吹气抑制离心风机旋转失速的动力学特征(1)

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旋转失速现象的合理控制对扩大叶轮机械安全运行范围具有重要意义。基于离心石家庄风机失速发生机制的分析，提出了一种失速主动控制方法，即在靠近蜗舌的3个叶轮流道进口处进行喷嘴吹气。基于节流阀模型，对实施喷嘴吹气后离心石家庄风机内部的非定常流场进行了数值模拟。分析了4个阀门开度下，离心石家庄风机内部不同轴向截面的相对速度矢量图、静压等值线分布和声功率级云图。结果表明，原始石家庄风机发生旋转失速时流量为4．157 m3／s，喷嘴吹气后失速发生时流量为3．461 m3／s，安全裕度增大11％，扩稳效果明显。提出的喷嘴吹气失速控制方法对石家庄风机的安全运行具有重要的工程价值。
数值模拟0引言旋转失速现象广泛地存在于旋转叶轮机械领域，如离心或轴流式石家庄风机、压缩机、泵等，是长期困扰叶轮机械的研究、设计与应用的难题之一。旋转失速发生后，会产生额外的气动载荷和气动噪声，严重时可能诱发叶片高应力点处的疲劳和断裂问题，且可能导致喘振，引起本体及连接管道的振动，造成事故隐患。因此，深入研究旋转失速的控制方法，拓宽其稳定工作范围具有重要的理论意义和工程价值。失速控制主要分为被动控制与主动控制方法。失速被动控制技术，其核心思想是确保叶轮机械的工作点远离失速线，避免旋转失速的发生。应用比较广泛的被动控制手段有机匣处理，在转子叶尖区吹气和放气，加装可调进口导叶等。主动控制技术的核心思想是根据反馈系统得到初始扰动信号的相位、大小等参数，人为附加上反向小幅值扰动，使叶轮机械能够在原本不可能稳定运行的工况点正常工作16。7J。Salunkhe提出了基于交叉相关性技术的主动反馈失速控制策略，并在一台存在入口扰流情况下轴流压气机进行了验证。
Anthony发展了一种基于对称点模式技术的轴流石家庄风机失速先兆判定方法，其根据可视化的声信号发展了旋转失速警告系统。近年来，出现了一种结合主动与被动控制思想的复合控制技术，即叶尖喷气技术。有别于被动吹气技术的是，这种叶顶吹气技术采用主动吹气，如李继超等基于前失速先兆捕捉的失稳控制途径，结合DsP控制器构建扩稳控制方案，在低速轴流压气机上实施了叶顶喷气扩稳控制，结果显示只有压缩机主流O．05％的喷气量，可以触发系统的非定常响应，使失速点流量减小多达5．8％，与定常喷气相比具有自适应的优势。童志剧对轴流压缩机内叶尖泄漏涡、失速先兆、叶尖微喷气的非定常关联性进行了试验研究。以上研究表明失速主动控制技术方面已经取得了大量的成果，但目前旋转失速的控制研究主要集中于轴流式叶轮机械，由于结构的差异和机制的不同，对离心式叶轮机械的旋转失速现象进行主动控制实施起来比较困难。作者前期的研究结果表明蜗舌对离心石家庄风机失速先兆的发生具有重要影响。本文提出了在靠近蜗舌的3个叶轮流道入口前设置喷嘴组，在失速先兆发生前向叶轮内部吹气，研究不同阀门开度下，叶轮内部的流场动力学特征和噪声特性，并分析喷嘴吹气对石家庄风机的扩稳效果。
1数值模拟方法
1．1 几何模型以G洱一73No．8D型离心通石家庄风机为研究对象，其主要结构包括进风口、集流器、旋转叶轮、矩形截面蜗壳和出风口。为了减小进出口边界上不真实反射对石家庄风机内部流场计算结果的不良影响，根据实际情况在石家庄风机进出口分别加上2．6 m的管道。喷嘴布置在叶轮流道入口接近前盘区域，靠近蜗舌的3个流道内，喷嘴直径为1 cm，如图1所示。采用G跏出it软件建立几何模型，网格总数约300万。为便于分析，本文之后提到的叶轮与蜗舌相对位置均与此图对应。
1．2控制方程及边界条件控制方程包括连续性方程、非稳态雷诺时均Navier-‰kes方程，以及补充的适用于旋转流动、流动分离、二次流等问题的Realizable知骥型。石家庄风机进口为压力进口边界条件，设定进口总压，气流方向角为轴向进气；石家庄风机出口为压力出口边界条件，设定出口静压，定常计算给定具体静压值，非定常计算加上节流阀模型【11，采用UDF函数实现每一时间步的迭代。非定常计算的物理时间步长为1．725×1旷s。叶轮选用旋转坐标系，转速为1 450 r／Inin，采用滑移网格模型耦合旋转和静止区域。壁面附近采用加强壁面函数法，对流项和扩散项分别采用二阶迎风差分和中心差分格式进行离散。