吹氣抑制離心風機旋轉失速的動力學特征(1)

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旋轉失速現象的合理控制對擴大葉輪機械安全運行范圍具有重要意義。基于離心石家莊風機失速發(fā)生機制的分析，提出了一種失速主動控制方法，即在靠近蝸舌的3個葉輪流道進口處進行噴嘴吹氣。基于節(jié)流閥模型，對實施噴嘴吹氣后離心石家莊風機內部的非定常流場進行了數值模擬。分析了4個閥門開度下，離心石家莊風機內部不同軸向截面的相對速度矢量圖、靜壓等值線分布和聲功率級云圖。結果表明，原始石家莊風機發(fā)生旋轉失速時流量為4．157 m3／s，噴嘴吹氣后失速發(fā)生時流量為3．461 m3／s，安全裕度增大11％，擴穩(wěn)效果明顯。提出的噴嘴吹氣失速控制方法對石家莊風機的安全運行具有重要的工程價值。
數值模擬0引言旋轉失速現象廣泛地存在于旋轉葉輪機械領域，如離心或軸流式石家莊風機、壓縮機、泵等，是長期困擾葉輪機械的研究、設計與應用的難題之一。旋轉失速發(fā)生后，會產生額外的氣動載荷和氣動噪聲，嚴重時可能誘發(fā)葉片高應力點處的疲勞和斷裂問題，且可能導致喘振，引起本體及連接管道的振動，造成事故隱患。因此，深入研究旋轉失速的控制方法，拓寬其穩(wěn)定工作范圍具有重要的理論意義和工程價值。失速控制主要分為被動控制與主動控制方法。失速被動控制技術，其核心思想是確保葉輪機械的工作點遠離失速線，避免旋轉失速的發(fā)生。應用比較廣泛的被動控制手段有機匣處理，在轉子葉尖區(qū)吹氣和放氣，加裝可調進口導葉等。主動控制技術的核心思想是根據反饋系統(tǒng)得到初始擾動信號的相位、大小等參數，人為附加上反向小幅值擾動，使葉輪機械能夠在原本不可能穩(wěn)定運行的工況點正常工作16。7J。Salunkhe提出了基于交叉相關性技術的主動反饋失速控制策略，并在一臺存在入口擾流情況下軸流壓氣機進行了驗證。
Anthony發(fā)展了一種基于對稱點模式技術的軸流石家莊風機失速先兆判定方法，其根據可視化的聲信號發(fā)展了旋轉失速警告系統(tǒng)。近年來，出現了一種結合主動與被動控制思想的復合控制技術，即葉尖噴氣技術。有別于被動吹氣技術的是，這種葉頂吹氣技術采用主動吹氣，如李繼超等基于前失速先兆捕捉的失穩(wěn)控制途徑，結合DsP控制器構建擴穩(wěn)控制方案，在低速軸流壓氣機上實施了葉頂噴氣擴穩(wěn)控制，結果顯示只有壓縮機主流O．05％的噴氣量，可以觸發(fā)系統(tǒng)的非定常響應，使失速點流量減小多達5．8％，與定常噴氣相比具有自適應的優(yōu)勢。童志劇對軸流壓縮機內葉尖泄漏渦、失速先兆、葉尖微噴氣的非定常關聯性進行了試驗研究。以上研究表明失速主動控制技術方面已經取得了大量的成果，但目前旋轉失速的控制研究主要集中于軸流式葉輪機械，由于結構的差異和機制的不同，對離心式葉輪機械的旋轉失速現象進行主動控制實施起來比較困難。作者前期的研究結果表明蝸舌對離心石家莊風機失速先兆的發(fā)生具有重要影響。本文提出了在靠近蝸舌的3個葉輪流道入口前設置噴嘴組，在失速先兆發(fā)生前向葉輪內部吹氣，研究不同閥門開度下，葉輪內部的流場動力學特征和噪聲特性，并分析噴嘴吹氣對石家莊風機的擴穩(wěn)效果。
1數值模擬方法
1．1 幾何模型以G洱一73No．8D型離心通石家莊風機為研究對象，其主要結構包括進風口、集流器、旋轉葉輪、矩形截面蝸殼和出風口。為了減小進出口邊界上不真實反射對石家莊風機內部流場計算結果的不良影響，根據實際情況在石家莊風機進出口分別加上2．6 m的管道。噴嘴布置在葉輪流道入口接近前盤區(qū)域，靠近蝸舌的3個流道內，噴嘴直徑為1 cm，如圖1所示。采用G跏出it軟件建立幾何模型，網格總數約300萬。為便于分析，本文之后提到的葉輪與蝸舌相對位置均與此圖對應。
1．2控制方程及邊界條件控制方程包括連續(xù)性方程、非穩(wěn)態(tài)雷諾時均Navier-‰kes方程，以及補充的適用于旋轉流動、流動分離、二次流等問題的Realizable知驥型。石家莊風機進口為壓力進口邊界條件，設定進口總壓，氣流方向角為軸向進氣；石家莊風機出口為壓力出口邊界條件，設定出口靜壓，定常計算給定具體靜壓值，非定常計算加上節(jié)流閥模型【11，采用UDF函數實現每一時間步的迭代。非定常計算的物理時間步長為1．725×1曠s。葉輪選用旋轉坐標系，轉速為1 450 r／Inin，采用滑移網格模型耦合旋轉和靜止區(qū)域。壁面附近采用加強壁面函數法，對流項和擴散項分別采用二階迎風差分和中心差分格式進行離散。