S-CO_(2)离心压缩机多参数优化与性能分析

为探索超临界二氧化碳(S-CO_(2))离心压缩机优化设计方法,以某S-CO_(2)离心压缩机为研究对象,通过数值模拟探究其气动特性规律,并进行流场分析,寻找需要优化的结构参数。首先对S-CO_(2)离心压缩机进行参数化建模,以等熵效率最大为优化目标,采用Kriging近似模型结合自适应模拟退火算法,对进口叶片安装角、出口叶片安装角、叶片包角、叶片前缘倾角以及叶顶间隙同时进行优化。优化结果表明:优化后的S-CO_(2)离心压缩机在设计工况下等熵效率和压比分别提升了2.39%和3.85%,且不同质量流量下压缩机的等熵效率和压比均得到了提高。

压缩空气储能系统用多级离心压缩机进口导叶调节策略研究

压缩空气储能系统在储能过程中,储气装置内部压力不断升高,这要求压缩机在较大压比范围内工作。高效变工况是压缩空气储能系统中压缩机的核心要求,为实现这个设计目标需要采取合适的调节方式及其调节策略。可调进口导叶结构简单,可在工作过程中运行,并可利用伺服装置实现自动化,是目前压缩空气储能系统中压缩机最适合的调节方法之一。本文以压缩空气储能系统中某4级离心压缩机为研究对象,建立了一种适用于多级离心压缩机变工况调节的性能预测方法,采用数值模拟得出单级离心压缩机性能曲线,并编写级性能叠加程序获得整机性能曲线。利用最小二乘法将多级离心压缩机性能数据拟合为多项式函数,采用遗传算法建立了以等熵效率为优化目标,进口导叶开度为优化变量,整机出口压力或者流量为约束条件的可调进口导叶调节策略程序。

结构参数对CO_(2)离心压缩机的性能影响分析

为研究各关键结构参数对CO_(2)离心压缩机性能的影响,针对某MW级压缩CO_(2)储能系统低压段中的一级进行了一维设计和三维数值模拟。基于该模型研究了叶片数、叶顶间隙、叶片出口安装角和叶轮出口相对宽度4种关键结构参数对压缩机性能的影响。研究结果表明:叶片出口安装角和叶顶间隙对离心压缩机性能的影响最大,其次是叶片数和叶轮出口相对宽度;增加叶片出口安装角度可显著提高压缩机的做功量及压比,但过大角度会使得流动损失增大而造成效率的降低;随着叶顶间隙的增大,泄漏流动会更加严重,从而影响压缩机的性能;减少叶片数量会减小叶片对流体的约束,更易产生流动分离;叶轮出口相对宽度与压缩机设计流量相关,过小的相对宽度会增大摩擦、泄漏等损失,进而影响压缩机性能及运行工况范围。

超临界二氧化碳离心压缩机气动设计与性能分析研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))Brayton循环具有效率高、结构紧凑等优点,在能源动力系统中有着良好的应用前景。离心压缩机作为该循环系统的重要部件,因其运行范围广、单级压比大、效率高等优点同样在能源、动力及化工行业得到广泛的应用。气动设计与性能分析是所有压缩机工作的基础,其包含一维气动设计与分析及全三维CFD(computational fluid dynamics)数值分析等关键部分。相对于传统离心压缩机,近临界点特殊的工质物性为SCO_(2)离心压缩机设计与分析带来了新的挑战。通过对近期相关文献的探讨,综述了SCO_(2)离心压缩机的设计方法以及相关学者的性能分析实验,着重介绍了一维设计方法和三维流动分析中的影响因素,并在综合分析后提出了关于SCO_(2)离心压缩机的设计和性能分析的研究重点。

自循环处理机匣对S-CO_(2)离心压缩机性能的影响

为研究某10 MW级超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))离心压缩机采用自循环处理机匣后其稳定工作裕度及压缩机性能的变化情况,采用数值模拟计算的方法对S-CO_(2)离心压缩机带实壁机匣和自循环处理机匣时分别进行定常数值计算。数值计算结果表明,采用自循环处理机匣时压缩机的稳定工作裕度比采用实壁机匣时稳定工作裕度增加了4%,同时压缩机的等熵效率和压比略微提高,且流道内非超临界区域明显减少。通过对压缩机性能和流场的比较,可得出采用自循环处理机匣,将压缩机喉部的低能流体回流至压缩机进口位置,改善了压缩机内部的流动状况,提高了压缩机的稳定性。

