叶片数对离心压缩机性能的影响

靳亚峰 韩扑塄 王 姗 王娟丽

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

离心式压缩机是一种能够提供压缩气体的节能设备，具有体积小、重量轻等优点，广泛应用于小功率燃气轮机、风源、石油化工等行业。

离心式压缩机按其结构分，可以分为单级或多级离心压缩机。单级离心压缩机主要由进气通道、叶轮、扩压器、排气蜗壳组成。离心压缩机的叶片数直接影响压缩机内部流道的大小，会影响压缩机内部流场的分布，对机组的效率和压比都会产生影响。

离心压缩机叶片数目多，可以减少轴向涡流的影响，有利于提高叶轮的做工能力，降低二次流损失和分离损失，但通常会增大摩擦损失、冲击损失并加大叶片进口的阻塞，而且过多的叶片数会导致叶道的当量水力直径过小，大大增加流动损失。反之，叶片数过小，会增大二次流损失和分离损失，但可以减小摩擦损失、冲击损失及叶片进口的阻塞[1]。因此叶片数过多或者过少都不好。寻求一个最佳叶片数，对工程方案设计具有重要的意义。

本文针对某空分离心式压缩机，通过改变其叶片数，分析叶片数对机组效率、压比等的影响，寻求一个最佳叶片数，使整个机组效率达到最优。

1 模型建立

针对本空分机组高压比、小流量的特点，本文选用带分流叶栅的闭式叶轮进行研究。离心压缩机的内部流体流动遵循连续性方程、动量方程和能量方程，叶轮模型如图1所示。

图1 叶轮模型Figure 1 Impeller model

2 方案设计

由于叶轮及其工作条件比较复杂，很难有统一的公式计算出具体条件下叶轮的最佳叶片数。根据相关资料建议，按照平面叶栅最佳叶栅稠度的概念计算，叶片数可以由下面公式估算：

式中，β1为叶片进口安装角；β2为叶片出口安装角；D1为叶轮叶片进口直径；D2为叶轮叶片出口直径；(lt)opt为为最佳叶栅稠度。

相关文献建议最佳叶栅稠度在2.2～4.0之间[2-3]。

针对本压缩机的参数，由上述公式可以初步估算叶片数在11～20之间，因此本文选取6组、7组、8组、9组、10组叶片为研究对象。用NREC软件对叶轮进行三维造型，保证主要设计参数，如载荷分布等在合理范围之内。随着叶片组数的增加，叶轮上的载荷分布减小，并且保证每组的载荷分布都在0.7以下。

采用AutoGrid5对叶轮进行网格的划分，结合边界条件，将单流道模型划分为六面体网格，如图2所示。

图2 子午流道及网格模型Figure 2 Meridional flow channel and grid model

在不改变其他结构的情况下，仅对原模型的叶片数进行修改，分别建立叶片数为6组、7组、8组、9组、10组的叶轮模型，然后对所有的模型进行分析，研究不同叶片数对离心压缩机性能的影响。

本离心压缩机工质为空气，喘流模型用Spalart-Allmaras(Extended wall Function)模型。叶轮部分设置为转动部件，扩压器设置为静子部件。转静子交界面采用周期守恒型连接面，固体壁面为无滑移、绝热边界条件。进口边界设置为总温总压，出口边界设置为质量流量。收敛条件为2万步或者各项残差小于10-5。

3 结果分析

图3为设计转速、设计流量下的不同叶片组数的离心压缩机速度云图。叶片组数和压比、效率的关系见图4～5。

叶片组数10组9组8组7组6组10%叶高50%叶高90%叶高

图4 叶片组数和压比的关系Figure 4 Relationship between blade number and pressure ratio

图5 叶片组数和效率的关系Figure 5 Relationship between blade number and efficiency

从上述速度云图、叶片组数和压比、效率的关系图可以看出，叶片组数为6组时，叶轮顶部出现分离涡，叶轮内部流动较大，低能流体从轮盘向轮盖处积聚较多，吸力面轮盖处速度很小，导致二次流损失严重[4-5]。而叶片数增多，可以使这一现象得到改善。随着叶片数的增加，出口压力会有所增加，等熵效率也会升高，但并不是叶片数越多越好。叶片组数为10组时，叶轮顶部出口位置有脱流，说明虽然单个叶片上的载荷降低了，但叶轮进口的阻塞增加了，内部流动摩擦损失也增加了，所以导致出口压力降低，效率下降。叶片数为8组时，效率和压比均达到最大值，因此8组是最佳叶片组数。

4 总结

通过改变叶片组数，分别对离心压缩机进行建模、网格划分和数值分析，得到以下结论：过多的叶片数或者过少的叶片数都会对机组的效率产生影响，叶片数过多，会导致摩擦损失过大，机组效率下降；叶片数过少，叶片载荷分布增加，二次流损失严重，从而使机组效率下降。因此在方案设计时，需寻求一个最佳叶片数，使机组效率达到最佳。