离心压缩机变工况下流道分离损失的研究

机械管理开发MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENTTotal 1No. 1,2019D01:10.16525/j.cnki.cnl4-1134/th.2019.01.018离心压缩机变工况下流道分离损失的研究田晔(山西潞安煤基合成油有限公司，山西长治046100)摘要:介绍了离心压缩机叶轮内部流道分离损失理论及影响参数，针对相应的参数模拟了工况下的流道分离 损失曲线图，分析其离散点的发生，并对变工况下的流量和转速对流道分离损失的影响做了量化说明，以期调

整流道分离损失度，提高压缩机效率。关键词：离心压缩机 流道分离损失 工况中图分类号:TH452 文献标识码:A 引言离心压缩机的工作效率受流道分离损失的影

响，其内部运作具体分析非常复杂，经过长期的研 究，发现了其中的规律，针对这些规律，可以通过研 究工况下和变工况下离心压缩机流道的模拟分析，

从而找出其分离损失的规律以及具体影响数值，寻 找出损失最小点。主要以离心压缩机的入口流体流

量和转速等参数的变化引起的离心压缩机内部叶轮

相对速度的变化，进而影响到流道在工况和变工况 下分离损失的不同。1不同工况情况下叶轮内部相对速度曲线图离心压缩机在运行效率最高的点往往都是工况 下对应的各种参数点。这种情况下，由于离心压缩机 在制造设计过程中已经设定在工况参数条件下叶轮

和叶片扩压器的进口气流方向基本上与叶片进口安

装角是一致的，从而在理论上可以认为这一情况下 的流道损失是最小的。但这只是理想情况,在实际运

行过程中,在任何情况下，离心压缩机的叶道中都会 出现气流分离现象，这种现象一般会出现在非工作

面，尤其是接近叶轮的出口处通过相关理论可以发现,离心压缩机的叶轮内 部相对速度的分布情况直接决定了分离损失的大 小和位置，因此要研究流道分离损失的具体参数，

需要对离心压缩机叶轮内部的相对速度进行统计

学上的离散统计，为了直观和便于分析，将统计结

果绘制成统计曲线图。如图1所示为工况下典型流 道划分形式。通过以上分析,在工况下,离心压缩机叶轮入口 气流的冲角为0,而流道内分离损失也只可能在叶 轮出口部位岀现，可以满足参照标准，首先需要绘制

出工况下的离心压缩机叶轮内部相对速度变化曲线收稿日期:2018-06-25作者简介：田晔(19—),男，本科，毕业于太原科技大学工程 装备与控制工程专业，助理工程师，从事化工设备检修工作。文章编号:1003-773X( 2019 )01 -0043-03非工作面'二、■、、0、I 2 0工作面34 R「■-

* ■ -A ■6

*7

- <'« 0A 4图1叶轮单流道相对速度离散统计点分布图

图。如图2所示。以此参照图来分析变流量和转速。 分别针对变流量和转速情况下叶轮内部的相对速度曲线图，找出不同的偏离点进行统计分析。单叶道横向刻度尺标图2设计工况下典型流道内相对速度离散分布图2是理论上可以认为的流道损失是最小的工 况下叶轮内部相对速度的离散分布图。图中除后端 外，其他部分分布均匀平滑，无偏离点，只有在出口

处相对速度在工作面变高。这一结果与上面分析的 结果相对应,可以从理论上解释。作为参照图，选择

离心压缩机入口流量和转速分别70%和145%两种 情况下的叶轮内部相对速度曲线图进行比较分析因。 与工况下的参照图相比，选取那些偏离度超过10% 的点作为离散点，即选取相对速度曲线图对比后的 离散点如式(1)所示:£&i_/£fi^=100% ± 10% .