进口导叶对S-CO_(2)离心压缩机内部流动及性能的影响研究

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))布雷顿循环被认为是具有前景的动力循环之一,S-CO_(2)压缩机性能对循环热效率有很大影响。该文以带进口导叶的S-CO_(2)离心压缩机为研究对象,采用数值模拟方法探究预旋角度对S-CO_(2)离心压缩机内部流动和性能的影响。结果表明:预旋角绝对值的增大会加剧导叶吸力面侧的流动分离,导叶段总压损失与叶轮进口处流动不均匀程度也随之增大;随着正预旋角度增大,叶轮进口处相对气流角和相对速度减小,叶片吸力面侧膨胀加速和流动分离减弱;较大的正预旋角度会导致大流量工况下进口导叶段出现两相区流体。该文研究结果可为S-CO_(2)离心压缩机进口导叶调节提供一定参考。

离心压缩机半开式叶轮子午面模型气动优化与分析研究

为提高离心压缩机气动性能,以沈阳某压缩机企业研发的半开式叶轮为原型开展研究,确定子午面型线对叶轮气动性能的影响规律。采用Bézier曲线加载叶片角,实现叶轮几何建模参数化,进而完成对叶轮子午面的气动优化,在原有叶轮基础上进一步提升等熵效率与压缩比,实现叶轮气动性能的提升。研究结果表明,叶片角加载Bézier曲线靠近叶片尾缘的控制点对叶轮气动性能的作用更为显著,优化后叶轮压比、等熵效率同比显著提升,叶轮气动性能得到改善。

宽工况离心压缩机的气动设计及仿真优化

离心压缩机由于需要在不同的工况下运行,因此需要具有较广的工作范围和较高的工作效率。根据设计要求进行单级离心压缩机的一维气动设计,并结合商业软件完成三维建模,采用NUMECA软件进行了三维数值仿真得到了设计工况下的气动性能。通过改变压缩机叶片几何参数如叶片厚度、叶片数、前缘角和叶型,分析其对离心压缩机性能和流场的影响。数值计算结果表明:离心压缩机叶片在70%叶片厚度、15个叶片、前缘角半轴比为3和NACA6306叶型叶片时,整机在全工况下满足压比要求且等熵效率最高。结合内部流场分析发现,影响离心压缩机效率的主要因素是流场高熵区的变化,优化过的压缩机的叶片有更好的流场分布,能有效减小高熵区大小。

可调进口导叶离心压缩机叶轮性能快速预测理论研究

文章使用理论公式推导的方法,研究了带可调进口导叶时,对离心压缩机叶轮性能快速预测,得出了压比和体积流量换算公式,以及效率和体积流量换算公式。该方法可用于带有可调进口导叶离心压缩机变开度性能预测。

超临界二氧化碳离心压缩机气动设计及变工况性能预测

根据超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))的物性特点,调用美国国家标准技术研究所(national institute of standards and technology,NIST)发布的二氧化碳物性参数,开发了SCO_(2)离心压缩机一维设计及性能预测的程序。利用该程序完成了-10 MW SCO_(2)布雷顿循环发电系统中的分流压缩机气动设计以及不同转速下的性能预测,并结合数值计算与流场分析,结果表明:在设计转速下,一维预测结果与三维数值模拟所得的压气机性能结果在小流量区域变化趋势与数值大小吻合较好,但是在堵塞工况点附近两者存在一定的偏差。在其他转速下,一维预测结果与三维数值模拟所得的压气机性能结果吻合较好,表明该一维性能预测能较好预测SCO_(2)离心压缩机的变工况运行特性。

