離心壓縮機無葉擴壓器失速與系統(tǒng)喘振先兆分析研究.pdf

1、離心壓縮機作為一種提高氣體壓力的通用機械，在國民經(jīng)濟的許多部門得到了廣泛的應用，并占有重要地位，但是同時也是這些部門的耗能大戶。近年來，國際國內(nèi)能源形勢的日益嚴峻也對離心壓縮機的設計提出了更高的要求，即要求設計壓比更高、效率更高、工作范圍更寬的離心壓縮機。而這其中對工作范圍的要求尤其突出，比如工作范圍的增加可明顯降低車用渦輪增壓器的匹配困難；增加CHP系統(tǒng)熱電比調(diào)節(jié)范圍等。除了堵塞之外，失速和喘振是限制離心壓縮機穩(wěn)定工作范圍的主要原因，

2、同時也是級間匹配或壓縮機與透平匹配機組匹配的關鍵問題，處理不當，甚至會導致機毀人亡的災難性事故。然而，迄今為止有關離心壓縮機的研究并未有突破性進展，因此這方面的研究是本領域的前沿熱點，本文對此進行了若干嘗試性的工作，現(xiàn)將主要的工作與結果總結如下：
　　 1.對無葉擴壓器旋轉失速的起因進行了新解釋，研究方法主要包括數(shù)值模擬以及數(shù)值結果與實驗結果對比。本文采用了二維數(shù)值模擬方法對無葉擴壓器從核心區(qū)流動失穩(wěn)的角度進行了研究，計算中需要

3、在葉輪出口給定射流-尾跡的邊界條件。計算結果表明無葉擴壓器內(nèi)的確存在與邊界層關系不大的，而與小流量下葉輪出口的射流.尾跡結構密切相關的一種旋轉失速形式。從射流-尾跡的結構來說，射流與尾跡在周向所占據(jù)范圍的比例對失速臨界角具有很大的影響，而射流和尾跡的強度比則對失速幾乎沒有影響。文中同時還研究了其它參數(shù)對旋轉失速起始和失速特性的影響；
　　 2.首先建立了基于實數(shù)編碼遺傳算法優(yōu)化初始權值的小波神經(jīng)網(wǎng)絡，然后利用該工具對現(xiàn)有文獻中有

4、關無葉擴壓器旋轉失速研究的數(shù)據(jù)進行分析，從而發(fā)現(xiàn)在b3/D2≈0.05附近，無葉擴壓器幾何參數(shù)對失速特性的影響差異較大，這也就驗證了上一章提出的不同寬度擴壓器可能存在不同失速機理的假設；另外有關無葉擴壓器失速特征的實驗研究中在擴壓器后均不存在后續(xù)部件蝸殼，因此作者認為還需要分析蝸殼的影響，在意大利佛羅倫薩大學學者的幫助下，作者對新比隆公司的某多級壓縮級末級的失速數(shù)據(jù)進行分析，結果發(fā)現(xiàn)蝸殼的確對無葉擴壓器的失速特性有影響，但這種影響與葉輪

5、的出口寬度有關，當葉輪出口寬度較大時，失速臨界角預測可以不考慮下游蝸殼的影響；
　　 3.盡管上述兩部分對無葉擴壓器的失速機理和影響因素進行了分析，然而可能更需要關注的是如何擴展給定的無葉擴壓器的穩(wěn)定性范圍，即推遲失速臨界角。作者對日本橫濱國立大學所用的徑向開槽方法進行了詳細的數(shù)值模擬，并分析了開槽對擴壓器流場的影響，在這些分析的基礎上，建立了槽內(nèi)流動的理論模型，并將其與實驗結果進行了對比，隨后作者建立了開槽參數(shù)的選取準則，從而

6、為實際工業(yè)提供指導，最后是法國南特中央理工學院利用該準則進行的實驗，實驗結果驗證了該準則的正確性；
　　 4.前述部分關注的是無葉擴壓器的失速問題，而對于離心壓縮機中的離心風機，由于葉輪出口的動壓較小，同時處于制造成本的考慮，在葉輪和蝸殼之間一般并不采用無葉擴壓器，因此此類風機的失速研究，必須要考慮葉輪和蝸殼的相互影響。本部分利用了數(shù)值模擬和實驗研究手段分析了蝸殼+5種葉輪組合在不同流量下壓縮機內(nèi)部流場和動態(tài)速度信號的變化，得到

7、了葉輪和蝸殼對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；此外還分析了葉輪內(nèi)部各個通道的流量以及蝸殼內(nèi)部流動結構隨流量的關系，并提出了蝸舌內(nèi)循環(huán)流量與有效增壓的蝸殼出流量之比這一參數(shù)作為判斷系統(tǒng)逼近失穩(wěn)的依據(jù)；
　　 5.最后一部分從系統(tǒng)角度對課題組研發(fā)的轉速為52000rpm的二級高速離心壓縮機的喘振特性進行了研究，主要是采用復Morlet小波對不同位置采集到的壓力信號從時頻角度進行了分析，從而探討了系統(tǒng)的喘振過程和引起失穩(wěn)的可能部件，由于壓力信號采集

8、中采用了引壓管，為此還對引壓管的頻率響應特性進行了理論和實驗研究。在喘振信號分析的基礎上，作者還提出了基于標準差變換系數(shù)的喘振先兆預警方法，并將該方法應用于本文的實驗結果以及波蘭Lord理工大學的某離心鼓風機實驗臺，結果表明該方法可用于喘振預警，但方法的有效性很大程度上取決于傳感器的位置，故文中還探討了壓力傳感器位置選取對喘振先兆的影響。
　　 本文上述五個方面分別從離心壓縮機的部件和系統(tǒng)的角度研究了壓縮機的旋轉失速和喘振，研究