流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级及叶轮设计方法与流程

本发明涉及模型级设计领域，特别是涉及一种流量系数0.007单轴CO2 压缩机末段模型级及叶轮设计方法。

背景技术：

现代离心压缩机的开发大都根据用户需求，基于已有的模型级数据库，利用相似理论进行方案设计。因此，模型级设计的优劣，直接影响整个产品的性能。作为尿素合成装置的重要组成部分，CO2压缩机组因为具有工质压力高、密度大的特点，已经成为各大压缩机厂家最有技术含量、最为重点的产品之一。

目前，CO2压缩机在高压缸后面几级的流量系数都非常小，有的流量系数Φ1甚至可以到0.004或更低。然而，这种小流量系数模型级的多变效率一般都低于60％，远远不能满足市场的需求。因此，研发高效率的CO2机组末段小流量系数模型级的意义非常重大，是目前设计CO2压缩机领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级及叶轮设计方法，主要目的在于提高CO2压缩机组的效率，减少CO2 压缩机组的功耗，保证压缩机具有较宽的工况范围，同时可以提高转子的稳定性。

依据本发明一个方面，提供了一种流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，包括：

所述模型级位于压缩机内，包括叶轮(1)、叶片扩压器(2)、弯道(3)及回流器(4)，其中，所述叶轮(1)为根据特定叶片厚度分布参考规则设计的低摩阻楔形叶轮、所述叶轮(1)位于模型级的入口位置；在所述叶轮(1)的出口设有所述叶片扩压器(2)，所述回流器(4)位于模型级的出口位置，所述叶片扩压器(2)与所述回流器(4)之间通过所述弯道(3)相连通；所述模型级的机器马赫数Mu2＝0.6～0.9，流量系数Φ1＝0.007，设计点能头系数τ＝0.62，各马赫数下多变效率ηpol＝0.66～0.665，应用的流量范围为设计点的73％-139％。

依据本发明另一个方面，提供了一种流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中叶轮的设计方法：

根据预设叶轮直径D2和预设叶轮轮毂比ds/D2，计算轮毂直径ds；

依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0；

根据所述ds、所述b2、所述D0和预定义的叶轮盖侧子午型线，确定叶轮的子午流道初步造型；

根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型；

根据所述子午流道初步造型和所述叶片型线初步造型，初步确定叶轮；

对得到的叶轮进行建模，并对叶轮进出口长度进行延长处理；

对得到的叶轮模型进行三维结构化网格划分，保证壁面第一层网格的 Yplus值小于1，同时网格的长宽比小于3000，延展比小于3，网格的最小正交性大于15°；

利用CFD分析软件对网格划分后的叶轮模型进行三维粘性数值模拟，分析叶轮效率、工况范围、叶轮流场；

综合判断所述叶轮效率是否大于或者等于预设效率阈值，所述工况范围是否大于或者等于预设工况范围阈值，且所述叶轮流场是否符合预设叶轮流场设计要求；

若否，则调整子午流道和所述叶片型线的匹配，修改叶片beta角分布、叶片厚度分布、子午型线、重新利用CFD分析并反复迭代，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮，所述叶轮为低摩阻楔形叶轮；

其中，所述预设叶轮流场设计要求包括叶轮在不同叶高截面上的流动无明显分离；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；叶片压力面和吸力面上的载荷分布变化均匀。

本发明提供的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级为单轴CO2 压缩机末段专用模型级，效率高、设计点能头系数高、轮毂比大，叶片厚度和高度均较大，采用本发明的模型级可以使得CO2压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，减少CO2压缩机组的功耗，同时可以提高转子的稳定性。此外，本发明提供的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中叶轮的设计方法，可以达到减小湿周的目的，有效降低流体与壁面之间的摩擦损失，从而能够设计出低摩阻叶轮。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的流量系数为0.007的CO2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为0.007的CO2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为0.007的CO2压缩机模型级叶片扩压器进出口角示意图；

图4为本发明实施例提供的流量系数为0.007的CO2压缩机模型级回流器进出口角示意图；

图5为本发明实施例提供的沿流向叶轮叶片载荷分布示意图；

图6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7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8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9为本发明实施例提供的子午流道相对速度分布图；

