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车间通风降温非均匀栅距对压缩机叶片非定常气动力影响的三维数值
0引言
国内外对叶片非均匀栅距的研究比较少，而且大部分都集中在直升机旋翼及民用风机的降噪方面，如文献[1-3]分别对直升机主旋翼、风机采用非均匀叶距进行了研究，指出该结构具有降噪作用。到目前为止，针对轴流压缩机中采用非均匀栅距的研究比较少，文献[4-5]研究了压缩机采用非均匀栅距对性能和非定常气动力的影响进行了研究，采用了二维叶栅流场非定常数值模拟方法，结果表明：非均匀栅距导叶和静叶对气动性能方面的影响很小，但对动叶非定常气动力方面影响很大，具有降低非定常气动力的作用。文献[6]的研究表明：非均匀栅距结构可以降低非定常的气动噪声。文献[7]开展了进一步的研究，证明利用不同非均匀栅距分布结构的导叶和静叶的时序效应可以较大幅度地改变动叶气动力的分布规律。由于实际应用中流场是空间全三维的，而现有文献的研究主要限于二维的研究结果，这种影响在三维中如何表现以及是否具有其特殊性，都是工程实际中迫切需要解决的问题。所以，为了研究非均匀栅距结构对三维叶栅流动特征的影响规律，本文展开了轴流压缩机采用非均匀栅距叶片排的三维非定常流动的初步数值模拟研究。
2 数值模拟方法及算例
本文计算采用刘前智老师编写的程序[7]，计算方法为利用有限差分方法求解全三维雷诺平均非定常N-S方程，时间推进采用了LU-SGS隐式方法[8]，对流项采用二阶高分辨率NND格式[9]。方程中的粘性项采用中心差分格式离散，紊流模型采用B-L代数模型。为了节省计算时间，非定常流动计算利用了双时间步法[10]，虚拟时间步的计算采用LU-SGS隐式方法，利用双时间步法和LU-SGS隐式格式耦合的解法提高非定常流计算的效率[11]。
在定常流场计算收敛结果的基础上，进行非定常流场的计算。当非定常计算达到6个周期时，得到的周期性误差满足不同周期同相位处误差不大于1%。
本文研究对象为某多级压缩机第一级，包括进口导流叶排、转动叶片排和静子叶片排，叶片数目分别为46、46、69。为了尽可能准确地反映动、静叶排之间的相互影响，同时考虑到非定常流场计算的工作量比较大，通过对压缩机各叶排的叶片数目近似约化处理，计算时选取的导流叶片排、转动叶片排和静子叶片排的通道比为2:2:3。数值模拟都是在设计点状态下，采用的新型“时序效应”结构分别为以下6种，参照图1说明如下：
图1三排叶栅变化栅距示意图
对动、静叶均采用分区的Ｈ型网格，转子网格随着转子一起转动，静子网格固定在静子上，动静叶排间交界面重叠一列网格，图2为计算网格在叶片中径处的局部示意图。
3计算结果及分析
三维非定常计算得到各结构在设计点下的效率和压比，见表1。
表1各结构设计点处效率和压比
结构
A
B
C
D
E
F
效率
0.8449
0.8433
0.8444
0.8445
0.8435
0.8427
压比
1.4806
1.4786
1.4759
1.4774
1.4752
1.4738
从表１可以看出，非均匀栅距结构和均匀栅距结构在效率和压比上变化量比较小，可以近似认为这种结构的改变对压缩机的气动性能没有影响。
研究导叶排栅距分布对动叶非定常气动力方面是否有影响，对A、B、C3种结构进行数值模拟，得到第6个周期的动叶非定常气动力波动曲线，见图3。
从图３可以看出，曲线的前半周期和后半周期明显不同，前面变化比较平缓，近似出现一个平台，后面明显具有正余函数形状，并且两个波峰大小不一致。观察图3可以发现，随着导叶排通道宽度分布的改变，前半周期曲线形状也明显发生变化，这说明，改变导叶的栅距分布结构将直接影响其后动叶的非定常气动力变化规律。