(1)。变1 Q变乂式中:”和为设计工况下叶轮入口相对速度;。如为变

工况下叶轮入口相对速度;必“和”込分别为设计工 况和变工况下对应的离散点X的相对速度。• 44 •机械管理开发jxglkfhjh@l 26.ccm第34卷如图3所示为变流量工况下的离心压缩机叶轮 内部相对速度曲线图。图3-1通过与参照曲线图对 比,可以明显看出在系列1,标尺7处岀现了相对速 度的最低值，而这一区域在设计工况中的速度显然是

高于标尺7坐标其余点的。图3-2则在标尺6处岀 现了离心压缩机叶轮内部相对速度差值最大值，而且 在标尺6处系列2和系列3之间的空间也比较大，较

为明显的体现出系列3所在点已处于分离状态。Q701501309070501234567

单叶道横向刻度尺标3-170%流量叶轮单流道相对速度离散分布图单叶道横向刻度尺标3-2 145%流量叶轮单流道相对速度离散分布图图3变流量工况下典型流道内相对速度离散分布图图4则是变转速状况工况下典型流道内的相对 速度离散分化图。变速工况下的相对速度曲线图趋 势与上面分析的变流量工况下的相对速度曲线去趋 势相同，只有在入口处有所不同。图4-1中入口处速 度几乎一致，出现这种现象的原因是转速的变化是 一个线性的过程，在变化持续过程中，与变流量相 比，变转速对入口的冲击要小的多，因此变化并不明

显。图4-2显示在标尺6处最低值相比入口相对速 度要低很多⑶。按照分析过程，需要对变流量和变转速不同情200150100501234567单叶道横向刻度尺标4-170%转速叶轮单流道相对速度离散分布图[二•一系列i]♦系列2 +系列3鰹〜系列4 卜—系列5|翌X

W

单叶道横向刻度尺标4-2 145%转速叶轮单流道相对速度离散分布图§4变转速工况下典型流道内相对速度离散分布况下的离散点按照式（1）进行筛选，按照曲线图，筛 选结果如表1所示。表1不同工况下单流道内离散点超标点数和所占比例表不同流量下的超标点数及其占比不同转速下的超标点数及其占比流量超标点数占比转速超标点数占比70%1533.3%70%715.6%85%817.8%85%311」％115%24.4%115%36.7%130%36.7%130%613.3%145%511.1%145%920%2不同工况情况下叶轮内部分离损失分析在分析不同工况情况下离心压缩机叶轮内部分

离损失时，为了方便说明对比结果以及简化对比流 程,需要先引入一个分离损失度的概念。不同工况情

况下分离损失度的大小如表2所示。分离损失度K* 是用来表示分离损失与气体做功量比值的参数，计

算公式如下：K、=K\\NJN“

（2）Ks=hJhM.

（3）式中:M为叶轮流道中超出标准的相对速度离散点 数;M为叶轮流道的总的相对速度离散点数;匕为 正比系数;九为叶轮内部分离损失;九”为叶轮加给

气体的总能量。表2不同工况情况下分离损失度的大小不同流量下的分离损失度不同转速下的分离损失度流量分离损失度转速分离损失度70%2.85%70%1.38%85%1.%85%0.96%115%0.38%115%0.58%130%0.57%130%1.16%145%

0.96%145%1.74%通过工况下离心压缩机叶轮内部相对速度曲线

图以及不同流量和不同转速下，相对速度的离散点 分析，结合变工况下的不同流量和转速下分离损失

度的对比,可以得岀以下结论：1） 离心压缩机流道的分离损失遵循以下规律: 随着流体入口流量的增大,分离损失率逐步变小,当 达到某一个峰值后,分离率又逐步增大;相应的分离 损失发生部位也会随着流量的增大逐步由非工作区

附近向工作面附近转移⑷。2） 离心压缩机流道的分离损失遵循以下规律:

