流量系数0.022管线压缩机模型级及叶轮设计方法与流程

本发明涉及压缩机技术领域，特别涉及一种流量系数0.022管线压缩机模型级及叶轮设计方法。

背景技术：

管线压缩机是西气东输国家重点工程的关键设备，在其研发过程中，模型级九的设计非常关键，新产品的研发依赖于与之相对应的模型级九。

现有管线模型级九存在轮毂比小、轴向跨距大、效率低等缺点，所以在产品设计的过程中转轴轴径小、轴长，进而在产品临界转速、转子稳定性及轴的刚度等方面存在较大的问题，给产品设计带来很大的困难。另外，机组的性能较国外同类产品低。

技术实现要素：

为了解决现有管线模型级九存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种流量系数0.022管线压缩机模型级及其叶轮设计方法，使管线压缩机产品机组效率得以显著提高，减少机组的功耗。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种流量系数0.022管线压缩机模型级，包括叶轮1、无叶扩压器2、弯道3及回流器4，其中叶轮1位于模型级九的入口位置，在叶轮1的出口设有无叶扩压器2，所述回流器4位于模型级九的出口位置，无叶扩压器2与回流器4之间通过弯道3相连通；所述模型级九的机器马赫数M_u2＝0.35～0.65，设计点流量系数Φ₁＝0.022，设计点能头系数τ＝0.588，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率η_pel＝0.812～0.817，能应用的流量范围为设计点的60％-150％。

本发明还提供一种流量系数0.022管线压缩机模型级中叶轮的设计方法，其包括：

通过一维热力设计，获得叶轮进口安装角β_1A、叶轮出口安装角β_2A，以及叶轮出口宽度b2；

根据叶轮轮毂比ds/D2及给定的叶轮直径确定轮毂直径；

通过进口相对速度w₁最小的原则计算叶轮进口直径D₀；

根据进出口叶片的Beta角呈线性变化分布而获取叶片初步造型；

将所得到的叶轮的流道三维模型进行网格划分；

将生成的网格导入CFD分析软件中，采用Spalart-Allmaras湍流模型对该叶轮进行3D粘性流场分析；分析的进口边界条件为总温、总压，分析的出口边界条件为质量流量出口；

对CFD分析所得的叶轮流场结果进行分析，当叶轮流场不符合设计要求时，则调整叶轮子午及叶片型线的匹配，通过修改叶片beta角分布、子午型线和CFD分析的反复迭代，最终使得所得的叶轮流场满足设计要求；所述设计要求包括叶轮在叶高截面上，叶轮在流道中间的流动无流动分离；叶轮的子午流道上无流动分离；叶轮的出口气流角分布均匀；出口静压分布均匀；压力面和吸力面的叶片的相对速度近似呈橄榄型分布。

进一步地，所述网格划分是在网格划分过程中，减小壁面的Yplus小于1，同时网格的长宽比小于2000，延展比小于3，网格的正交性大于15°。

进一步地，所述叶轮在叶高截面上，叶轮在流道中间的流动无流动分离是叶轮在10％、50％、90％叶高截面上，叶轮在流道中间的流动无流动分离。

进一步地，所述叶轮的出口气流角分布均匀是平均出口气流角17～25°，其中，出口气流角波动范围小于5°。

进一步地，所述出口静压分布均匀是指波动范围在出口静压的2％以内。

进一步地，所述压力面和吸力面的叶片的相对速度差别最大的位置位于60％～80％叶片长度处。

本发明提供的管线压缩机专用模型级九，效率高、能头系数高、轮毂比大，跨距小，采用本发明的模型级九可以使得管线压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，同时可以降低转子工作转速，缩小轴承跨距，提高转子的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的流量系数0.022管线压缩机模型级的示意图；