图3中３条曲线的波形比较相似，都是由两个波组成，这与导叶排通道数目刚好相同，说明导叶与动叶的相互干涉是造成动叶叶片表面气动力的周期性非定常变化的主要原因。B、C结构曲线都低于A结构曲线，说明导叶非均匀结构可以降低非定常气动力。A、B结构波形都是第一个波峰小于第二个波峰，然而C结构相反，并且两个波峰大小变化相对明显，这表明第二个波峰对导叶栅距分布结构的改变比较敏感。相同结构下不同变化量对应的非定常气动力曲线波形也不同，那么在这种结构下就有可能存在一个最佳变化使得非定常气动力最小。
为了研究静叶排非均匀结构对动叶非定常气动力的影响，同时也为了进一步说明导叶与动叶相互干涉在动叶表面气动力变化中起主导作用，对结构D进行了数值模拟，其第六个周期动叶非定常气动力波动曲线见图4。
从图4中可以看到，D结构曲线在均匀结构A曲线下方，幅值和均值都有一定的减少，这表明静叶排周向间距分布规律的改变也具有降低动叶非定常气动力的作用。通过与B、C结构曲线的对比，可以发现，在相同的变化量下，导叶排非均匀结构引起的动叶非定常力变化量明显大于静叶排非均匀结构所引起的变化，这进一步印证了导、动叶干涉对动叶表面气动力起主导作用。
既然导、静叶周向距离的改变都能降低动叶非定常力，那么两者的结合是否能够使这种变化更大。于是对E、F两种结构进行了数值模拟计算，得到第六个周期动叶非定常力气动力波动曲线见图5所示。从图中可以看出E、F结构曲线无论在幅值还是均值方面都比前面任何结构都小，而且动叶非定常力变化也平缓。比较所研究的所有结构，以F结构的效果最好，E结构次之。
叶片非定常气动力是一个脉动量，为了方便对比，通过频谱分析得到各频率下的幅值，对不同栅距结构在设计点状态下的动叶非定常气动力进行对比分析。
图6a～图６f分别对应于设计点状态下6种结构频谱分析结果。频谱图上都显示出明显的离散频谱特性。为了方便数值模拟采用了叶片数的约化，计算中选取导叶排、动叶排、静叶排通道数目比为2:2:3，因而在频谱图中1/2基频以及基频和其倍频处出现幅值。从图6a中可以看出，最大峰值出现在频率约为50Khz处，其值正好为动叶转速和导叶数目的乘积，这再次说明压缩机中动、静叶排相互干涉是造成动叶非定常气动力变化的主要因素。图6还说明，通过改变导叶排和静叶排周向方向的距离分布，就能改变动叶气动力波动曲线的波形，进而改变各频率下的气动力峰值大小。在各结构中，A结构基频处峰值最大，F结构基频处峰值最小，但是基频以外的频率处峰值有所增加，这表明采用非均匀栅距结构降低基频处峰值的原理就是将基频处气动力分散到其它几个频率处。&nbs
选用变转速控制是电动机驱动循环氢离心压缩机组节能的最佳选择
卢 鹏 飞
摘要:首先介绍循环氢压缩机在炼油厂各种临氢化学反应工艺中的典型数据以及在改建、增建和扩建工程中采用电动机作为驱动机能提高机组的可靠性和可用性。其次，讨论循环氢压缩机的操作特点以及变转速控制节能的优越性。最后，探讨两种不同驱动方案的比较和选用情况。
关键词： 变速行星齿轮 变频驱动 循环氢压缩机 环保
1引言
随着环境保护要求日趋严格，世界范围内对汽柴油产品质量要求不断提高。对于车用汽油来说，其质量正朝着高辛烷值、低硫、低稀烃和低苯的方向发展。这样一来就促进我国催化重整、加氢裂化和加氢精制等装置建设的快速进步和发展，这些装置是新世纪中国炼油工业重点发展的加工工艺。
在多数情况下，如果临氢化学反应工艺采取氢气一次通过的单程反应形式，就会影响装置的经济性，因此必须对含氢气体进行再循环，反复使用。富氢循环离心压缩机是石油炼厂催化重整、加氢裂化和加氢精制等装置中昂贵的心脏设备，它通常长周期无备机运行，压缩机的可靠性和可用性的要求是极高的。富氢循环压缩机介质的组成和压力等级因装置而异，流量也随着装置规模及原料性质而不同，其典型数据列于表 1 。
