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离心压缩机可调进口导叶研究综述
谭佳健 毛义军 祁大同 /西安交通大学能源与动力工程学院
王 锐 王学军 / 沈阳鼓风机(集团)有限公司

摘要：综述了国内外对离心式压缩机可调进口导叶的研究状况，概括性地分类介绍了目前研究热点中取得的成绩和面临的问题，并对相关问题进行了探讨。
关键词：离心式压缩机 可调进口导叶 综述
中图分类号：TH452 文献标记码：A
文章编号：1006-8155（2023）03-0044-06
Research Overview on Adjustable Inlet Guide Vane for Centrifugal Compressor
Abstract: The domestic and oversea research state of inlet guide vane of centrifugal compressor is summarized, the development and problems in research are introduced briefly, and the relative problems are discussed.
Key words: Centrifugal compressor Adjustable inlet guide vane Overview
1 引言
大多数离心式压缩机在实际运营时都是在一定工况范围内工作，仅在一个工况点运营的情况较少。所以，除提高设计点的效率之外，提高离心式压缩机的调节性能也是节约能源的有效途径之一。
离心式压缩机常用的调节方法有进出口节流、可调进口导叶调节、可调叶片扩压器调节和变转速调节等。其中，可调进口导叶 (variable inlet guide vanes, 简称VIGV) 调节是通过改变叶轮进口导叶的安装角从而改变气流预旋的调节方法。与变转速调节相比，这种调节方式虽然效率较低，但在某些方面有自己的特色，如：系统结构相对比较简朴，可以在不断车的条件下进行调节，运用伺服机构还可实现自动化。因此，具有广阔的应用前景与研究价值。
可调进口导叶在20世纪50年代初就已经用于风机调节[1]，到80年代后期，国外对离心式压缩机可调进口导叶开始了比较全面的理论和实验研究，取得了较大的进步。而国内的研究普遍要晚于国外，总体水平与国外尚有一定差距。目前，国内外学者对离心式压缩机可调进口导叶的研究重要集中在可调进口导叶的调节性能、相关结构参数对导叶性能的影响、可调进口导叶与叶轮非定常相干作用、可调进口导叶的常见故障及解决等方面。
2 可调进口导叶的调节性能
通常，评价可调进口导叶性能的重要标准有两个：一是调节范围的大小；二是调节效率的高低。调节效率是指整个调节范围内或某一规定调节范围内的平均效率。
2.1 调节范围
西安交通大学空气动力实验室曾对一个离心式压缩机级进行了进气预旋实验，得出了预旋角分别为,,,,时的级性能曲线。实验表白，当正预旋增长时，下降，能量头曲线就向左下方移动；当负预旋增大时，增大，能量头曲线就向右上方移动，从而使稳定工况范围扩大[2]。Williams进行了压比为1.7的过程压缩机的实验，在的进口预旋角下，测得喘振线往小流量方向移动，压缩机的稳定工况范围扩大[3]。随后，Rodgers对压比为5的小型燃气透平压气机实验表白，在的进口预旋角下，喘振线同样往小流量方向移动，稳定工况范围也得到了扩大[4]。Yuji Iwakiri [5]对带可调进口导叶的小型离心式压缩机的性能进行了三维CFD研究，并且针对不同的可调进口导叶安装角，用实验验证了安装角分别为，，，，，时，喘振流量随可调进口导叶安装角的增大而减小，与无预旋流动相比最大可减小14%。

