摘要：對(duì)非均勻柵距葉片排的軸流壓縮機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，著重探討了動(dòng)靜相干對(duì)壓縮機(jī)動(dòng)葉表面非定常氣動(dòng)力的影響。結(jié)果表明：不同非均勻柵柜分布結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成的新型“時(shí)序效應(yīng)”有助于降低動(dòng)葉所受到的非定常激振力。此外，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，非均勻柵距結(jié)構(gòu)將動(dòng)葉在單一頻率下的較大激振力分散到幾個(gè)頻率處，從而降低了單一頻率下的激振力。
0引言
　　國(guó)內(nèi)外對(duì)葉片非均勻柵距的研究比較少，而且大部分都集中在直升機(jī)旋翼及民用風(fēng)機(jī)的降噪方面，如文獻(xiàn)[1-3]分別對(duì)直升機(jī)主旋翼、風(fēng)機(jī)采用非均勻葉距進(jìn)行了研究，指出該結(jié)構(gòu)具有降噪作用。到目前為止，針對(duì)軸流壓縮機(jī)中采用非均勻柵距的研究比較少，文獻(xiàn)[4-5]研究了壓縮機(jī)采用非均勻柵距對(duì)性能和非定常氣動(dòng)力的影響進(jìn)行了研究，采用了二維葉柵流場(chǎng)非定常數(shù)值模擬方法，結(jié)果表明：非均勻柵距導(dǎo)葉和靜葉對(duì)氣動(dòng)性能方面的影響很小，但對(duì)動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力方面影響很大，具有降低非定常氣動(dòng)力的作用。文獻(xiàn)[6]的研究表明：非均勻柵距結(jié)構(gòu)可以降低非定常的氣動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[7]開展了進(jìn)一步的研究，證明利用不同非均勻柵距分布結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉和靜葉的時(shí)序效應(yīng)可以較大幅度地改變動(dòng)葉氣動(dòng)力的分布規(guī)律。由于實(shí)際應(yīng)用中流場(chǎng)是空間全三維的，而現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究主要限于二維的研究結(jié)果，這種影響在三維中如何表現(xiàn)以及是否具有其特殊性，都是工程實(shí)際中迫切需要解決的問題。所以，為了研究非均勻柵距結(jié)構(gòu)對(duì)三維葉柵流動(dòng)特征的影響規(guī)律，本文展開了軸流壓縮機(jī)采用非均勻柵距葉片排的三維非定常流動(dòng)的初步數(shù)值模擬研究。
2　數(shù)值模擬方法及算例
　　本文計(jì)算采用劉前智老師編寫的程序[7]，計(jì)算方法為利用有限差分方法求解全三維雷諾平均非定常N-S方程，時(shí)間推進(jìn)采用了LU-SGS隱式方法[8]，對(duì)流項(xiàng)采用二階高分辨率NND格式[9]。方程中的粘性項(xiàng)采用中心差分格式離散，紊流模型采用B-L代數(shù)模型。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，非定常流動(dòng)計(jì)算利用了雙時(shí)間步法[10]，虛擬時(shí)間步的計(jì)算采用LU-SGS隱式方法，利用雙時(shí)間步法和LU-SGS隱式格式耦合的解法提高非定常流計(jì)算的效率[11]。
　　在定常流場(chǎng)計(jì)算收斂結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行非定常流場(chǎng)的計(jì)算。當(dāng)非定常計(jì)算達(dá)到6個(gè)周期時(shí)，得到的周期性誤差滿足不同周期同相位處誤差不大于1%。
　　本文研究對(duì)象為某多級(jí)壓縮機(jī)第一級(jí)，包括進(jìn)口導(dǎo)流葉排、轉(zhuǎn)動(dòng)葉片排和靜子葉片排，葉片數(shù)目分別為46、46、69。為了盡可能準(zhǔn)確地反映動(dòng)、靜葉排之間的相互影響，同時(shí)考慮到非定常流場(chǎng)計(jì)算的工作量比較大，通過對(duì)壓縮機(jī)各葉排的葉片數(shù)目近似約化處理，計(jì)算時(shí)選取的導(dǎo)流葉片排、轉(zhuǎn)動(dòng)葉片排和靜子葉片排的通道比為2:2:3。數(shù)值模擬都是在設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下，采用的新型“時(shí)序效應(yīng)”結(jié)構(gòu)分別為以下6種，參照?qǐng)D1說明如下：