随着转速的增大,分离损失率逐步变小,当达到某一

个峰值后,分离率又逐步增大;相应的分离损失发生 部位也会随着转速的增大逐步由工作区附近向非工

作区附近转移。3） 无论工况参数如何变化，影响离心压缩机叶

2019年第1期田晔:离心压缩机变工况下流道分离损失的研究• 45 •轮分离损失的主要因素都是叶轮的冲角。影响。通过对具体型号离心压缩机的参数分析.可以

4) 离心压缩机叶轮冲角一定时.相对速度的变 化也会影响到分离损失度，且遵循以下规律:相对速 度越小，分离损失度越大。针对不同的运行情况，寻找出相对最为平衡的参数, 以调整流道分离损失度，提高压缩机效率。参考文献［1］ ［2］ ［3］ ［4］

5) 如果入口流量或转速两个参数中，任一参数 没有达到工况，可以调节另外一个相对参数来降低 流道分离的损失度，从而有效提高离心压缩机的流 道效率。王子成，刘正先•湍流模型对叶轮机械内部流动性能模拟结果

影响的研究［D］.天津:天津大学,2009.王志强，王延飞.大型离也压缩机的安装匸艺及质量控制［J］•城

市建设理论研究,2015(11):83-90.花严红，袁卫星，王海•离心压缩机研究现状及展望［J］ •风机技 术.2014(3):56-57.侯树强•王灿星,林建忠•叶轮机械内部流场数值模拟研究综述［J］漩体机械,2014(3) ：56-57.3结论离心压缩机在不同的入口流量和转速下，内部

叶轮流道的损失度有所不同,且二者相互制约,相互

(编辑：李媛)Study on Channel Separation Loss of Centrifugal Compressor under

Different Working ConditionsTian Ye(Shanxi Lu'an Coal-base Synthetic Oil Co., Ltd., Changzhi Shanxi 046100)Abstract： This paper introduces the theory of flow channel separation loss in centrifugal compressor impeller and its influence parameters. According to the corresponding parameters, the flow channel separation loss curve under working condition is simulated, and the occunence of discrete points is analyzed. The influence of flow rate and rotational

speed on the separation loss of flow channel is explained quantitatively in order to adjust the loss degree of flow channel separation and improve the efficiency of compressor.Key words： centrifugal compressor; flow channel separation loss; working condition(上接第42页)可保证主轴在旋转过程中的工作安全和运行可靠。 鉴于对通风机使用过程更加安全的考虑，在后期设

［3］ ［4］ ［5］ ［6］

乍胜•矿用对旋风机两级叶轮转速匹配性能研究［D］ •太原:太原

理工大学,2016.贺秋冬，龚曙光.对旋轴流局部通风机叶片断裂原因分析与改 进［J］.机械工程学报,2011,47(24):122-127.计过程中可对主轴的键槽根部区域进行加强，在实

际工作过程中也需加强对主轴的结构检测和定期维

沈亮霓,邹圆刚，.风机叶片裂纹的诊断研究［J］ •机械设

计与制造,2008(6):130-132.护,以保证主轴的使用效率和安全性。参考文献［1］

贺秋冬，李丽君.防爆抽岀式对旋轴流局部通风机叶轮的静力

成心徳•离心通风机［M］.北京:化学工业出版社,2007.徐青立，王喜仓.离心式风机叶片的一体化设计［J］.山东交通学 院学报,2006( 14):60-66.分析［J1 •武汉工程大学学报,2012,34(5)： 68-72.［2］ (编辑:李媛)Analysis on Safe Operation Structure of Centrifugal Fan in Coal

MineLiu Tao(Huasheng Wanjie Coal Industry Co., Ltd. of Datong Coal Mine Group, Hejin Shanxi

043300)Abstract: Taking 9—26 No. 14D centrifugal fan as the research object, the force acting on it in the working process is analyzed. Using PROE and ANSYS software, the three-dimensional model and finite element simulation model of fan

spindle are established, and the finite element simulation analysis based on principal shaft stress and displacement

deformation is carried out. The simulation results show that the strength and stiffness of the main shaft of the fan can meet the operational requirements and ensure the safe and reliable operation of the spindle in the process of rotation. Key words： coal mine： centrifugal fan; spindle; strength analysis