(a)叶顶附近的速度矢量
(b)叶根附近的速度矢量
图1
2.2 调节效率
抱负的可调进口导叶不仅仅需要有较宽的调节范围，还规定有较高的效率，即较低的损失。从其调节原理来看，它既有预旋效应，又有节流效应。当压缩机负荷变化不大即导叶安装角较小时，预旋效应占主导地位，假如导叶叶型设计较好，具有良好的气动性能，这样其产生的损失就较小。西安交通大学空气动力实验室的进气预旋实验还表白，在导叶安装角较小的调节范围内(～)，与无预旋相比，最高级效率值变化并不大，效率曲线的形状及平坦限度也相差无几，具有较高的调节效率。而当负荷变化大，即导叶安装角较大时，节流效应占主导地位，这时就同节流调节同样，调节效率就较低。此外，当导叶安装角较大时，在可调进口导叶的前缘会产生较大的冲击损失，且气流通过导叶产生预旋后，气流方向与叶轮叶片进口安装角不一致，也会产生冲击损失，导致效率减少。值得指出的是，采用可调进口导叶负预旋调节时，理论上可以提高离心式压缩机的压力和流量，但却能导致叶轮进口气流相对速度的马赫数增大，从而增大损失。因此，采用负预旋调节时，调节范围应有一定的限度[6，7]。
3 结构参数对可调进口导叶性能的影响
3.1 通道几何形状对性能的影响
3.1.1 柱状环形通道
Swain[8]使用Dawes CFD程序BTOB3D实现了对可调进口导叶柱状环形通道性能的数值研究，但其忽略了在不同导叶安装角下叶顶间隙的变化和内壁的影响，随后Coppinger和Swain使用CFX TASC-flow进行数值分析得到了比较准确的结果，指出可调进口导叶系统柱状环形通道的3个不利之处[9]。
（1）在导叶安装角较大时，进气通道中心存在一个明显的泄漏区域，这个区域将会导致产生轴向射流。
（2）在中档导叶安装角(～)时，叶顶处打开了一个间隙区域，这个间隙导致损失增大。
（3）在导叶安装角较大时，气流通过导流叶片时会出现很大的压降，而在叶顶相对其转轴是悬臂的，这将导致叶片承受较大的弯矩。
图1表达了柱状环形通道可调进口导叶在安装角为时的导叶叶顶和叶根附近的速度矢量图。
3.1.2 球状环形通道
为改善柱状环形通道的性能，Swain采用了球状环形通道来减少导叶叶顶、叶根附近的叶片间隙。从图2中通道几何形状的比较可以看出，运用球状环形通道内壁面配合叶顶和叶根为圆弧形状的导叶后，可以明显减少导叶叶顶、叶根附近的叶片间隙，并且对于任何导叶安装角时叶顶、叶根附近的叶片间隙都恒定不变。图3为球状环形通道可调进口导叶系统在叶片安装角为时叶顶和叶根附近的速度矢量图。Swain研究指出[8]，与柱状环形通道设计相比，这种新型

(a) 柱状环形通道 (b)球状环形通道
图2 柱状和球状环形VIGV通道截面的比较

叶片和通道可使气流通过VIGV系统时的总压损失明显减少。
3.1.3 圆锥形通道
球状环形通道内壁面配合叶顶和叶根为圆弧形状的导叶，可以最小化在所有安装角时的叶片间隙，但是它在叶轮进口之前产生了一个弯曲通道截面。
图3 (a)叶顶附近的速度矢量（球状环形通道及VIGV安装角为）
(b)叶根附近的速度矢量（球状环形通道及VIGV安装角为）

图4 球状环形通道内壁面引起的分离
图5 圆锥形和球状通道截面几何形状
图4子午面视图中出现的分离团正是由于这个弯曲通道截面，从而导致了边界层分离。Coppinger和Swain[9]经CFD分析后，尝试用叶顶处为圆锥形的内壁面来代替球状环形通道内壁面从而消除分离团和减少通道损失，如图5。经实验证实，在叶顶处采用圆锥形的内壁面后分离团的确减少了，但是并不能减少导叶系统损失。