图10为本发明实施例提供的沿展向相对位置的叶轮出口气流角分布图；

图11为本发明实施例提供的沿展向相对位置的叶轮出口静压分布图；

图12为本发明实施例提供的楔形叶轮叶片角度与叶片厚度沿流向分布示意图；

图13为本发明实施例提供的楔形叶轮流道轮廓与传统叶轮流道轮廓对比示意图；

图14为本发明实施例提供的沿展向相对位置的叶轮出口气流角分布判断依据图；

图15为本发明实施例提供的沿展向相对位置的叶轮出口静压分布判断依据图；

图16为本发明实施例提供的沿流向叶轮叶片吸力面和压力面的载荷分布判断依据图；

图17为本发明实施例提供的叶片扩压器10％叶高截面相对速度分布图；

图18为本发明实施例提供的叶片扩压器50％叶高截面相对速度分布图；

图19为本发明实施例提供的叶片扩压器90％叶高截面相对速度分布图；

图20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21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22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23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24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25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

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种流量系数0.007单轴CO2 压缩机末段模型级，适用于单轴CO2压缩机产品的模化设计，如图1所示，所述模型级位于压缩机内，包括叶轮1、叶片扩压器2、弯道3及回流器4，其中，所述叶轮1为根据特定叶片厚度参考规则设计的低摩阻楔形叶轮、所述叶轮1位于模型级的入口位置；在所述叶轮1的出口设有所述叶片扩压器2，所述回流器4位于模型级的出口位置，所述叶片扩压器2与所述回流器4之间通过所述弯道3相连通；如图2-4所示，分别示出了叶轮1、叶片扩压器2、回流器4的叶片进出口角示意图，所述模型级的机器马赫数 Mu2＝0.6～0.9，流量系数Φ1＝0.007，设计点能头系数τ＝0.62，各马赫数下多变效率ηpol＝0.66～0.665，应用的流量范围为设计点的73％-139％，具体性能曲线如图23～25所示。

本发明实施例中的流量系数为0.007的CO2压缩机模型级的轮毂比很大，比一般的模型级轮毂比ds/D2＝0.34提高约33％，这可以极大的提高使用该模型级的转子的稳定性。

具体地，所述叶轮1为闭式的二元叶轮，二元叶轮的基本参数如下：叶轮出口直径D 2＝450m，m叶片数Z1＝11，叶轮相对出口宽度 b2/D2＝0.0241，b2为所述叶轮(1)的叶轮出口宽度；所述二元叶轮靠近轮盖和轮盘侧叶片进口安装角β1As和β1Ah均为17°，所述二元叶轮靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β2As和β2Ah均为24°，叶轮叶片进口厚度为4mm，叶轮叶片出口厚度为14mm，厚度从入口到出口是先增大后减小，最大厚度为 18mm，远大于一般叶片厚度，即叶片厚度是从入口的4mm增大到18mm，再减少到14mm。

所述叶轮1的轮盖侧和轴盘侧的子午流道均由一段圆弧以及与其相切的两直线段构成，所述叶轮(1)的压力面和吸力面的叶片载荷最大位置位于 30％叶片长度处。如图5所示，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，可以有效降低流道内的摩擦损失。在各个马赫数设计工况下，该叶轮的流动具有如下特点：

1、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6～图8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9所示。

3、叶轮1出口气流角分布均匀，平均出口气流角为7～13°，波动范围小于5度，如图10所示。

4、叶轮1出口静压分布均匀性好，波动范围在出口平均静压的2％以内，如图11所示。

5、叶轮的多变效率很高，叶轮出口处的多变效率可达89.5％。

具体地，所述叶片扩压器2的叶片采用全高短叶片，目的是在提高效率的同时，还要兼顾较宽的工况范围。所述叶片扩压器2靠近轮盖和轮盘侧叶片进口安装角β3As和β3Ah均为8°，所述叶片扩压器2靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β4As和β4Ah均为19°，扩压度为5.83，此时叶片扩压器内的流动损失较小。

所述叶片扩压器2的轴盘侧的子午型线由一段直线构成，且盖盘侧的子午型线是由一段圆弧以及其它三段直线构成；其中，轴盘侧的子午型线垂直于轴向。

所述叶片扩压器(2)的进口宽度与所述叶轮(1)的叶轮出口宽度的比b3/b2＝0.833，所述叶片扩压器(2)的入口相对位置D3/D2＝1.067,所述叶片扩压器(2)的出口相对位置D4/D2＝1.45，D2为叶轮出口直径，D3为所述叶片扩压器(2)进口直径，D4为所述叶片扩压器(2)的出口直径。

