具有背压调节的离心压缩系统动态特性与流动扩稳机理研究

Rotating stall or surge is one of the typical problems for the turbo-compressors system. The internal flow is inherently complex in centrifugal compressor owing to the curved flow passage. Most of the casing treatment techniques can be only adapted to the axial flow part of the centrifugal impeller. Reduction of efficiency or pressure ratio always follows the improvement of the working range with the application of casing treatment. In fact, the centrifugal compressor system is typically nonlinear dynamic system within impeller, diffuser, ducts, outlet valve, etc. Based on the further study on the self-adaptive casing treatment in the centrifugal compressor system with the back pressure variation, three key points will be setup here. They are the rotating stall or surge model, the dynamic signal testing and processing system and the CFD model for outlet plenum. Then the dynamic characters of the centrifugal compressor system can be got, including the model of the stall inception, the impact of the inject flow or suction flow on the impeller and diffuser, and the mechanism of flow stability extension. With the application of self-adaptive casing treatment, the proper parameters will be optimized. The research on the project will be helpful to understand the dynamic character of the compressor system. Furthermore, the system stability analysis will provide the reliable foundation to avoid rating stall or surge.

失速、喘振等非稳定流动一直是叶片式压缩机内流研究中热点问题之一。对于离心压缩系统，由于其内部流道复杂，大多数机匣处理方法仍只能应用于叶轮流道轴流部分，在增大稳定工况范围的同时，却带来了效率和压比下降的问题。实际上，离心压缩系统包括叶轮、扩压器、管道、出口阀门等各个部件，是一个典型非线性的动态系统。本申请将在进一步分析离心压缩机自适应机匣处理方式的基础上，建立具有背压调节的流体压缩系统动态失速与喘振模型，建立采用动态测量的试验台与信号处理系统，建立基于背压调节规律的出口气腔模型的非定常数值计算模型，研究具有背压调节的离心压缩系统动态特性，包括失速先兆波的形态和参数分析、叶顶喷射流与抽吸流对叶轮与扩压器内部流动的作用以及扩稳的机理，并在此基础上建立自适应机匣的各关键结构参数选用规律，为掌握离心压缩系统的动态特性与稳定性分析以及扩稳设计提供依据。

旋转逆压湍流流动系统中的非稳定流动研究一直是内流流体机械学科关注的热点和重点问题。本项目针对具有背压调节的离心压缩系统建立了带有离心压缩机、进出口管道、出口阀门和气罐的模型。为了达到工艺要求的出口背压条件，以出口背压为边界条件，分别对不同系统中从设计工况到小流量工况，离心叶轮通道内部定常、非定常、单通道、多通道的流动稳定性进行了数值分析；并建立了多通道高速动态压力采集系统，通过动态测试数据与数值结果对比，发现在出口背压不断增加过程中，在叶轮通道中首先出现了压力降低信号，说明流动失稳首先出现在叶轮通道内部近叶顶位置。为了拓展离心压缩机稳定运行的工况范围，提出了可以根据压缩机流量自适应调整的孔式机匣处理方法，该方法通过叶顶位置周向射流引入，延缓了叶轮中流动失稳的发生，起到了拓展离心叶轮稳定运行工况范围的作用。进一步的，对于整个离心压缩系统，建立了背压作用下的转子转速变化模型，提出了逆流驱动转子反转机理，为深度喘振下系统流动参数的变化研究奠定了基础。通过本项目的研究，对高速离心压缩系统稳定性提高提出了有效的可供工程应用的设计和改进措施。