圖1三排葉柵變化柵距示意圖

　　對(duì)動(dòng)、靜葉均采用分區(qū)的Ｈ型網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子網(wǎng)格隨著轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜子網(wǎng)格固定在靜子上，動(dòng)靜葉排間交界面重疊一列網(wǎng)格，圖2為計(jì)算網(wǎng)格在葉片中徑處的局部示意圖。


3計(jì)算結(jié)果及分析
三維非定常計(jì)算得到各結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)點(diǎn)下的效率和壓比，見表1。
表1各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)點(diǎn)處效率和壓比

結(jié)構(gòu)

A

B

C

D

E

F

效率

0.8449

0.8433

0.8444

0.8445

0.8435

0.8427

壓比

1.4806

1.4786

1.4759

1.4774

1.4752

1.4738

　　從表１可以看出，非均勻柵距結(jié)構(gòu)和均勻柵距結(jié)構(gòu)在效率和壓比上變化量比較小，可以近似認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)的改變對(duì)壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能沒有影響。
　　研究導(dǎo)葉排柵距分布對(duì)動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力方面是否有影響，對(duì)A、B、C3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到第6個(gè)周期的動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力波動(dòng)曲線，見圖3。

　　從圖３可以看出，曲線的前半周期和后半周期明顯不同，前面變化比較平緩，近似出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，后面明顯具有正余函數(shù)形狀，并且兩個(gè)波峰大小不一致。觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)葉排通道寬度分布的改變，前半周期曲線形狀也明顯發(fā)生變化，這說明，改變導(dǎo)葉的柵距分布結(jié)構(gòu)將直接影響其后動(dòng)葉的非定常氣動(dòng)力變化規(guī)律。
　　圖3中３條曲線的波形比較相似，都是由兩個(gè)波組成，這與導(dǎo)葉排通道數(shù)目剛好相同，說明導(dǎo)葉與動(dòng)葉的相互干涉是造成動(dòng)葉葉片表面氣動(dòng)力的周期性非定常變化的主要原因。B、C結(jié)構(gòu)曲線都低于A結(jié)構(gòu)曲線，說明導(dǎo)葉非均勻結(jié)構(gòu)可以降低非定常氣動(dòng)力。A、B結(jié)構(gòu)波形都是第一個(gè)波峰小于第二個(gè)波峰，然而C結(jié)構(gòu)相反，并且兩個(gè)波峰大小變化相對(duì)明顯，這表明第二個(gè)波峰對(duì)導(dǎo)葉柵距分布結(jié)構(gòu)的改變比較敏感。相同結(jié)構(gòu)下不同變化量對(duì)應(yīng)的非定常氣動(dòng)力曲線波形也不同，那么在這種結(jié)構(gòu)下就有可能存在一個(gè)最佳變化使得非定常氣動(dòng)力最小。
　　為了研究靜葉排非均勻結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力的影響，同時(shí)也為了進(jìn)一步說明導(dǎo)葉與動(dòng)葉相互干涉在動(dòng)葉表面氣動(dòng)力變化中起主導(dǎo)作用，對(duì)結(jié)構(gòu)D進(jìn)行了數(shù)值模擬，其第六個(gè)周期動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力波動(dòng)曲線見圖4。