上述设计保证了叶轮1出口气流可以顺畅的进入叶片扩压器2，且不会因为流道扩张而产生明显的回流，尤其有利于小流量工况的流动；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≈0.826。该设计可以很好的匹配叶轮出口处的流场，抑制叶片扩压器盖盘侧的流动分离，减小叶片扩压器无叶段的流动损失。如图17～图19所示，该叶片扩压器2上几乎没有流动分离。

可选的，所述弯道3的进出口宽度比b5/b4＝1.23，所述b5为所述弯道3 的出口宽度，所述b4为所述叶片扩压器2的出口宽度，所述模型级的非定常三维粘性流动CFD分析结果表明，在各个马赫数设计点处，弯道3内部流动良好，没有明显分离，如图9所示。

可选地，所述回流器4的叶片为全高香蕉翼型叶片，叶片数Z2＝18，叶片的入口相对位置D5/D2＝1.432，入口安装角为22°，叶片出口相对位置 D6/D2＝0.75，出口安装角为102°，所述D5为所述回流器4的叶片入口直径，所述D6为所述回流器4的叶片出口直径。回流器进、出口安装角定义如图4所示；该设计可以很好的匹配弯道出口的流场，并且使得回流器出口气流趋近于轴向，降低级间的不利影响。同时，回流器叶片在各个马赫数设计工况下没有明显的流动分离，如图20～图22所示。所述回流器4的轮盖侧子午型线为一倾斜直线段，所述回流器4的入口段与所述弯道3的轮盖侧圆弧相切；轴盘侧子午型线为一竖直直线段，入口段与所述弯道3 轴盘侧圆弧相切；所述回流器4的出口段盖盘侧和轴盘侧均由一段圆弧及与其相切的直线段组成。

本发明实施例提供的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级为单轴CO2压缩机末段专用模型级，效率高、设计点能头系数高、轮毂比大，叶片厚度和高度均较大，采用本发明的模型级可以使得CO2压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，同时可以提高转子的稳定性。

进一步地，本发明实施例还提供一种流量系数为0.007的CO2压缩机模型级的核心部件叶轮的设计方法，所述方法包括：

201、根据预设叶轮直径D2和预设叶轮轮毂比ds/D2，计算轮毂直径ds。

例如，预设叶轮直径D2可以为450mm，预设叶轮轮毂比ds/D2可以为 0.453。

202、依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0。

对于本发明实施例，所述步骤202具体可以包括：利用叶轮入口绝对速度c1、叶轮入口圆周速度u1和β1A＝tan-¹c1/u1+i，确定叶片进口安装角β1A；

利用叶轮出口径向流量系数周速系数和确定叶轮出口安装角β2A；

利用叶轮入口质量流量G、叶轮出口阻塞系数τ2、叶轮出口比容比kv2、叶轮出口圆周速度u2、所述D2、叶轮入口流体密度ρi、所述和预设叶轮出口宽度计算公式，计算叶轮出口宽度b2；

利用所述ds、所述D2、所述τ2、所述所述kv2、速度系数kc、叶轮进口比容比kv0、直径比KD和预设叶轮进口宽度计算公式，计算叶轮进口宽度D0；

其中，所述τ2的计算公式为：

所述预设叶轮出口宽度计算公式为：

所述预设叶轮进口宽度计算公式为：

例如，预设叶轮叶片进口厚度d1可以为4mm，预设叶轮叶片出口厚度d2可以为14mm。传统叶轮叶片厚度一般为恒定的4mm左右，本发明大幅度 提高了叶片厚度，并给予了合适的分布规律。

203、根据所述ds、所述b2、所述D0和预定义的叶轮盖侧子午型线，确定叶轮的子午流道初步造型。

其中，所述预定义的叶轮盖侧子午型线可以为在步骤201之前自定义的，具体地，可以将所述叶轮盖侧子午型线定义为一条倾斜直线。通过定义为倾斜直线可以减少设计的自由度，方便后续修改。

