鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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車間通風降溫非均勻柵距對壓縮機葉片非定常氣動力影響的三維數(shù)值
0引言
國內(nèi)外對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旋翼及民用風機的降噪方面，如文獻[1-3]分別對直升機主旋翼、風機采用非均勻葉距進行了研究，指出該結(jié)構(gòu)具有降噪作用。到目前為止，針對軸流壓縮機中采用非均勻柵距的研究比較少，文獻[4-5]研究了壓縮機采用非均勻柵距對性能和非定常氣動力的影響進行了研究，采用了二維葉柵流場非定常數(shù)值模擬方法，結(jié)果表明：非均勻柵距導葉和靜葉對氣動性能方面的影響很小，但對動葉非定常氣動力方面影響很大，具有降低非定常氣動力的作用。文獻[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噪聲。文獻[7]開展了進一步的研究，證明利用不同非均勻柵距分布結(jié)構(gòu)的導葉和靜葉的時序效應可以較大幅度地改變動葉氣動力的分布規(guī)律。由于實際應用中流場是空間全三維的，而現(xiàn)有文獻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)對三維葉柵流動特征的影響規(guī)律，本文展開了軸流壓縮機采用非均勻柵距葉片排的三維非定常流動的初步數(shù)值模擬研究。
2 數(shù)值模擬方法及算例
本文計算采用劉前智老師編寫的程序[7]，計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，時間推進采用了LU-SGS隱式方法[8]，對流項采用二階高分辨率NND格式[9]。方程中的粘性項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)省計算時間，非定常流動計算利用了雙時間步法[10]，虛擬時間步的計算采用LU-SGS隱式方法，利用雙時間步法和LU-SGS隱式格式耦合的解法提高非定常流計算的效率[11]。
在定常流場計算收斂結(jié)果的基礎上，進行非定常流場的計算。當非定常計算達到6個周期時，得到的周期性誤差滿足不同周期同相位處誤差不大于1%。
本文研究對象為某多級壓縮機第一級，包括進口導流葉排、轉(zhuǎn)動葉片排和靜子葉片排，葉片數(shù)目分別為46、46、69。為了盡可能準確地反映動、靜葉排之間的相互影響，同時考慮到非定常流場計算的工作量比較大，通過對壓縮機各葉排的葉片數(shù)目近似約化處理，計算時選取的導流葉片排、轉(zhuǎn)動葉片排和靜子葉片排的通道比為2:2:3。數(shù)值模擬都是在設計點狀態(tài)下，采用的新型“時序效應”結(jié)構(gòu)分別為以下6種，參照圖1說明如下：
圖1三排葉柵變化柵距示意圖
對動、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，靜子網(wǎng)格固定在靜子上，動靜葉排間交界面重疊一列網(wǎng)格，圖2為計算網(wǎng)格在葉片中徑處的局部示意圖。
3計算結(jié)果及分析
三維非定常計算得到各結(jié)構(gòu)在設計點下的效率和壓比，見表1。
表1各結(jié)構(gòu)設計點處效率和壓比
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，可以近似認為這種結(jié)構(gòu)的改變對壓縮機的氣動性能沒有影響。
研究導葉排柵距分布對動葉非定常氣動力方面是否有影響，對A、B、C3種結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，得到第6個周期的動葉非定常氣動力波動曲線，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)一個平臺，后面明顯具有正余函數(shù)形狀，并且兩個波峰大小不一致。觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著導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，改變導葉的柵距分布結(jié)構(gòu)將直接影響其后動葉的非定常氣動力變化規(guī)律。
圖3中３條曲線的波形比較相似，都是由兩個波組成，這與導葉排通道數(shù)目剛好相同，說明導葉與動葉的相互干涉是造成動葉葉片表面氣動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，說明導葉非均勻結(jié)構(gòu)可以降低非定常氣動力。A、B結(jié)構(gòu)波形都是第一個波峰小于第二個波峰，然而C結(jié)構(gòu)相反，并且兩個波峰大小變化相對明顯，這表明第二個波峰對導葉柵距分布結(jié)構(gòu)的改變比較敏感。相同結(jié)構(gòu)下不同變化量對應的非定常氣動力曲線波形也不同，那么在這種結(jié)構(gòu)下就有可能存在一個最佳變化使得非定常氣動力最小。
為了研究靜葉排非均勻結(jié)構(gòu)對動葉非定常氣動力的影響，同時也為了進一步說明導葉與動葉相互干涉在動葉表面氣動力變化中起主導作用，對結(jié)構(gòu)D進行了數(shù)值模擬，其第六個周期動葉非定常氣動力波動曲線見圖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葉非定常氣動力的作用。通過與B、C結(jié)構(gòu)曲線的對比，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的變化量下，導葉排非均勻結(jié)構(gòu)引起的動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，這進一步印證了導、動葉干涉對動葉表面氣動力起主導作用。
既然導、靜葉周向距離的改變都能降低動葉非定常力，那么兩者的結(jié)合是否能夠使這種變化更大。于是對E、F兩種結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬計算，得到第六個周期動葉非定常力氣動力波動曲線見圖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。
