一种大流量紧凑型离心压缩机级间加气方法与流程
本发明涉及离心压缩机领域，特别涉及新式紧凑型大流量离心压缩机级间加气方法。
背景技术：
在石油化工行业中，由于生产工艺的要求，经常需要在多级压缩机某两个或者多个中间级之间引入一股气流。最早期的加气工序是在压缩机末级进行，因而对整机运行状况影响不大。而如果需要在中间级进行加气，则不当的加气方式会严重破坏压缩机内部流场的均匀性，使加气段下一级的进口流动情况急剧恶化甚至产生畸变，直接影响下一级乃至多级的运行情况。由此产生了采用加气蜗室来改善加气流场的第一代加气方案。此类方案或基于均匀来流条件，变工况条件下性能较差，或采用较为复杂的设计和加工工艺，在大流量压缩机和对机组安装尺寸限制比较严格的情况下不能很好地满足设计要求。
目前采用径向进气室作为加气蜗壳的设计方案虽有应用，但是尚无相关的专利公开。而在中国发明专利CN104537173A中公开了一种在前一级弯道出口进行加气的设计方案。这种方案在需加气的叶轮前一级弯道出口处开一个环形口，并通过变截面蜗壳进行加气。
采用经向进气室作为加气蜗壳的应用方案大多只能安装在叶轮进口，而为了保证下级叶轮的进口气流均匀，则需要在进气室添加复杂的导向叶珊来进行整流，这样往往造成机组的轴向和径向尺寸大大增加。
CN104537173A中的方案采用弯道出口加气的方式，有效节约了机组的轴向尺寸空间，但为了减小添加气气流对回流器叶片的冲击，仍需要在进气蜗壳中添加导叶来保证气流均匀。这种方案会令加气蜗壳的安装高度上升，制造更加复杂，而且整个机组的径向尺寸也会相应增加。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，因此本发明提供了一种简单高效，且尺寸紧凑的加气设计方案，特别适用于对现有机组进行改装、添加加气装置。在所要解决的技术问题是在满足大流量离心压缩机级间加气需求的基础上，尽可能减小整机尺寸，在对现有多级离心压缩机进行加气改装的时候不需要对原始机组的轴向和径向空间做较大改动。同时提供一套更为简单高效的加气结构设计方案，缩短设计周期，简化生产工艺，节约材料，从而降低机组生产成本。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种大流量紧凑型离心压缩机级间加气方法，通过对加气气流流量，主气流和加气气流在回流器中流动以及混合段出口流场特性的综合分析，在回流器叶片中段进行加气。
采用上述技术方案，则可以省略加气蜗壳中对导向叶珊的需求，从而降低蜗壳生产成本。
作为本发明的具体方案可以优选为：还包括
S1，对加气位置的选择：选择在回流器导入口后方进行加气，选择开口高度R4∈（0.6R3，0.8R3）；
S2，测量开口处回流器叶片安装角α4，从开口处向下，将回流器通道加宽b0作为加气通道，b0=b4×Gmax/G0，其中Gmax为最大加气气流流量，G0为主气流质量流量，加宽处回流器叶片也同步加宽，且前缘做15°倾斜处理；
S3，通过CFD或者实验手段获取开口处的气流流速C4，或根据公式C4=（C1R1ρ1）/R4ρ4估算开口处主气流流速C4，其中C1为一级叶轮出口速度，R1为叶轮半径，ρ为气体密度，密度变化不计时，公式简化为C4=C1(R1/R4)，然后计算主气流径向分速度C4r=C4×sinα4，切向分速度C4t=C4×cosα4，其中Gmax为最大加气气流流量，G0为主气流质量流量，加宽处回流器叶片也同步加宽，且前缘做15°倾斜处理；
S4，基于等环量法设计矩形变截面蜗壳作为加气蜗壳。
由上可知，本加气设计方案尺寸紧凑，特别适用于对现有机组进行改装、添加加气装置。
作为本发明的具体方案可以优选为：在步骤S4中，首选确定蜗壳安装高度R，R≥（1.1*R4），加气蜗壳宽度b根据加气前后叶轮轴向间距确定，在不增大原始机型两级叶轮间距的基础上，进气蜗壳宽度b应充分利用两级叶轮间距，然后根据公式Re=b×exp[（ɸG）/（360ρRbC4t）]来计算360°环向蜗室截面的型线Re，其中，ρ为添加气密度，G为添加气质量流量，G∈（10%—25%）G0。
作为本发明的具体方案可以优选为：计算360°环向蜗室截面的型线Re中：选取45°为开始截面，每隔45°选取一个截面到360°为止，而0°截面到45°截面中间，则每隔15°选取一个界面，型线自15°到45°处依旧使用公式Re=b×exp[（ɸG）/（360ρRbC4t）]计算的外形线，但从0°到15°中间外形线不再变化，均采用15°处截面外形线高度R（ɸ=15°）。
采用上述技术方案，为简化计算，这样可以优化蜗舌处的气流流动情况，同时降低蜗舌前后截面加工难度。蜗壳进口截面面积与蜗室360°处截面相等，进口长度以伸出整机机壳为准，如有必要，可在360°截面处将进气流道偏转10°—30°但不建议。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