　　從圖4中可以看到，D結(jié)構(gòu)曲線在均勻結(jié)構(gòu)A曲線下方，幅值和均值都有一定的減少，這表明靜葉排周向間距分布規(guī)律的改變也具有降低動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力的作用。通過與B、C結(jié)構(gòu)曲線的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的變化量下，導(dǎo)葉排非均勻結(jié)構(gòu)引起的動(dòng)葉非定常力變化量明顯大于靜葉排非均勻結(jié)構(gòu)所引起的變化，這進(jìn)一步印證了導(dǎo)、動(dòng)葉干涉對(duì)動(dòng)葉表面氣動(dòng)力起主導(dǎo)作用。
　　既然導(dǎo)、靜葉周向距離的改變都能降低動(dòng)葉非定常力，那么兩者的結(jié)合是否能夠使這種變化更大。于是對(duì)E、F兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到第六個(gè)周期動(dòng)葉非定常力氣動(dòng)力波動(dòng)曲線見圖5所示。從圖中可以看出E、F結(jié)構(gòu)曲線無論在幅值還是均值方面都比前面任何結(jié)構(gòu)都小，而且動(dòng)葉非定常力變化也平緩。比較所研究的所有結(jié)構(gòu)，以F結(jié)構(gòu)的效果最好，E結(jié)構(gòu)次之。


　　葉片非定常氣動(dòng)力是一個(gè)脈動(dòng)量，為了方便對(duì)比，通過頻譜分析得到各頻率下的幅值，對(duì)不同柵距結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下的動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力進(jìn)行對(duì)比分析。

　　圖6a～圖６f分別對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下6種結(jié)構(gòu)頻譜分析結(jié)果。頻譜圖上都顯示出明顯的離散頻譜特性。為了方便數(shù)值模擬采用了葉片數(shù)的約化，計(jì)算中選取導(dǎo)葉排、動(dòng)葉排、靜葉排通道數(shù)目比為2:2:3，因而在頻譜圖中1/2基頻以及基頻和其倍頻處出現(xiàn)幅值。從圖6a中可以看出，最大峰值出現(xiàn)在頻率約為50Khz處，其值正好為動(dòng)葉轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉數(shù)目的乘積，這再次說明壓縮機(jī)中動(dòng)、靜葉排相互干涉是造成動(dòng)葉非定常氣動(dòng)力變化的主要因素。圖6還說明，通過改變導(dǎo)葉排和靜葉排周向方向的距離分布，就能改變動(dòng)葉氣動(dòng)力波動(dòng)曲線的波形，進(jìn)而改變各頻率下的氣動(dòng)力峰值大小。在各結(jié)構(gòu)中，A結(jié)構(gòu)基頻處峰值最大，F(xiàn)結(jié)構(gòu)基頻處峰值最小，但是基頻以外的頻率處峰值有所增加，這表明采用非均勻柵距結(jié)構(gòu)降低基頻處峰值的原理就是將基頻處氣動(dòng)力分散到其它幾個(gè)頻率處。&nbs

選用變轉(zhuǎn)速控制是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)氫離心壓縮機(jī)組節(jié)能的最佳選擇

盧 鵬 飛

摘要:首先介紹循環(huán)氫壓縮機(jī)在煉油廠各種臨氫化學(xué)反應(yīng)工藝中的典型數(shù)據(jù)以及在改建、增建和擴(kuò)建工程中采用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)能提高機(jī)組的可靠性和可用性。其次，討論循環(huán)氫壓縮機(jī)的操作特點(diǎn)以及變轉(zhuǎn)速控制節(jié)能的優(yōu)越性。最后，探討兩種不同驅(qū)動(dòng)方案的比較和選用情況。
關(guān)鍵詞： 變速行星齒輪 變頻驅(qū)動(dòng) 循環(huán)氫壓縮機(jī) 環(huán)保

1引言

　　隨著環(huán)境保護(hù)要求日趨嚴(yán)格，世界范圍內(nèi)對(duì)汽柴油產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高。對(duì)于車用汽油來說，其質(zhì)量正朝著高辛烷值、低硫、低稀烴和低苯的方向發(fā)展。這樣一來就促進(jìn)我國(guó)催化重整、加氫裂化和加氫精制等裝置建設(shè)的快速進(jìn)步和發(fā)展，這些裝置是新世紀(jì)中國(guó)煉油工業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的加工工藝。

