压缩机可调进口导叶性能的数值分析

王娟丽 王 鑫 王 松 陶功新 赵先波

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

在压缩机设计中，可调进口导叶(IGV)是一种十分常见的负荷调节方式[1-2]。进口可调导叶通过改变导叶开度，气流在叶轮入口产生预旋，从而可扩宽运行范围，提高叶轮效率，预防喘振过早发生。目前，进口可调导叶的调节特性的研究可以通过试验研究，及数值模拟研究[3-5]。通过数值模拟的方法，分析了IGV及入口导流段随开度、流量的变化的气动性能，得到压损曲线，效率曲线、叶片扭距曲线等，叶轮入口预旋角随导叶开度的变化关系，为预估叶轮性能提供数据。

1 IGV调节原理

本次设计叶片只数9只，IGV放置于进口管道处，掺混段当量收缩角40°，子午流道示意图如图1。

图1 子午流道示意图Figure 1 Meridional channel

IGV在一定开度下可以实现气流预旋，产生切向速度，由欧拉方程，切向速度将改变叶轮能头，同时在相对较大的开度下，会产生节流效果，从而实现负荷调节。IGV相当于汽轮机中的静叶片，将进出口的压降/焓降转化为切向速度带入叶轮级，改变叶轮做功能力。

图2为叶轮叶片进口的气流预旋，α1为气流预旋角，C1r为α1起始边，C1为终止边，α1与叶轮旋转方向相同时为正，反之为负。图2(a)，α1=0，C1u=0时，叶轮进口气流无预旋；图(b)所示α1>0，C1u>0时，叶轮进口气流正预旋；图2(c)所示α1<0，C1u<0时，叶轮进口气流负预旋。由欧拉方程看出，正预旋降低做功能力，负预旋提高了做功能力。

图2 叶轮进口的气流预旋Figure 2 Air flow prerotation at blade wheel inlet

欧拉方程：Wth=C2uU2-C1uU1

(1)

速度变化如图3所示，0截面为IGV转轴所在位置，1截面为叶轮入口。由于0截面到1截面气流通流半径(通径)发生变化，气流经过IGV预旋后到截面1角度会发生变化。

图3 速度变化Figure 3 Speed variation

截面0到截面1气体流动符合：

C0uR0=C1uR

(2)

C0rA0=C1rA1

(3)

(4)

2 进口可调导叶CFD分析

使用CFX软件，对入口IGV及进口导流管进行数值分析。首先针对设计流量，变化开度进行分析，然后针对不同开度，变化流量进行分析。得到不同开度、不同流量下该段的气动性能。以确定不同工况下游叶轮入口状态点。

2.1 不同开度分析

对进口可调导叶单独进行分析。IGV开度由-20°～60°变化。由图4不同开度流线图可以看出，开度比较小时流线比较均匀。当开度30°～60°时，叶片顶部打开了一个间隙，叶顶处有低速流体，该部分流动导致损失增大。导叶开度较大时，叶片中心产生明显的轴向射流。

图4 不同开度流线图Figure 4 Flow lines of different openings

图5可以看出，当IGV开度增大，叶片所受气流扭矩增大。公式(4)计算得到的叶轮入口角度与CFD计算的角度基本相等。开度较大时偏差较大，开度为60°时，偏差约2.5°。因此可以按照公式(4)计算叶轮入口预旋。IGV前后静压损失随IGV开度增大而增大，当开度大于40°时，静压损失急剧增大，因此开度越大节流作用越显著。

图5 IGV不同开度扭矩、叶轮进口预旋、静压损失系数及效率变化Figure 5 Torque, blade wheel prerotation, static pressure loss factor and efficiency variation at different IGV openings

通过图5中的静压损失系数曲线和效率曲线，结合入口初始参数，可确定叶轮入口热力状态点。同时，由于叶轮入口预旋会改变叶轮本身的能头系数和效率，根据修正后的能头系数和效率结合叶轮入口热力状态，可以计算得到叶轮出口热力状态，在实际工程应用中就得到了IGV+下游叶轮的组合性能特性。

2.2 不同流量IGV分析

计算相同IGV开度下，流量变化对IGV性能的影响。图6中可以看出，同开度下流量增大时，扭矩增大，静压损失增大，流量变化对效率几乎没有影响。

图6 IGV不同开度、不同流量下扭矩、静压损失系数及效率变化Figure 6 Torque, static pressure loss factor and efficiency variation of IGV at different openings and flows

3 总结

(1)IGV到叶轮入口有收缩段，会导致叶轮入口预旋角与开度之间有变化。叶轮入口预旋角度可由公式计算得到，项目运行范围内，由公式计算的叶轮入口预旋角误差不大于2.5°。开度越大，误差越大，流量越大误差越大。

(2)叶片所受的扭矩随流量和开度的增大而增大。

(3)叶轮入口预旋角中部大，根顶部小。

(4)效率随开度变大而降低，相同开度下，流量变化对效率几乎没有影响。

(5)静压损失系数随开度增大而增大，随流量的增大而线性增大。