（1）、提出新的加气方案较之此前的加气方案拥有更灵活的加气口位置选择，为整机结构设计提供方便。
（2）、本发明中加气方案在保证的加气效率的同时省略了加气蜗壳对导叶的需求，大大简化了加气结构的设计和加工，从而降低生产成本。
（3）、本设计方案具有良好的流场特性，和变工况适应性，在整机运行过程中可灵活变动加气气流流量，而不会对下一级运行造成不良影响。
附图说明
图1为本实施例离心压缩机结构剖面图；
图2为本实施例的加气位置图；
图3为本实施例加气蜗壳设计图；
图4为图3中α4为开口处导叶安装角；
图5为加气蜗壳进气道许可最大偏转角示意图；
图6为加气结构示意图；
图7为加气口处加宽结构示意图。
图中：1、主气流叶轮；2、回流器叶片；3、加气蜗壳；4、加气开口；5、弯道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
其中
Gmax—最大加气气流流量（单位kg/s）
G0—主气流质量流量（单位kg/s）
G—加气气流质量流量（单位kg/s）
R—蜗壳安装高度半径（单位mm）
R1—前一级叶轮出口半径（单位mm）
R3—回流器叶片入口处半径（单位mm）
R4—开口处位置半径（单位mm）
R5—回流器叶片出口处半径（单位mm）
Re—加气蜗壳任意截面对应外形线半径（单位mm）
b—加气蜗壳蜗室宽度（单位mm）
b1—叶轮出口宽度（mm）
b2—弯道入口宽度（单位mm）
b0—加气通道宽度（单位mm）
b4—加气开口处回流器宽度（单位mm）
α4—加气开口处回流器导叶安装角（单位°）
α3—加气通道与回流器轮盖侧夹角（单位°）
ρ—气体密度（单位kg/m3）
C1—叶轮出口气流流速（单位m/s）
C4—加气开口处气流流速（单位m/s）
C4r—主气流径向分速度（单位m/s）
C4t—切向分速度（单位m/s）
ɸ—加气蜗壳截面（单位°）
如图1和图6两种实施方式所示，主气流叶轮1将气流输送到弯道5处，在弯道5的后方进行加气，从而设置加气蜗壳3，加气蜗壳3位置上设置有加气开口4。如图2所示：
（1）加气位置选择。为达到利用回流器导叶对加气气流进行引导，同时尽可能缩小整机径向尺寸的目，本发明选择在回流器导入口后方进行加气。首先确定具体位置为开口处高度R4∈（0.6R3,0.8R3）。
（2）选定开口处高度后，如图4所示，测量开口处回流器叶片安装角α4注意是开口处回流器叶片角度，而不是回流器叶片入口安装角α3，从开口处向下，如图7所示，将回流器通道加宽b0作为加气通道，b0=b4×Gmax/G0，其中Gmax为最大加气气流流量，G0为主气流质量流量。加宽处回流器叶片也同步加宽，且前缘做15°倾斜处理、如图所示。在满足实际加工壁厚要求的基础上，进气通道与回流器主流道夹角应尽可能减小，夹角最大不应超过15°。
（3）通过CFD或者实验手段获取开口处的气流流速C4，也可根据公式C4=（C1R1ρ1）/R4ρ4估算开口处主气流流速，其中C1上一级叶轮出口速度，R1叶轮半径，ρ为气流密度，密度变化不计时，公式简化为C4=（C1R1ρ1）/R4ρ4。然后计算主气流径向分速度C4r=C4×sinα4，切向分速度C4t=C4×cosα4。
（4）基于等环量法设计矩形变截面蜗壳作为加气蜗壳。首选确定蜗壳安装高度R，R≥（1.1*R4），加气蜗壳宽度b根据加气前后叶轮轴向间距确定，在不增大原始机型两级叶轮间距的基础上，进气蜗壳宽度b应充分利用两级叶轮间距。然后根据公式Re=b×exp[（ɸG）/（360ρRbC4t）]来计算360°环向蜗室截面的型线Re。其中，ρ为添加气密度，G为添加气质量流量，G∈（10%—25%）G0。为简化计算，建议选取45°为开始截面，每隔45°选取一个截面到360°为止，而0°截面到45°截面中间，则每隔15°选取一个界面，型线自15°到45°处依旧使用上述公式计算的外形线，但从0°到15°中间外形线不在变化，均采用15°处截面外形线高度R（ɸ=15°），这样可以优化蜗舌处的气流流动情况，同时降低蜗舌前后截面加工难度。蜗壳进口截面面积与蜗室360°处截面相等，进口长度以伸出整机机壳为准。如图5所示，如有必要，可在360°截面处将进气流道10°—30°但不建议。
如图3所示，从进气口进气，在主气流叶轮1的位置上进行加气。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
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