3.2 导叶叶型对性能的影响
3.2.1 平板叶片
图6 叶顶附近的速度矢量分布（安装角时）
图8 叶顶附近的速度矢量分布（安装角时）
Swain使用BTOB3D测试了节弦比为1的13个平板叶片，其安装角范围为～。CFD测试结果如图6。可以看出，流面速度矢量分布有了明显的改善，但是在导叶安装角约为时，叶片吸力面上分离团有所发展，分离团的发展恶化了流动性能，并且导致了在导叶安装角较大时系统总损失增大。
3.2.2 组合叶片
为了最小化叶片吸力面上的分离，从而减少相关的压力损失，必须减小导叶安装角较大时产生的冲角。Coppinger和Swain[9]提出了使用组合叶片(Tandem Vane)，其叶片前缘保持与轴向进口流动一致并且尾缘可以关于前缘转动，所以这种叶型在所有安装角下均可获得小冲角，如图7。组合叶片速度矢量图如图8所示，与图6平板叶片的速度矢量图比较可以看出，在叶顶附近叶片吸力面上的分离团几乎完全消除，气动性能也有了明显的改善。Coppinger和Swain也通过实验证实了其CFD预测结果。
3．3 导叶装置直径及叶轮进出口直径比对性能的影响
离心式压缩机可调进口导叶装置调节效率的高低，重要取决于可调进口导叶装置的结构型式和压缩机的结构特性。在此重要介绍了可调进口导叶装置的直径和叶轮进出口直径比的影响。
可调进口导叶装置的直径一般都选用大于或等于叶轮的进口直径，虽然当大于叶轮进口直径时，压缩机效率并没有很大的提高，但是可以明显地扩大调节范围。文献[7]指出，实验中把可调进口导叶装置的直径从逐渐增大届时，调节范围和效率都有比较明显地增大。但是假如再继续增大其直径，将会影响其基本尺寸和制导致本。
图7 组合叶片（安装角时）
文献[10]指出，叶轮的结构尺寸对可调进口导叶的调节效率也有很大的影响，其中叶轮进出口直径比对可调进口导叶调节效果的影响最大，一般来说，越大，调节效果越明显。在文献[6]中给出了因素，由欧拉方程作一定的转换可得
(1)
由式(1)看出，为平方项，所以当大时，预旋的影响明显，调节的有效范围也就大。
3.4 导叶与叶轮轴向间距及其叶片数的匹配对性能的影响
文献[11]概括地指出，处在上游物体气流尾迹中的动叶片，承受着变化的气动载荷，而气动载荷变化的大小与尾迹衰减速率有关。当上游物体为流线型时，其衰减限度将取决于进口处气流的紊流度、相对栅距以及至下游动叶之间距。在稳定的入流条件下，叶轮与诱发尾迹的上游支承物后缘之间距至少应等于该支承物弦长的，此距离不会改变压缩机的压升。然而对于紊乱的入流条件，此间距甚至可增至弦长的一倍。从目前掌握的资料来看，在此方面的研究重要集中在轴流式压缩机上，Johnston和Fleeter通过某轴流式压缩机级进行了一系列实验测得了可调进口导叶出口马赫数为0.29及叶轮进口相对马赫数为0.6时，导叶和叶轮的轴向间距与叶轮叶片弦长之比分别为0.68，0.93，1.18时，导叶尾迹区的压力场和速度场，并指出在比值为0.68时可以明显的减小尾迹区[12]。而关于离心式压缩机可调进口导叶与叶轮之间的轴向间距对性能的影响，国内外尚没有具体研究。
然而，就导叶与叶轮叶片数的匹配而言，文献[11]指出了两者之间应按互为质数的原则匹配，尽也许避免公因数,但也不能一概而论,最重要的是必须遵循“导叶叶片数Z1×叶轮工作转速≠叶轮叶片固有频率”这一原则，由于叶轮在旋转过程中，每个叶片与前导叶尾迹流之间周期性互相作用，其作用频率的计算公式为
f= n Z1/60 (2)