　　在多數(shù)情況下，如果臨氫化學(xué)反應(yīng)工藝采取氫氣一次通過的單程反應(yīng)形式，就會(huì)影響裝置的經(jīng)濟(jì)性，因此必須對(duì)含氫氣體進(jìn)行再循環(huán)，反復(fù)使用。富氫循環(huán)離心壓縮機(jī)是石油煉廠催化重整、加氫裂化和加氫精制等裝置中昂貴的心臟設(shè)備，它通常長(zhǎng)周期無備機(jī)運(yùn)行，壓縮機(jī)的可靠性和可用性的要求是極高的。富氫循環(huán)壓縮機(jī)介質(zhì)的組成和壓力等級(jí)因裝置而異，流量也隨著裝置規(guī)模及原料性質(zhì)而不同，其典型數(shù)據(jù)列于表 1 。

表 1 石油煉廠和石化廠用富氫循環(huán)離心壓縮機(jī)的典型數(shù)據(jù)

工藝裝置

氣體種類

混合氣體分子量

入口壓力 MPa（絕）

出口壓力 MPa（絕）

重整（連續(xù)再生式）

H2 +HC

5.8

0.35

0.68

重整 （半再生式）

H2 +HC

7.7

1.18

1.86

加氫裂化

H2 +HC

5.4

16.54

19.19

加氫精制

H2 +HC

7.9

7.01

8.75

歧化

H2 +HC

6.7

3.20

3.83

異構(gòu)化

H2 +HC

7.2

0.97

1.22

烷基化

H2 +HC

3.4

0.21

0.31

注：表中系典型工藝流程數(shù)據(jù)，實(shí)際上每套裝置因設(shè)計(jì)條件不同，其分子量、入口壓力和出口壓力均有差異。

　　在新建大型石油煉廠或石化廠時(shí) , 工程設(shè)計(jì)公司考慮到全廠的蒸汽平衡，從節(jié)能的角度選用汽輪機(jī)作為大型壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)，這是無可非議的。但在擴(kuò)建、增建或改建臨氫化學(xué)反應(yīng)的工藝裝置時(shí)，很難對(duì)全廠蒸汽重新進(jìn)行平衡，或者現(xiàn)有蒸汽負(fù)荷太大，不但沒法增加反而希望減少。這時(shí)，人們往往會(huì)選用電動(dòng)機(jī)作為循環(huán)氫壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)，另外也能提高機(jī)組的可靠性和可用性。

2 循環(huán)氫壓縮機(jī)操作特點(diǎn)和變轉(zhuǎn)速控制

　　在裝置開工初期與生產(chǎn)末期的催化劑活性有變化，循環(huán)氣組成也隨之改變，響應(yīng)的操作條件及循環(huán)氣量也會(huì)有變化。另外還要考慮再生工況，此工況主要是用氮?dú)獠僮鳎�分子量�?30 左右，偏離正常工況甚遠(yuǎn)。因此，采用固定轉(zhuǎn)速的機(jī)組不容易滿足多工況操作的要求。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)氫離心壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速操作是勢(shì)在必行。變轉(zhuǎn)速控制的節(jié)能等優(yōu)越性在本節(jié)中另行專門介紹。

2.1 循環(huán)氫壓縮機(jī)在典型工藝流程中的位置

　　循環(huán)氫壓縮機(jī)是在一個(gè)閉路循環(huán)中將氣體（主要成分是氫）提高壓頭，通過換熱器、加熱爐、冷卻器、分離器、反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)，并在反應(yīng)器中進(jìn)行臨氫催化反應(yīng)。循環(huán)氫壓縮機(jī)在典型催化重整裝置和典型加氫精制及加氫裂化裝置中的位置分別見圖 1和圖 2 。