204、根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型。

对于本发明实施例，所述步骤204具体可以包括：根据叶片角度沿子午流向呈多项式变化分布、叶片厚度沿子午流向呈多项式变化分布、所述β1A、所述β2A、所述d2和预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型，其中，所述叶片角度的最大值位置在40％叶片长度处、叶片厚度的最大值位置在80％叶片长度处。例如图12，以此确定叶片型线初步造型。图13为本发明实施例提供的楔形叶轮流道轮廓与传统叶轮流道轮廓对比示意图，可以看到楔形叶轮的流道由于提高了叶片厚度和叶片高度，使得流道横截面长宽比a/b更接近于1，降低了湿周，从而可以有效降低叶轮内部流动的摩擦损失。

205、根据所述子午流道初步造型和所述叶片型线初步造型，初步确定叶轮。

206、对得到的叶轮进行建模，并对叶轮进出口长度进行延长处理。

207、对得到的叶轮模型进行三维结构化网格划分。

在本发明实施例中，通过步骤207保证壁面第一层网格的Yplus值小于1，同时网格的长宽比小于3000，延展比小于3，网格的最小正交性大于15°。

208、利用CFD分析软件对网格划分后的叶轮模型进行三维粘性数值模拟，分析叶轮效率、工况范围、叶轮流场。

需要说明的是，利用CFD分析软件分析的过程为将生成的网格导入 CFD分析软件中，对该叶轮进行三维粘性数值模拟；采用Spalart-Allmaras 湍流模型，工质采用理想空气，进口边界条件给定总温、总压，轴向进气，出口边界条件给定质量流量；然后给定的上述参数分析计算叶轮效率、工况范围、叶轮流场。

由于设计中考虑的变量较多，自由度较大，需要采用多目标优化方法进行辅助设计。对所得到的方案进行三维参数化拟合，包括盖侧型线，叶片厚度分布以及叶片角度分布，给定各参数的求解区间，以及各马赫数下多变效率与压比的目标值，采用CFD分析软件进行三维粘性优化，以寻得最优方案。

209、综合判断所述叶轮效率是否大于或者等于预设效率阈值，所述工况范围是否大于或者等于预设工况范围阈值，且所述叶轮流场是否符合预设叶轮流场设计要求。

其中，所述预设效率阈值和预设工况范围阈值均可以根据设计需要进行设定本发明实施例不做限定。例如，预设效率阈值可以为80％、85％等，预设工况范围阈值可以为70％-85％，80％-85％等。

210、若否，则调整子午流道和所述叶片型线的匹配，修改叶片beta角分布、叶片厚度分布、子午型线、重新利用CFD分析并反复迭代，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮。

需要说明的是，若所述叶轮效率小于预设效率阈值、所述工况范围小于预设工况范围阈值、或者所述叶轮流场不符合预设叶轮流场设计要求，则执行重新设计叶轮，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮。

其中，所述叶轮为低摩阻楔形叶轮，所述预设叶轮流场设计要求包括叶轮在不同叶高截面上的流动无明显分离；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；叶片压力面和吸力面上的载荷分布变化均匀。具体地，满足叶轮流场设计要求为：I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6～图8所示；II叶轮1的子午流道上也没有任何的流动分离,如图9所示；III 叶轮1的出口气流角分布均匀，出口气流角波动范围小于5°,如图14所示； IV出口静压分布均匀性好，波动范围在出口平均静压的2％以内，如图15 所示；V叶片压力面和吸力面的静压分布变化均匀，如图16所示。

在本发明实施例中，所述步骤210具体为：对CFD分析所得的叶轮效率以及工况范围进行综合判定，并对流场结果进行分析，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、叶片厚度分布、子午型线和CFD分析的反复迭代，最终使得所得的所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场满足预设叶轮流场设计要求；此时，完成设计。

本发明实施例提供的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中叶轮的设计方法，可以达到减小湿周的目的，有效降低流体与壁面之间的摩擦损失，从而能够设计出低摩阻叶轮。

基于上述所示方法，相应的，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据预设叶轮直径D2和预设叶轮轮毂比ds/D2，计算轮毂直径ds；