葉片非定常氣動力是一個脈動量，為了方便對比，通過頻譜分析得到各頻率下的幅值，對不同柵距結(jié)構(gòu)在設計點狀態(tài)下的動葉非定常氣動力進行對比分析。
圖6a～圖６f分別對應于設計點狀態(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，計算中選取導葉排、動葉排、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，其值正好為動葉轉(zhuǎn)速和導葉數(shù)目的乘積，這再次說明壓縮機中動、靜葉排相互干涉是造成動葉非定常氣動力變化的主要因素。圖6還說明，通過改變導葉排和靜葉排周向方向的距離分布，就能改變動葉氣動力波動曲線的波形，進而改變各頻率下的氣動力峰值大小。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力分散到其它幾個頻率處。&nbs
選用變轉(zhuǎn)速控制是電動機驅(qū)動循環(huán)氫離心壓縮機組節(jié)能的最佳選擇
盧 鵬 飛
摘要:首先介紹循環(huán)氫壓縮機在煉油廠各種臨氫化學反應工藝中的典型數(shù)據(jù)以及在改建、增建和擴建工程中采用電動機作為驅(qū)動機能提高機組的可靠性和可用性。其次，討論循環(huán)氫壓縮機的操作特點以及變轉(zhuǎn)速控制節(jié)能的優(yōu)越性。最后，探討兩種不同驅(qū)動方案的比較和選用情況。
關鍵詞： 變速行星齒輪 變頻驅(qū)動 循環(huán)氫壓縮機 環(huán)保
1引言
隨著環(huán)境保護要求日趨嚴格，世界范圍內(nèi)對汽柴油產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高。對于車用汽油來說，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。這樣一來就促進我國催化重整、加氫裂化和加氫精制等裝置建設的快速進步和發(fā)展，這些裝置是新世紀中國煉油工業(yè)重點發(fā)展的加工工藝。
在多數(shù)情況下，如果臨氫化學反應工藝采取氫氣一次通過的單程反應形式，就會影響裝置的經(jīng)濟性，因此必須對含氫氣體進行再循環(huán)，反復使用。富氫循環(huán)離心壓縮機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備，它通常長周期無備機運行，壓縮機的可靠性和可用性的要求是極高的。富氫循環(huán)壓縮機介質(zhì)的組成和壓力等級因裝置而異，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)，實際上每套裝置因設計條件不同，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 , 工程設計公司考慮到全廠的蒸汽平衡，從節(jié)能的角度選用汽輪機作為大型壓縮機的驅(qū)動機，這是無可非議的。但在擴建、增建或改建臨氫化學反應的工藝裝置時，很難對全廠蒸汽重新進行平衡，或者現(xiàn)有蒸汽負荷太大，不但沒法增加反而希望減少。這時，人們往往會選用電動機作為循環(huán)氫壓縮機的驅(qū)動機，另外也能提高機組的可靠性和可用性。
2 循環(huán)氫壓縮機操作特點和變轉(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，響應的操作條件及循環(huán)氣量也會有變化。另外還要考慮再生工況，此工況主要是用氮氣操作，分子量為 30 左右，偏離正常工況甚遠。因此，采用固定轉(zhuǎn)速的機組不容易滿足多工況操作的要求。電動機驅(qū)動循環(huán)氫離心壓縮機實現(xiàn)變轉(zhuǎn)速操作是勢在必行。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)氫壓縮機在典型工藝流程中的位置
循環(huán)氫壓縮機是在一個閉路循環(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、反應器進行循環(huán)，并在反應器中進行臨氫催化反應。循環(huán)氫壓縮機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)速控制實現(xiàn)無級機械變速，并可擴大穩(wěn)定工況區(qū)，不引起附加損失，也不附加其它機構(gòu)，對壓縮機性能控制調(diào)節(jié)十分有利。
2.3 變轉(zhuǎn)速控制和其它控制動力消耗的比較
圖3的四條曲線為各種控制動力消耗的比較，在80% 流量時，變速控制的動力消耗比靜葉可調(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)速的壓縮機特性曲線和效率曲線的比較。從圖中首先可看出壓縮機轉(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，在低流量操作時不會造成入口節(jié)流閥門的磨損。通過變轉(zhuǎn)速控制，可能有效地保護壓縮機并防止其進入不穩(wěn)定的操作范圍，譬如像喘振限。如果考慮到會出現(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，通常會提供最好的解決辦法。變轉(zhuǎn)速控制對工藝過程的起動和停車也是極有價值的，舉例來說，使壓縮機快速越過臨界轉(zhuǎn)速。最后必須提及靈活性，如果對工程或過程的參數(shù)并不知道、無法測量或在操作時要等到以后才能估計到的變化，那么，采用變轉(zhuǎn)速控制進行最終的和確切的調(diào)整是可能的。
3 兩種電動機變速驅(qū)動裝置的比較電動機驅(qū)動增壓壓縮機的變速調(diào)速方案有兩種：一種是變頻調(diào)速（VFD），純電力的（非高速電動機需加齒輪箱增速）；另一種是變速行星齒輪（VORECON），純機械的。
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