離心壓縮機(jī)無葉擴(kuò)壓器失速與系統(tǒng)喘振先兆分析研究.pdf

1、離心壓縮機(jī)作為一種提高氣體壓力的通用機(jī)械，在國民經(jīng)濟(jì)的許多部門得到了廣泛的應(yīng)用，并占有重要地位，但是同時(shí)也是這些部門的耗能大戶。近年來，國際國內(nèi)能源形勢(shì)的日益嚴(yán)峻也對(duì)離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，即要求設(shè)計(jì)壓比更高、效率更高、工作范圍更寬的離心壓縮機(jī)。而這其中對(duì)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(jī)穩(wěn)定工作范圍的主要原因，

2、同時(shí)也是級(jí)間匹配或壓縮機(jī)與透平匹配機(jī)組匹配的關(guān)鍵問題，處理不當(dāng)，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故。然而，迄今為止有關(guān)離心壓縮機(jī)的研究并未有突破性進(jìn)展，因此這方面的研究是本領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，本文對(duì)此進(jìn)行了若干嘗試性的工作，現(xiàn)將主要的工作與結(jié)果總結(jié)如下：
　　 1.對(duì)無葉擴(kuò)壓器旋轉(zhuǎn)失速的起因進(jìn)行了新解釋，研究方法主要包括數(shù)值模擬以及數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。本文采用了二維數(shù)值模擬方法對(duì)無葉擴(kuò)壓器從核心區(qū)流動(dòng)失穩(wěn)的角度進(jìn)行了研究，計(jì)算中需要

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

4、關(guān)無葉擴(kuò)壓器旋轉(zhuǎn)失速研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)在b3/D2≈0.05附近，無葉擴(kuò)壓器幾何參數(shù)對(duì)失速特性的影響差異較大，這也就驗(yàn)證了上一章提出的不同寬度擴(kuò)壓器可能存在不同失速機(jī)理的假設(shè)；另外有關(guān)無葉擴(kuò)壓器失速特征的實(shí)驗(yàn)研究中在擴(kuò)壓器后均不存在后續(xù)部件蝸殼，因此作者認(rèn)為還需要分析蝸殼的影響，在意大利佛羅倫薩大學(xué)學(xué)者的幫助下，作者對(duì)新比隆公司的某多級(jí)壓縮級(jí)末級(jí)的失速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蝸殼的確對(duì)無葉擴(kuò)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(guān)，當(dāng)葉輪出口寬度較大時(shí)，失速臨界角預(yù)測(cè)可以不考慮下游蝸殼的影響；
　　 3.盡管上述兩部分對(duì)無葉擴(kuò)壓器的失速機(jī)理和影響因素進(jìn)行了分析，然而可能更需要關(guān)注的是如何擴(kuò)展給定的無葉擴(kuò)壓器的穩(wěn)定性范圍，即推遲失速臨界角。作者對(duì)日本橫濱國立大學(xué)所用的徑向開槽方法進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬，并分析了開槽對(duì)擴(kuò)壓器流場(chǎng)的影響，在這些分析的基礎(chǔ)上，建立了槽內(nèi)流動(dòng)的理論模型，并將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，隨后作者建立了開槽參數(shù)的選取準(zhǔn)則，從而

6、為實(shí)際工業(yè)提供指導(dǎo)，最后是法國南特中央理工學(xué)院利用該準(zhǔn)則進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該準(zhǔn)則的正確性；
　　 4.前述部分關(guān)注的是無葉擴(kuò)壓器的失速問題，而對(duì)于離心壓縮機(jī)中的離心風(fēng)機(jī)，由于葉輪出口的動(dòng)壓較小，同時(shí)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(kuò)壓器，因此此類風(fēng)機(jī)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(shí)驗(yàn)研究手段分析了蝸殼+5種葉輪組合在不同流量下壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)和動(dòng)態(tài)速度信號(hào)的變化，得到

7、了葉輪和蝸殼對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；此外還分析了葉輪內(nèi)部各個(gè)通道的流量以及蝸殼內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨流量的關(guān)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(duì)課題組研發(fā)的轉(zhuǎn)速為52000rpm的二級(jí)高速離心壓縮機(jī)的喘振特性進(jìn)行了研究，主要是采用復(fù)Morlet小波對(duì)不同位置采集到的壓力信號(hào)從時(shí)頻角度進(jìn)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(hào)采集

8、中采用了引壓管，為此還對(duì)引壓管的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。在喘振信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，作者還提出了基于標(biāo)準(zhǔn)差變換系數(shù)的喘振先兆預(yù)警方法，并將該方法應(yīng)用于本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及波蘭Lord理工大學(xué)的某離心鼓風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)果表明該方法可用于喘振預(yù)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(duì)喘振先兆的影響。
　　 本文上述五個(gè)方面分別從離心壓縮機(jī)的部件和系統(tǒng)的角度研究了壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速和喘振，研究