依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0；

根据所述ds、所述b2、所述D0和预定义的叶轮盖侧子午型线，确定叶轮的子午流道初步造型；

根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型；

根据所述子午流道初步造型和所述叶片型线初步造型，初步确定叶轮；

对得到的叶轮进行建模，并对叶轮进出口长度进行延长处理；

对得到的叶轮模型进行三维结构化网格划分，以保证壁面第一层网格的Yplus值大于或者等于1，同时网格的长宽比大于或者等于3000，延展比大于或者等于3，网格的最小正交性大于15°；

利用CFD分析软件对网格划分后的叶轮模型进行三维粘性数值模拟，分析叶轮效率、工况范围、叶轮流场；

综合判断所述叶轮效率是否大于或者等于预设效率阈值，所述工况范围是否大于或者等于预设工况范围阈值，且所述叶轮流场是否符合预设叶轮流场设计要求；

若否，则调整子午流道和所述叶片型线的匹配，修改叶片beta角分布、叶片厚度分布、子午型线、重新利用CFD分析并反复迭代，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮，所述叶轮为低摩阻楔形叶轮；

其中，所述预设叶轮流场设计要求包括叶轮在不同叶高截面上的流动无明显分离；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；叶片压力面和吸力面上的载荷分布变化均匀。

基于上述所示方法，本发明实施例还提供了一种设计所述的流量系数 0.007单轴CO2压缩机末段模型级中的叶轮装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

根据预设叶轮直径D2和预设叶轮轮毂比ds/D2，计算轮毂直径ds；

依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0；

根据所述ds、所述b2、所述D0和预定义的叶轮盖侧子午型线，确定叶轮的子午流道初步造型；

根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型；

根据所述子午流道初步造型和所述叶片型线初步造型，初步确定叶轮；

对得到的叶轮进行建模，并对叶轮进出口长度进行延长处理；

对得到的叶轮模型进行三维结构化网格划分，以保证壁面第一层网格的Yplus值大于或者等于1，同时网格的长宽比大于或者等于3000，延展比大于或者等于3，网格的最小正交性大于15°；

利用CFD分析软件对网格划分后的叶轮模型进行三维粘性数值模拟，分析叶轮效率、工况范围、叶轮流场；

综合判断所述叶轮效率是否大于或者等于预设效率阈值，所述工况范围是否大于或者等于预设工况范围阈值，且所述叶轮流场是否符合预设叶轮流场设计要求；

若否，则调整子午流道和所述叶片型线的匹配，修改叶片beta角分布、叶片厚度分布、子午型线、重新利用CFD分析并反复迭代，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮，所述叶轮为低摩阻楔形叶轮；

其中，所述预设叶轮流场设计要求包括叶轮在不同叶高截面上的流动无明显分离；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；叶片压力面和吸力面上的载荷分布变化均匀。

本发明实施例还提供如下技术方案：

A1、一种流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，包括：所述模型级位于压缩机内，包括叶轮(1)、叶片扩压器(2)、弯道(3)及回流器(4)，其中，所述叶轮(1)为根据特定叶片厚度参考规则设计的低摩阻楔形叶轮、所述叶轮(1)位于模型级的入口位置；在所述叶轮(1)的出口设有所述叶片扩压器(2)，所述回流器(4)位于模型级的出口位置，所述叶片扩压器(2)与所述回流器(4)之间通过所述弯道(3)相连通；所述模型级的机器马赫数 Mu2＝0.6～0.9，流量系数Φ1＝0.007，设计点能头系数τ＝0.62，各马赫数下多变效率ηpol＝0.66～0.665，应用的流量范围为设计点的73％-139％。

A2、如A1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，所述末段模型级的叶轮轮毂比ds/D2＝0.453，ds为轮毂直径、D2为所述叶轮(1) 的叶轮出口直径。

A3、如A1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，所述叶轮(1)为闭式的二元叶轮，二元叶轮的基本参数如下：

叶轮出口直径D2＝450mm，叶片数Z1＝11，叶轮相对出口宽度 b2/D2＝0.0241，为所述叶轮(1)的叶轮出口宽度；所述二元叶轮靠近轮盖和轮盘侧叶片进口安装角β1As和β1Ah均为17°，所述二元叶轮靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β2As和β2Ah均为24°，叶轮叶片进口厚度为4mm，叶轮叶片出口厚度为14mm。

