离心压缩机节能型进口导叶调节装置的研究

摘要

压缩机在运行过程中受气候影响及客户需求需要经常调节气体的流量，很多情况下通过在进口加装进口导向叶片的方法来控制流量，但目前由于进口导向叶片调节流量的能力普遍不足，导致在冬季由于气量过剩而排空浪费掉，最多的时候要浪费高达30％的气量，造成能源的浪费，目前国际先进水平最多仅需排空15％的气量，因此改进进口导叶的设计，开发出高效流量调节装置是中国目前压缩机行业急需解决的关键技术之一，对于提高中国压缩机设计技术，提升企业竞争力具有重要的意义，同时对于节能减排具有重大的现实意义。
　　本文从进口导叶调节装置的结构、调节机理和对叶轮压缩功的影响等方面对导叶调节的基本理论做了详细论述，并以导叶自身的调节能力和对压缩机性能的影响两方面阐明了进口导叶调节装置的评价体系。介绍了应用于叶轮机械数值模拟技术的相关理论知识，建立了带进口导叶的压缩机实体模型，利用计算流体力学的方法对导叶不同开度下的流场分布规律做全面的研究与分析，揭示了导叶调节时的一些重要流动现象。导叶在绕其自身转轴旋转时为了避免与机匣端壁发生碰撞，会在导叶顶部留有圆弧状的间隙，部分气流从间隙处流过而得不到有效调节，并形成叶顶间隙泄漏涡，对主流造成影响，使压缩机性能下降。针对这一问题，本文提出了三种导叶通道结构形式的改进方案，有效地提高了导叶的调节能力，扩大了压缩机的稳定工况范围，减少了压缩机的功耗，提高了压缩机的效率。
　　为了探究导叶叶片形状对导叶调节能力和压缩机性能的影响，本文分别对导叶叶片型面的厚度、弯曲度和最大挠度位置做系统的研究和分析，总结出这几项参数的变化对导叶调节性能影响的规律。为了找出调节性能最好的进口导叶叶片形状，本文采用现代优化方法对进口导叶的叶片型面进行三维的优化设计，主要的方法学思想是以人工神经网络对连续设计进行适应度评价，并用遗传算法进行全局寻优。经过优化后，导叶的调节性能有了显著的提高，大大增强了导叶的预旋能力，并减少了压力损失，使压缩机的流量和功率在导叶安装角较大时大幅减少，效率显著提高，同时使导叶通道内的流场有了明显改善，使原来的流场分布不均匀和流动分离等现象大幅减弱，甚至完全消失。最后，对本文所提出的三种改进后的叶顶通道结构形式和优化叶型的进口导叶装置进行试验测试，并与原始形式进行对比，结果证明了本文研究成果的可靠性。
　　最终，应用改进优化后的进口导叶调节装置可使压缩机在冬季运行时减少20％左右的压缩气体排空浪费量，同时降低压缩机20％左右的功耗，并提高了压缩机的效率和稳定工况范围。此项课题的研究成果可应用到工业生产各个领域中的离心压缩机中，在压缩机进口处加装这种高效的流量调节装置可以使其在冬季运行时大幅减少压缩气体的排空浪费量及功耗，并提高压缩机的效率，提升能源的利用率，避免能源的浪费，因此具有很广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外相关工作研究进展

1．2．1可调进口导叶调节性能的相关研究

1．2．2可调进口导叶气动特性的相关研究

1．2．3可调进口导叶结构参数的相关研究

1．2．4透平机械叶片叶顶间隙相关研究

1．2．5透平机械叶片优化设计相关研究

1．3离心压缩机进口导叶调节的基本理论

1．3．1进口导叶调节装置简介

1．3．2进口导叶调节过程

1．3．3进口导叶调节原理

1．3．4进口导叶调节对叶轮压缩功的影响

1．3．5进口导叶调节的评价体系

1．4 CFD理论在透平机械中的应用

1．4．1 CFD理论概述

1．4．2 CFD控制方程

1．4．3湍流数值模拟方法

1．5本文主要研究思路

2离心压缩机进口导叶调节性能及内部流动特性

2．1引言

2．2本文数值模拟过程

2．2．1模型的建立

2．2．2网格划分

2．2．3湍流模型的选取

2．2．4计算参数设定

2．3离心压缩机进口导叶的调节性能

2．4进口导叶内部通道流动特性

2．4．1子午通道截面流动特性

2．4．2导叶通道流通截面流动特性

2．4．3沿导叶叶高方向截面流动特性

2．5本章小结

3导叶叶顶间隙对其调节性能的影响及改进方案

3．1引言

3．2导叶叶顶间隙对其调节性能的影响

3．3导叶叶顶间隙通道结构形式的改进方案

3．3．1矩形叶顶通道

3．3．2弧形叶顶通道

3．3．3球形叶顶通道

3．4不同通道结构形式的对比分析

3．4．1不同通道结构形式对导叶调节性能的影响

3．4．2不同通道结构形式流场的对比分析

3．5本章小结

4叶型对导叶调节性能的影响

4．1引言

4．2导叶厚度对导叶调节性能的影响

4．3导叶截面弯曲度对导叶调节性能的影响

4．3．1导叶截面正向弯曲

4．3．2导叶截面反向弯曲

4．4截面弯曲导叶最大挠度相对位置对导叶调节性能的影响

4．5本章小结

5 离心压缩机进口导叶叶型三维优化设计

5．1引言

5．2参数化拟合

5．2．1 Bezier曲线

5．2．2曲线拟合

5．2．3导叶的Bezier曲线参数化

5．3人工神经网络

5．3．1人工神经元模型

5．3．2人工神经网络结构

5．3．3神经元的网络模型和工作方式

5．4遗传算法

5．4．1编码方法

5．4．2适应度函数

5．4．3遗传算子

5．5进口导叶的优化步骤

5．6优化结果分析

5．7改进优化后导叶调整装置性能分析

5．8本章小结

6节能型进口导叶装置的试验验证

6．1试验测试模型

6．2试验测试系统概述

6．2．1总体说明

6．2．2主要技术指标

6．2．3测控部分的硬件配置

6．2．4数据处理软硬件配置

6．3试验操作流程

6．3．1试验前期准备工作

6．3．2试验测试过程

6．3．3测试系统停止

6．4试验数据处理

6．4．1测量参数的误差分析

6．4．2考虑压缩性影响的修正计算

6．4．3性能换算

6．5测试结果及分析

6．5．1优化叶型导叶与原始形式的对比

6．5．2改进通道形式与原始通道形式的对比

6．6本章小结

7结论与展望

7．1结论

7．2创新点及应用

7．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介