图2为本发明实施例提供的流量系数0.022管线压缩机模型级叶轮进出口角示意图；

图3为本发明实施例提供的流量系数0.022管线压缩机模型级回流器进出口角示意图；

图4为本发明实施例提供的叶轮10％叶高截面相对速度分布图；

图5为本发明实施例提供的叶轮50％叶高截面相对速度分布图；

图6为本发明实施例提供的叶轮90％叶高截面相对速度分布图；

图7为本发明实施例提供的子午流道相对速度分布图；

图8为本发明实施例提供的沿轴向相对位置的叶轮出口气流角分布判断依据图；

图9为本发明实施例提供的沿轴向相对位置的叶轮出口静压分布判断依据图；

图10为本发明实施例提供的叶轮叶片吸力面和压力面的相对速度分布判断依据图；

图11为本发明实施例提供的沿轴向相对位置的叶轮出口气流角分布图；

图12为本发明实施例提供的沿轴向相对位置的叶轮出口静压分布图；

图13为本发明实施例提供的沿轴向相对位置的叶轮出口气流角分布图；

图14为本发明实施例提供的回流器10％叶高截面相对速度分布图；

图15为本发明实施例提供的回流器50％叶高截面相对速度分布图；

图16为本发明实施例提供的回流器90％叶高截面相对速度分布图；

图17为本发明实施例提供的不同马赫数下压比性能曲线示意图；

图18为本发明实施例提供的不同马赫数下多变效率性能曲线示意图；

图19为本发明实施例提供的不同马赫数下能头系数性能曲线示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种流量系数0.022管线压缩机模型级，适用于管线压缩机及其它轻介质压缩机产品的模化设计，包括叶轮1、无叶扩压器2、弯道3及回流器4，其中叶轮1位于模型级九的入口位置，在叶轮1的出口设有无叶扩压器2，回流器4位于模型级九的出口位置，无叶扩压器2与回流器4之间通过弯道3相连通。该模型级能够使用的机器马赫数M_u2＝0.35～0.65，设计点流量系数Φ₁＝0.022，设计点能头系数τ＝0.588，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率η_pel＝0.812～0.817，能应用的流量范围为设计点的60％-150％。具体性能曲线如图17～19所示。

该管线压缩机中等能头系数高效模型级的轮毂比ds/D2很大，ds/D2＝0.40。比一般的模型级九轮毂比ds/D2＝0.34提高约18％，这可以极大的提高使用该模型级的转子的稳定性。

在一实施例中，叶轮1为闭式的三元叶轮，三元叶轮的基本参数如下：叶轮出口直径D₂＝450mm，叶片数Z＝17，叶轮相对出口宽度b₂为叶轮出口宽度。该叶轮1靠近轮盖和轮盘侧叶片进口安装角β1As和β1Ah均为20.8°，叶轮1靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β2As和β2Ah均为30.2°。叶轮1的轮盖侧和轴盘侧的子午流道分别由两段圆弧相切而成，且两段圆弧分别相切于两直线段。叶轮1压力面和吸力面的叶片的相对速度呈橄榄型分布。压力面和吸力面的叶片的相对速度差别最大的位置位于60％～80％％叶片长度处。例如，相对速度差别最大的位置大约位于65％叶片长度处，这种载荷分布使得该模型级具有很高的效率及较宽的工况范围。在设计点马赫数及流量系数工况条件下，该叶轮的流动具有如下特点：1、该叶轮在10％、50％、90％叶高截面上，叶轮流道中间的流动没有任何流动分离，如图4～图6所示。2、非定常三维粘性流动CFD分析结果表明，该叶轮的子午流道上也没有任何的流动分离，如图7所示。3、叶轮1出口气流角分布均匀，波动范围小于5度，如图11所示。4、叶轮1出口静压分布均匀性好，波动范围在出口静压的2％以内，如图12所示。5、该叶轮的多变效率很高，叶轮出口处的多变效率可达94.8％。

在一实施例中，无片扩压器2的轮盖和轴盘侧的子午型线均由一段直线构成；其中，轴盘侧的子午型线垂直于轴向。无片扩压器2进口宽度和叶轮1出口宽度的比b₃/b₂为1，该设计保证了叶轮1出口气流可以顺畅的进入无叶扩压器2；同时叶片扩压器2出口宽度和叶片扩压器2进口宽度的比b₄/b₃约为0.953。该设计可以很好的匹配叶轮出口处的流场，抑制无叶扩压器盖盘侧的流动分离，减小无叶扩压器的流动损失。如图7所示，该无叶扩压器上几乎没有流动分离。无片扩压器2入口相对位置出口相对位置