从式(2)看出，为避免导叶作用引起叶轮共振，必须使得其互相作用频率避开叶轮叶片的固有频率，最佳是能远离叶轮叶片的固有频率，以防止非定常载荷长期作用而引起叶轮的疲劳破坏。
3.5 单级与多级调节对性能的影响
对于多级离心式压缩机，假如只对第一级采用可调进口导叶调节，效果会不太明显，然而假如每级前均采用可调进口导叶调节，则整个装置的结构又比较复杂。目前从公开发表的文献看，对离心式压缩机采用多级导叶调节的研究并不多，仅有Simon[13]等人通过实验对某4级齿轮增速离心式压缩机，仅在第一级前加可调进口导叶以及在各级前均加可调进口导叶的调节性能进行了比较，并且获得了两种情况下的无因次性能曲线。可以看出在各级前均加进口导叶比仅在第一级加进口导叶的调节范围要宽出近60%。
4 进口导叶与叶轮非定常动静干涉作用
离心式压缩机可调进口导叶与叶轮非定常动静干涉作用非常强烈，并且作用机理也很复杂，解决不好，不仅会使气动性能恶化，并且还会引起叶片共振以及叶轮叶片疲劳破坏的严重事故。
所谓动静干涉，对于叶轮机械来说，若不考虑条件非定常(喘振、旋转失速)等不稳定性，流动的非定常性重要表现在某一叶片排的尾迹扫过下一个叶片排时产生的流场非定常脉动[14]。对于带可调进口导叶的离心式压缩机，由于导流叶片尾迹的影响，叶轮叶片进口处流动状态(涉及压力、密度和气流方向等)随时间产生脉动，使得叶轮叶片所受的气动载荷发生周期性变化或非周期性变化。目前动静干涉已成为叶轮机械中的一个研究热点，但其重要是针对轴流式压缩机中动静叶的干涉，以及离心式压缩机中叶轮叶片与扩压器叶片的动静干涉等。而对于离心式压缩机可调进口导叶与叶轮的干涉问题研究得较少，席光[15]对离心式压缩机可调进口导叶翼型绕流尾涡的非定常发展过程进行了初步研究，指出其研究的导叶，攻角在～范围内，当Re数低于80时，流动是稳定的，翼型后方不会出现大尺寸的流动分离；雷诺数 Re大于80时，翼型后方会出现流动分离，并随着有明显的涡脱落。
西安交通大学流体机械研究所运用非定常流动的时域和频域分析方法，研究了某事故离心式压缩机叶轮在运营条件下的非定常载荷特点，指出进口导叶的尾迹脉动是引起叶轮叶片疲劳破坏的主线因素，计算得到的叶片上脉动压力最大的位置与实际断裂位置基本吻合。
可见，离心式压缩机与其可调进口导叶之间的非定常相干作用，已成为影响现代离心式压缩机安全可靠性的重大问题，必须引起足够的重视。
5 可调进口导叶的常见故障及解决
可调进口导叶结构虽然简朴，但假如气流中具有粉尘或有腐蚀性的物质，则容易导致可调进口导叶叶片腐蚀，执行机构锈蚀锈死；叶片受气流的扰动较大，特别是当气流中有固体微粒时，其受到的冲刷作用更为明显。目前对离心式压缩机可调进口导叶的故障解决研究得较多，但大都是针对出现故障后如何解决，而没有对产生的因素进行全面进一步的研究。文献[16]介绍了离心式通风机可调进口导叶系统常见的6种故障，涉及叶片变形、叶片松动、叶片脱落、叶片腐蚀与磨损、调节执行机构卡死或失灵、振动，并分析了其因素和后果，指出采用提高重要部件的强度和刚度、关键部件特殊选材、防腐耐磨解决、调节执行机构的改善等解决方法可以延长其使用寿命。
6 结束语
本文对离心式压缩机可调进口导叶调节研究的几个热点问题进行了分类综述，应当说，现在对离心式压缩机可调进口导叶调节的研究水平低于对轴流式压缩机的研究。
对离心式压缩机可调进口导叶的研究还面临很多亟待解决的问题，需要在以后进一步进一步研究，以进一步扩大调节范围并提高调节效率。
参 考 文 献
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