离心压缩机气体箔片轴承-转子系统设计与试验

氢燃料电池汽车离心空压机采用气体箔片轴承-转子系统,具有超高转速、清洁无油的运行等显著优势。然而,当前气体箔片轴承-转子系统的全面研发设计理论严重匮乏亟待解决。为此,提出了一种气体箔片轴承-转子系统的研发设计方案。基于经验公式和性能试验台,开展了氢燃料电池汽车离心空压机中气体箔片轴承-转子系统的设计与试验研究。结果表明:该设计方案可以有效保证空压机在全转速范围内的性能要求,其最大转速可达90000 r/min,最大压比和质量流量分别为3.53和0.156 kg/s。

基于简单回热循环的超临界二氧化碳离心压缩机

作为限制超临界二氧化碳发电技术发展瓶颈的关键因素,高效的循环结构形式和关键设备研究是目前亟待解决的重要课题。根据某型百千瓦级超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统设计要求,搭建循环模型与热力学计算;在热力循环设计结果基础上,开展匹配该机组用的超临界二氧化碳离心压缩机设计、三维计算和数值分析,得到超临界二氧化碳离心压缩机在不同转速下的压比-流量性能曲线。研究结果表明:超临界二氧化碳离心压缩机数值计算结果与设计要求较吻合,最小相对误差为0.003%,最大相对误差为4.056%;在叶轮尾缘处吸力面侧有小面积范围内的熵增变化,说明该区域存在流动损失,在叶轮前缘附近出现明显的低温和低压区域,特别是压力面侧,导致相变发生,对该型压缩机的长期稳定运行产生危害,需要进一步优化设计。

基于流线曲率法的超临界二氧化碳离心压缩机通流计算方法

超临界二氧化碳(S-CO_(2))的真实气体特性使得开展S-CO_(2)离心压缩机的三维数值模拟难以获得稳定的收敛结果,同时,数值计算的时间成本进一步增加了压缩机设计优化的难度。对此,本文首先对压缩机开展三维数值模拟,得到流场信息及对应的损失分布,然后在传统流线曲率法中叠加一维损失模型,并沿流线分段计算CO_(2)压缩因子,以此反映真实气体的压缩过程,建立适用于S-CO_(2)离心压缩机的通流计算方法。将通流计算结果与三维数值模拟结果进行对比后发现:流线曲率法得到的子午面相对速度场分布和焓分布与计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)结果基本一致;叶片出口温压数据与CFD结果接近,误差分别为0.23%和1.08%,总静等熵效率相差1.5%。结果表明,采用流线曲率法的通流计算可以快速获得较准确的S-CO_(2)离心压缩机叶轮性能参数。

回流器对多级离心压缩机性能影响的数值模拟研究

多级离心压缩机广泛应用于航空领域,提高其工作效率可有效降低系统能耗及运行成本,而回流器作为多级离心压缩机中的一个重要部件,对级效率有着高达6%~8%的影响。为了降低回流器的流动损失,采用三维数值模拟方法研究了回流器的叶片叶型与叶片数对两级离心压缩机性能的影响,计算得到回流器叶型、扩散因子与回流器的总压恢复系数的关系,分析回流器不同叶高处的内部三维流场。结果表明:回流器叶片采用NACA65-015型、回流器叶片数目为21片时,该两级高速离心压缩机在设计点的整体性能最优,其等熵效率为81.85%、压比为2.502,满足设计要求;同时在大流量工况下,整机的效率和压比随叶片数增多而提升。本研究能够为多级离心压缩机回流器的设计优化提供技术指导。

工业蒸汽透平与离心压缩机轴系装配研究

工业蒸汽透平驱动离心压缩机的机组在石油、石化行业有广泛应用,其是否可以持久、稳定地运转直接决定该石油石化装置的效益产出情况,机组的轴系找正精度又是其能否长期稳定运行的关键因素,若安装过程中存在较大误差,会造成安装工作返工,机组振动异常,推力轴承温度过高,支撑轴承温度过高等问题,直接影响机组运行。该文主要剖析该装置的轴系布置原理及安装找正方法,轴向找正利用两表法消除蒸汽透平与离心压缩机转子的轴向窜动,利用两轴同盘的方法消除打表盘端面跳动误差,径向利用单表法和两轴同盘消除打表盘外圆的跳动误差,以提升轴系装配精度。

