模型的模拟结果进行比较。

从表2的标准K-ε湍流模型特性参数计算结果中可以发现，A方案、B方案的流量相比改造前均大幅度减少，A方案减少14.7%，B方案减少14.5%，与用户要求的流量减少15%相当；A方案、B方案的效率相比改造前略有提升， A方案效率提高了0.65%，B方案效率提高了0.32%，满足用户要求的改造后效率不能有负偏差；A方案、B方案的静压比相比改造前略有提升，A方案静压比提高了0.76%，B方案效率提高了0.82%，满足用户要求的改造后压力不能有负偏差。从上述比较可以看出，B方案能够满足用户目前的实际运行需求。

图2为三种方案叶轮和扩压器子午流面的相对速度分布图，由于方案B的叶轮出口宽度小于扩压器入口宽度，图2显示出该无叶扩压器靠近轮盖侧有一个低能涡存在，增大了能量损耗，对效率有一定影响，但是从相对流线的发展来看，主流速度较高，该涡区迅速衰减，到无叶扩压器出口时已经看不出该涡区的影响，因此对压缩机的性能影响有限。

5 结论

（1）验证了在工程应用中，采用标准湍流模型比湍流模型精确度更高，更符合工程实际。

（2）通过对该复合式压缩机离心段进行改造分析，可以看出改造后机组流量有一定程度的减少，同时机组效率和压力都略有提升，表明轴向切割方法应用在机组改造中完全满足用户要求。

（3）叶轮出口宽度与扩压器宽度一致时效率最高，叶轮出口宽度小于扩压器宽度时，会带来部分能量损耗，有低动能的涡区存在，但是当气流速度足够大时，涡区的影响被消弱到最小，对压缩机的效率、能头影响较小。

参考文献：

[1]么立新，匡中华，刘洋等.无叶扩压器进口子午形状研究[J].风机技术，2012（06）：16-21.

[2]刘海清，张宏武.某带无叶扩压器的离心压缩机内部流动特性与稳定性分析[J].风机技术，2013（04）：17-20.

[3]祁明旭.轴流透平级内三维复杂流动的数值模拟及小展弦比叶栅的特性试验[D].西安交通大学博士论文，2002.

[4]刘长胜.离心式压缩机级的三维粘性数值模拟[D].西安交通大学硕士论文，2003.

[5]周莉.离心压缩机级内动/静相干非定常流动的数值与实验研究[D].西安交通大学博士论文，2006.

[6]王晓峰.基于三维粘性流场分析的离心压缩机叶轮近似模型优化设计[D].西安交通大学博士论文，2006.

作者简介：程超（1980-），男，在职博士生，研究方向：离心压缩机性能改进研究。endprint