在一实施例中，弯道3的进出口宽度比b₅/b₄为1.246。该模型级的非定常三维粘性流动CFD分析结果表明，在设计点马赫数及流量系数工况条件下，弯道3内部没有流动分离。如图7所示。

在一实施例中，回流器4叶片采用全高香蕉翼型叶片，叶片数为Z＝24，叶片入口相对位置D₅/D₂＝1.581，入口安装角为16.9°，叶片出口相对位置D₆/D₂＝0.67，出口安装角为101.7°，回流器进、出口安装角定义如图3所示；该设计可以很好的匹配弯道出口的流场，并且将回流器出口气流轴向夹角控制到小于1°。同时，回流器叶片在设计流量系数下没有任何的流动分离。如图14～图16所示。回流器4轮盖侧子午型线为一竖直直线段，与弯道轮盖侧圆弧相切；轴盘侧子午型线为一斜线段，与弯道轴盘侧圆弧相切；回流器出口段盖盘侧和轴盘侧分别由两条圆弧及与圆弧相切的直线段组成。

本发明实施例还提供流量系数0.022管线压缩机模型级的核心部件叶轮的设计方法，具体包括：

步骤10、通过一维热力设计，获得叶轮进口安装角β_1A、叶轮出口安装角β_2A，以及叶轮出口宽度b2；

β_1A＝tan^-1C₁/u₁+i，其中：

c₁——叶轮进口绝对速度

u₁——叶轮进口圆周速度

i——冲角

其中：

q_vin——进口体积流量

D₂——叶轮外径

K_v2——叶轮出口比容比

——流量系数叶轮出口径向流量系数

u₂——圆周速度

τ₂——叶片出口阻塞系数

其中：

——流量系数

——周速系数

步骤20、根据叶轮轮毂比ds/D2(例如，ds/D2＝0.4)及给定的叶轮直径(例如，给定D2＝450mm)确定轮毂直径。其中ds为轮毂直径、D2为叶轮外径。

步骤30、通过进口相对速度w₁最小的原则，通过以下公式获得叶轮进口直径D₀。

其中：

d——轮毂直径

D2——叶轮外径

K_v2——叶轮出口比容比

——流量系数叶轮出口径向流量系数

K_c——速度系数

τ₂——叶片出口阻塞系数

K_v0——叶轮进口比容比

K_D——直径比

其中：

——流量系数

——周速系数

步骤40、根据进出口叶片的Beta角呈线性变化分布而获取叶片初步造型，例如图13。

步骤50、将所得到的叶轮的流道三维模型进行网格划分，网格划分过程中，减小壁面的Yplus小于1，同时网格的长宽比小于2000，延展比小于3，网格的正交性大于15°。将生成的网格导入CFD分析软件中，采用Spalart-Allmaras湍流模型对该叶轮进行3D粘性流场分析；分析的进口边界条件为总温、总压；分析的出口边界条件为质量流量出口。

步骤60、将所得的CFD分析所得的流场结果进行后处理，若所得的叶轮流场满足以下条件，则认为设计完成。满足设计条件为：叶轮1在10％、50％、90％叶高截面上，叶轮1流道中间的流动没有任何流动分离。如图4～图6所示；II叶轮1的子午流道上也没有任何的流动分离。如图7所示；III叶轮1的出口气流角分布均匀，平均出口气流角为17～25°。出口气流角波动范围小于5°；如图8所示：IV出口静压分布均匀性好，波动范围在出口静压的2％以内。如图9所示；V压力面和吸力面的叶片的相对速度近似呈橄榄型分布。相对速度差别最大的位置位于60％～80％叶片长度处。如图10所示。

步骤70、将所得的CFD分析所得的流场结果进行后处理，若所得的叶轮流场不满足以上条件，则调整叶轮子午及叶片型线的匹配，通过叶片beta角分布、子午型线和CFD分析的反复迭代，最终使得所得的叶轮流场满足以上条件，此时，完成设计。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。