工业离心压缩机数值模拟方法及湍流模型研究

为建立一套能够快速、准确预测工业离心压缩机基本级性能的数值模拟方法,针对某离心压缩机基本级试验装置开展了数值模拟方法的研究。探讨了数值模拟所采用的模型简化、网格型式、网格密度、边界条件、离散方法、湍流模型等,重点讨论了目前广泛使用的k-ε、RNG k-ε、k-ω、SST、SST-RM 5种湍流模型的特点和适用性。采用数值模拟方法对基本级试验装置在不同机器马赫数下的气动性能进行了预测,并与试验结果进行对比,发现数值模拟方法可以准确预测大部分工况,仅在近失速和近阻塞区与试验结果存在较大偏差。其中,采用SST-RM湍流模型的预测结果与试验结果最为吻合,这得益于其对流动分离的起始位置和分离区域的预测较其他湍流模型更为准确。研究结果对提高工业离心压缩机数值模拟精度有借鉴意义。

离心压缩机启动过程的动态分析

文章根据不同的工艺流程,从机组的工艺总成设计角度将炼化装置中常见的离心压缩机启动过程分为3类:1)在相对恒定的入口压力下启动;2)在相对恒定的出口背压下启动;3)在滞止压力下启动。通过搭建动态分析的数值模型,并结合调速启动和工频电机直接启动两种不同的启动方式,对典型的启动过程进行了分析和讨论,总结出离心压缩机启动过程的问题和设计要点,可为优化工艺设计和压缩机组选型提供参考。

离心压缩机窄流道叶轮焊接的引弧研究

叶轮是离心压缩机的核心部件,离心压缩机叶轮的高速运转对叶轮的焊接质量提出了较高要求,其制造质量和可靠性对机组的安全运行至关重要。窄流道叶轮焊接技术相比其他焊接技术工艺,需要更高的专业焊接技术水平,而引弧效果的好坏将直接影响后续焊接过程能否顺利进行。常规引弧操作方法有直击法和划擦法,但均会因叶轮流道狭窄而带来引弧困难的问题,容易污染焊缝导致缺陷产生,直接影响焊接质量。针对离心压缩机窄流道叶轮焊接引弧问题,介绍了叶轮焊接一种新的引弧方法。通过在工件外试引弧,焊条末端熔化呈熔滴的瞬间及焊条末端处于灼热烧红的状态,迅速将焊条伸向焊缝处或前一次焊接的收弧点进行高温下的热引弧,在达到快速引弧的同时又能够保证引弧位置精准。实践表明:该方法能够有效地提高引弧成功率和焊接质量。

基于小波变换的离心压缩机回流管线异常振动监测方法

为了避免回流管线振动信号的时频分辨率丢失,利用小波变换对离心压缩机回流管线振动信号进行预处理,并在其中引入了频率切片函数和尺度因子,利用其使原始的振动信号在时域和频域上以联合分布的形式存在,且信号切片函数随着原始信号的振动频率适应性调整.在异常振动监测阶段,充分考虑了旋涡进入回流管线时产生的激励作用,结合小波变换处理后的信号,实现对回流管线异常振动的监测.在测试结果中,离心压缩机回流管线的振动工频以及水平、垂直方向上的振动峰值监测结果均表现出了较高的准确性.

基于多岛遗传算法的离心压缩机叶轮结构优化研究

为保证离心压缩机的稳定运行,以水利工程离心压缩机使用的叶片钢叶轮为例,提出基于多岛遗传算法的离心压缩机叶轮结构优化方法.采用三阶Bezier曲线对叶轮叶片的进出口安放角以及叶片包角等参数进行设计;利用CFD软件构建叶轮的计算域以及模型,对叶轮结构模型进行相关条件假设和处理后,完成模型计算;定义重量最轻、扬程最大、水利效率最高为叶轮结构优化目标函数,结合等效应力、轴向变形约束条件,通过多岛遗传算法优化叶轮结构参数.试验结果满足叶轮结构优化的约束条件.