A4、如A1或A3任一项所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，

所述叶轮(1)的轮盖侧和轴盘侧的子午流道均由一段圆弧以及与其相切的两直线段构成，所述叶轮(1)的压力面和吸力面的叶片载荷最大位置位于 30％叶片长度处。

A5、如A1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，

所述叶片扩压器(2)叶片采用全高短叶片，所述叶片扩压器(2)靠近轮盖和轮盘侧叶片进口安装角β3As和β3Ah均为8°，所述叶片扩压器(2) 靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β4As和β4Ah均为19°，扩压度为5.83。

A6、如A1或A5任一项所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，

所述叶片扩压器(2)的进口宽度与所述叶轮(1)的叶轮出口宽度的比b3/b2＝0.833，所述叶片扩压器(2)的出口宽度与进口宽度的比 b4/b3≈0.826，所述叶片扩压器(2)的入口相对位置D3/D2＝1.067,所述叶片扩压器(2)的出口相对位置D4/D2＝1.45，D2为叶轮出口直径，D3为所述叶片扩压器(2)进口直径，D4为所述叶片扩压器(2)的出口直径。

A7、如A1或A5任一项所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，

所述叶片扩压器(2)的轴盘侧的子午型线由一段直线构成，且盖盘侧的子午型线是由一段圆弧以及其它三段直线构成；其中，轴盘侧的子午型线垂直于轴向。

A8、如A1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，

所述弯道(3)的进出口宽度比b5/b4＝1.23，所述b5为所述弯道(3)的出口宽度，所述b4为所述叶片扩压器(2)的出口宽度。

A9、如A1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，所述回流器(4)的叶片为全高香蕉翼型叶片，叶片数Z2＝18，叶片的入口相对位置D5/D2＝1.432，入口安装角为22°，叶片出口相对位置D6/D2＝0.75，出口安装角为102°，所述D5为所述回流器(4)的叶片入口直径，所述D6为所述回流器(4)的叶片出口直径。

A10、如A1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，所述回流器(4)的轮盖侧子午型线为一倾斜直线段，所述回流器(4)的入口段与所述弯道(3)的轮盖侧圆弧相切；轴盘侧子午型线为一竖直直线段，入口段与所述弯道(3)轴盘侧圆弧相切；所述回流器(4)的出口段盖盘侧和轴盘侧均由一段圆弧及与其相切的直线段组成。

B11、一种设计如A1-A10任一项所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中的叶轮方法，

根据预设叶轮直径D2和预设叶轮轮毂比ds/D2，计算轮毂直径ds；

依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0；

根据所述ds、所述b2、所述D0和预定义的叶轮盖侧子午型线，确定叶轮的子午流道初步造型；

根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型；

根据所述子午流道初步造型和所述叶片型线初步造型，初步确定叶轮；

对得到的叶轮进行建模，并对叶轮进出口长度进行延长处理；

对得到的叶轮模型进行三维结构化网格划分，以保证壁面第一层网格的Yplus值大于或者等于1，同时网格的长宽比大于或者等于3000，延展比大于或者等于3，网格的最小正交性大于15°；

利用CFD分析软件对网格划分后的叶轮模型进行三维粘性数值模拟，分析叶轮效率、工况范围、叶轮流场；

综合判断所述叶轮效率是否大于或者等于预设效率阈值，所述工况范围是否大于或者等于预设工况范围阈值，且所述叶轮流场是否符合预设叶轮流场设计要求；

若否，则调整子午流道和所述叶片型线的匹配，修改叶片beta角分布、叶片厚度分布、子午型线、重新利用CFD分析并反复迭代，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮，所述叶轮为低摩阻楔形叶轮；

其中，所述预设叶轮流场设计要求包括叶轮在不同叶高截面上的流动无明显分离；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；叶片压力面和吸力面上的载荷分布变化均匀。

B12、如B11所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中的叶轮方法，所述依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0，具体包括：

利用叶轮入口绝对速度c1、叶轮入口圆周速度u1和β1A＝tan^-1c1/u1+i，确定叶片进口安装角β1A；

利用叶轮出口径向流量系数周速系数和确定叶轮出口安装角β2A；

利用叶轮入口质量流量G、叶轮出口阻塞系数τ2、叶轮出口比容比kv2、叶轮出口圆周速度u2、所述D2、叶轮入口流体密度ρi、所述和预设叶轮出口宽度计算公式，计算叶轮出口宽度b2；