表 1 石油炼厂和石化厂用富氢循环离心压缩机的典型数据
工艺装置
气体种类
混合气体分子量
入口压力 MPa（绝）
出口压力 MPa（绝）
重整（连续再生式）
H2 +HC
5.8
0.35
0.68
重整 （半再生式）
H2 +HC
7.7
1.18
1.86
加氢裂化
H2 +HC
5.4
16.54
19.19
加氢精制
H2 +HC
7.9
7.01
8.75
歧化
H2 +HC
6.7
3.20
3.83
异构化
H2 +HC
7.2
0.97
1.22
烷基化
H2 +HC
3.4
0.21
0.31
注：表中系典型工艺流程数据，实际上每套装置因设计条件不同，其分子量、入口压力和出口压力均有差异。
在新建大型石油炼厂或石化厂时 , 工程设计公司考虑到全厂的蒸汽平衡，从节能的角度选用汽轮机作为大型压缩机的驱动机，这是无可非议的。但在扩建、增建或改建临氢化学反应的工艺装置时，很难对全厂蒸汽重新进行平衡，或者现有蒸汽负荷太大，不但没法增加反而希望减少。这时，人们往往会选用电动机作为循环氢压缩机的驱动机，另外也能提高机组的可靠性和可用性。
2 循环氢压缩机操作特点和变转速控制
在装置开工初期与生产末期的催化剂活性有变化，循环气组成也随之改变，响应的操作条件及循环气量也会有变化。另外还要考虑再生工况，此工况主要是用氮气操作，分子量为 30 左右，偏离正常工况甚远。因此，采用固定转速的机组不容易满足多工况操作的要求。电动机驱动循环氢离心压缩机实现变转速操作是势在必行。变转速控制的节能等优越性在本节中另行专门介绍。
2.1 循环氢压缩机在典型工艺流程中的位置
循环氢压缩机是在一个闭路循环中将气体（主要成分是氢）提高压头，通过换热器、加热炉、冷却器、分离器、反应器进行循环，并在反应器中进行临氢催化反应。循环氢压缩机在典型催化重整装置和典型加氢精制及加氢裂化装置中的位置分别见图 1和图 2 。
2.2 变转速控制的优越性
从节能的角度看，离心压缩机控制方式选择的优先顺序如下：（1）变转速控制；（2）入口导叶控制(静叶可调控制);（3）入口节流控制；（4）旁路控制。变转速控制实现无级机械变速，并可扩大稳定工况区，不引起附加损失，也不附加其它机构，对压缩机性能控制调节十分有利。
2.3 变转速控制和其它控制动力消耗的比较
图3的四条曲线为各种控制动力消耗的比较，在80% 流量时，变速控制的动力消耗比静叶可调控制约低8% ，比入口阀节流控制约低27% ，可见变转速控制的经济性最佳。
2.4 优越性
采用变转速控制的最主要理由是节能。图5是100% 转速和75% 转速的压缩机特性曲线和效率曲线的比较。从图中首先可看出压缩机转速调低 25% ，而其效率基本不变。这种控制的调节范围非常宽，在低流量操作时不会造成入口节流阀门的磨损。通过变转速控制，可能有效地保护压缩机并防止其进入不稳定的操作范围，譬如像喘振限。如果考虑到会出现各种各样的操作工况（例如：压力变化、分子量变化、冲洗、流量调节），变转速控制和其它可能的控制相组合，通常会提供最好的解决办法。变转速控制对工艺过程的起动和停车也是极有价值的，举例来说，使压缩机快速越过临界转速。最后必须提及灵活性，如果对工程或过程的参数并不知道、无法测量或在操作时要等到以后才能估计到的变化，那么，采用变转速控制进行最终的和确切的调整是可能的。
3 两种电动机变速驱动装置的比较电动机驱动增压压缩机的变速调速方案有两种：一种是变频调速（VFD），纯电力的（非高速电动机需加齿轮箱增速）；另一种是变速行星齿轮（VORECON），纯机械的。
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