2.2 變轉(zhuǎn)速控制的優(yōu)越性

　　從節(jié)能的角度看，離心壓縮機(jī)控制方式選擇的優(yōu)先順序如下：（1）變轉(zhuǎn)速控制；（2）入口導(dǎo)葉控制(靜葉可調(diào)控制);（3）入口節(jié)流控制；（4）旁路控制。變轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)無級(jí)機(jī)械變速，并可擴(kuò)大穩(wěn)定工況區(qū)，不引起附加損失，也不附加其它機(jī)構(gòu)，對(duì)壓縮機(jī)性能控制調(diào)節(jié)十分有利。

2.3 變轉(zhuǎn)速控制和其它控制動(dòng)力消耗的比較

　　圖3的四條曲線為各種控制動(dòng)力消耗的比較，在80% 流量時(shí)，變速控制的動(dòng)力消耗比靜葉可調(diào)控制約低8% ，比入口閥節(jié)流控制約低27% ，可見變轉(zhuǎn)速控制的經(jīng)濟(jì)性最佳。

2.4 優(yōu)越性

　　采用變轉(zhuǎn)速控制的最主要理由是節(jié)能。圖5是100% 轉(zhuǎn)速和75% 轉(zhuǎn)速的壓縮機(jī)特性曲線和效率曲線的比較。從圖中首先可看出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)低 25% ，而其效率基本不變。這種控制的調(diào)節(jié)范圍非常寬，在低流量操作時(shí)不會(huì)造成入口節(jié)流閥門的磨損。通過變轉(zhuǎn)速控制，可能有效地保護(hù)壓縮機(jī)并防止其進(jìn)入不穩(wěn)定的操作范圍，譬如像喘振限。如果考慮到會(huì)出現(xiàn)各種各樣的操作工況（例如：壓力變化、分子量變化、沖洗、流量調(diào)節(jié)），變轉(zhuǎn)速控制和其它可能的控制相組合，通常會(huì)提供最好的解決辦法。變轉(zhuǎn)速控制對(duì)工藝過程的起動(dòng)和停車也是極有價(jià)值的，舉例來說，使壓縮機(jī)快速越過臨界轉(zhuǎn)速。最后必須提及靈活性，如果對(duì)工程或過程的參數(shù)并不知道、無法測(cè)量或在操作時(shí)要等到以后才能估計(jì)到的變化，那么，采用變轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行最終的和確切的調(diào)整是可能的。

3 兩種電動(dòng)機(jī)變速驅(qū)動(dòng)裝置的比較

　　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)增壓壓縮機(jī)的變速調(diào)速方案有兩種：一種是變頻調(diào)速（VFD），純電力的（非高速電動(dòng)機(jī)需加齒輪箱增速）；另一種是變速行星齒輪（VORECON），純機(jī)械的。

車間通風(fēng)降溫
車間安裝負(fù)壓風(fēng)機(jī)
工廠降溫設(shè)備

鋒速達(dá)是水簾生產(chǎn)廠家|環(huán)保空調(diào)生產(chǎn)廠家|屋頂風(fēng)機(jī)廠家|，鋒速達(dá)承接規(guī)劃：豬場(chǎng)降溫|車間降溫|廠房降溫|豬場(chǎng)通風(fēng)|車間通風(fēng)|廠房通風(fēng)|屋頂排風(fēng)機(jī)|屋頂排熱|廠房通風(fēng)降溫|車間通風(fēng)降溫|通風(fēng)換氣排熱降溫工程|屋頂風(fēng)機(jī)安裝|負(fù)壓風(fēng)機(jī)安裝|水簾安裝|環(huán)�？照{(diào)安裝|通風(fēng)設(shè)備安裝|通風(fēng)降溫設(shè)備|通風(fēng)系統(tǒng)安裝案例|通風(fēng)降溫系統(tǒng)|屋頂通風(fēng)機(jī)|屋頂排風(fēng)系統(tǒng)
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