利用所述ds、所述D2、所述τ2、所述所述kv2、速度系数kc、叶轮进口比容比kv0、直径比KD和预设叶轮进口宽度计算公式，计算叶轮进口宽度D0；

其中，所述τ2的计算公式为：

所述预设叶轮出口宽度计算公式为：

所述预设叶轮进口宽度计算公式为：

B13、如B11所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中的 叶轮方法，所述根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1， 确定叶轮的叶片型线初步造型，具体包括：

根据叶片角度沿子午流向呈多项式变化分布、叶片厚度沿子午流向呈多项式变化分布、所述β1A、所述β2A、所述d2和预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型，其中，所述叶片角度的最大值位置在40％叶片长度处、叶片厚度的最大值位置在80％叶片长度处。

B14、如B11-B13任一项所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中的叶轮方法，所述预定义的叶轮盖侧子午型线为一条倾斜直线。

C15、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据预设叶轮直径D2和预设叶轮轮毂比ds/D2，计算轮毂直径ds；

依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0；

根据所述ds、所述b2、所述D0和预定义的叶轮盖侧子午型线，确定叶轮的子午流道初步造型；

根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型；

根据所述子午流道初步造型和所述叶片型线初步造型，初步确定叶轮；

对得到的叶轮进行建模，并对叶轮进出口长度进行延长处理；

对得到的叶轮模型进行三维结构化网格划分，以保证壁面第一层网格的Yplus值大于或者等于1，同时网格的长宽比大于或者等于3000，延展比大于或者等于3，网格的最小正交性大于15°；

利用CFD分析软件对网格划分后的叶轮模型进行三维粘性数值模拟，分析叶轮效率、工况范围、叶轮流场；

综合判断所述叶轮效率是否大于或者等于预设效率阈值，所述工况范围是否大于或者等于预设工况范围阈值，且所述叶轮流场是否符合预设叶轮流场设计要求；

若否，则调整子午流道和所述叶片型线的匹配，修改叶片beta角分布、叶片厚度分布、子午型线、重新利用CFD分析并反复迭代，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮，所述叶轮为低摩阻楔形叶轮；

其中，所述预设叶轮流场设计要求包括叶轮在不同叶高截面上的流动无明显分离；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；叶片压力面和吸力面上的载荷分布变化均匀。

D16、一种设计如A1-A10任一项所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级中的叶轮装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

根据预设叶轮直径D2和预设叶轮轮毂比ds/D2，计算轮毂直径ds；

依据预设叶轮叶片出口厚度d2和一维热力计算结果，确定叶片进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A、叶轮出口宽度b2、叶轮进口宽度D0；

根据所述ds、所述b2、所述D0和预定义的叶轮盖侧子午型线，确定叶轮的子午流道初步造型；

根据所述β1A、所述β2A、所述d2、预设叶轮叶片进口厚度d1，确定叶轮的叶片型线初步造型；

根据所述子午流道初步造型和所述叶片型线初步造型，初步确定叶轮；

对得到的叶轮进行建模，并对叶轮进出口长度进行延长处理；

对得到的叶轮模型进行三维结构化网格划分，以保证壁面第一层网格的Yplus值大于或者等于1，同时网格的长宽比大于或者等于3000，延展比大于或者等于3，网格的最小正交性大于15°；

利用CFD分析软件对网格划分后的叶轮模型进行三维粘性数值模拟，分析叶轮效率、工况范围、叶轮流场；

综合判断所述叶轮效率是否大于或者等于预设效率阈值，所述工况范围是否大于或者等于预设工况范围阈值，且所述叶轮流场是否符合预设叶轮流场设计要求；

若否，则调整子午流道和所述叶片型线的匹配，修改叶片beta角分布、叶片厚度分布、子午型线、重新利用CFD分析并反复迭代，直到得到所述叶轮效率大于或者等于预设效率阈值、所述工况范围大于或者等于预设工况范围阈值、且所述叶轮流场符合预设叶轮流场设计要求的叶轮，所述叶轮为低摩阻楔形叶轮；

其中，所述预设叶轮流场设计要求包括叶轮在不同叶高截面上的流动无明显分离；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；叶片压力面和吸力面上的载荷分布变化均匀。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示例一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的离心压缩机设计装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。