流量系数0.07轻介质高能头压缩机模型级及设计方法与流程

本发明涉及压缩机技术领域，特别涉及一种流量系数0.07轻介质高能头压缩机模型级及模型级设计方法。

背景技术：

轻介质高能头压缩机普遍应用于甲醇(出口压力90公斤以下)和化肥装置(出口压力150-160公斤)中，每年市场上约有20-30多套合成气机组，需求量大，同时其工业产品又是影响民生的关键产品，模型及设计的优劣，影响这装置机组的性能，运行稳定性及能耗。

目前现有轻介质压缩机模型级效率较低。同时现有模型级轮毂比较小，当级数较多时不利于转子的稳定性，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：

为了解决现有轻介质压缩机模型级存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种流量系数0.07轻介质高能头压缩机模型级及设计方法，使轻介质压缩机产品机组性能和运转稳定性得以显著提高，减少机组的能耗。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种流量系数0.07轻介质高能头压缩机模型级，包括叶轮1、叶片扩压器2、弯道3及回流器4，其中叶轮1位于模型级的入口位置，在叶轮1的出口设有叶片扩压器2，所述回流器4位于模型级的出口位置，叶片扩压器2与回流器4之间通过弯道3相连通；所述模型级的机器马赫数Ma2＝0.2-0.65，设计点流量系数Φ1＝0.07，设计点能头系数τ＝0.69，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpol＝0.882，能应用的流量范围为设计点的0.65～1.67。

本发明还提供一种流量系数0.07轻介质高能头压缩机模型级的设计方法，其包括：

步骤10、通过一维热力设计，获得子午流道宽度以及叶轮基本参数，包括叶轮进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A，以及叶轮出口宽度b2；

步骤20、根据叶轮轮毂比ds/D2及给定的叶轮直径确定轮毂直径；

步骤30、通过进口相对速度w1最小的原则计算叶轮进口直径D0；

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；

步骤50、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；

步骤60、通过对截取的叶轮流场由轮盘至轮盖方向不同截面的流速矢量图、截取的叶轮子午方向的流速矢量图及截取的叶轮压力面和吸力面的叶片的相对速度图对叶轮流场进行分析，若所得的叶轮流场满足第一设计条件，则认为设计完成；若流场不满足第一设计条件，则针对流场存在的问题进行相应的几何修正，并重复步骤50进行CFD分析，直至所得的叶轮流场满足设计条件；

步骤70、首先对叶片扩压器进行初始设计，根据步骤60中CFD计算所得到的叶轮的出口气流角β2确定叶片扩压器进口安装角α3A，设定叶片扩压器出口安装角α4A，确定叶片扩压器进口宽度b3和出口宽度b4等于叶轮出口宽度b2，并对叶片扩压器进行初步造型，将所得到的模型级流道三维模型进行网格划分，然后导入CFD分析软件，利用步骤60中所得到的叶轮的出口流场情况为初始条件，采用Spalart-Allmaras湍流模型对叶轮和扩压器造型进行3D连续粘性流场分析，对所得到的CFD分析的流场结果进行分析，得到叶片扩压器流道中间在轮盘至轮盖的不同高度截面上的流动速度矢量分布图、得到叶片扩压器子午流道的速度矢量分布图及叶片扩压器出口气流角分布图，并分析是否满足第二设计条件，若不满足，则对叶片扩压器几何参数进行修正，重新进行CFD分析计算；

步骤80、根据叶片扩压器出口气流角，对弯道及回流器叶片进行初始设计，确定回流器进口安装角α5A、出口安装角α6A，回流器进口宽度b5、出口宽度b6、回流器进口位置直径D5及出口位置直径D6，并对回流器进行初步造型，导入CFD分析软件，采用Spalart-Allmaras湍流模型对叶轮、扩压器、弯道及回流器进行3D连续粘性流场分析，根据流场分析结果进行回流器叶片型线的修正，并导入CFD分析软件进行反复迭代，若所得的弯道(3)、回流器(4)流场满足第三设计条件，则设计完成。

本发明提供的流量系数0.07轻介质高能头压缩机模型级，效率高、能头系数高、轮毂比大，跨距小的特点，采用本发明的模型级可以使得轻介质压缩机具有较高的运行效率和能头系数，同时整机转子具有更短的轴承跨距和较高的运行稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的流量系数0.07轻介质高能头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0.07轻介质高能头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0.07轻介质高能头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0.07轻介质高能头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叶轮10％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50％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90％叶高截面相对速度分布图；

图8为本发明实施例提供的子午流道相对速度分布图；

图9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10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11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12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13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14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15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16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17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18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。

图19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20为本发明实施例提供的叶片扩压器出口气流角沿叶高方向的分布图。

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0.07轻介质高能头压缩机模型级，适用于轻介质压缩机产品的模化设计，包括叶轮1、叶片扩压器2、弯道3及回流器4，其中叶轮1位于模型级的入口位置，在叶轮1的出口设有叶片扩压器2，回流器4位于模型级的出口位置，叶片扩压器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Ma2＝0.2-0.65，设计点流量系数Φ1＝0.07，设计点能头系数τ＝0.69，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpol＝0.882，能应用的流量范围为设计点的0.65～1.67。具体性能曲线如图16～18所示。

该流量系数0.07轻介质高能头压缩机模型级的轮毂比ds/D2很大，ds/D2＝0.39。比一般的模型级轮毂比ds/D2＝0.34提高约16％，这可以极大的提高使用该模型级的转子的稳定性。

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＝500mm，叶片数Z＝19，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分别为16°和22°，叶轮1靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β2As和β2Ah均为58°，所述β1As、β1Ah、β2As、β2Ah定义如图2所示。叶轮1的轮盖侧和轴盘侧的子午流道均为样条曲线。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5～图7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8所示。3、该叶轮的多变效率很高，叶轮出口处的多变效率可达96.2％。

叶片扩压器2的基本参数如下：叶片扩压器的轮盖和轴盘侧的子午型线均由一段直线构成；叶片扩压器2入口相对位置出口相对位置叶片数Z＝13；叶片扩压器2进口安装角α3＝26°，出口安装角α4＝29°，所述α3及α4定义如图3所示；轴盘侧的子午型线垂直于轴向。叶片扩压器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叶片扩压器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为1。该设计可以很好的匹配叶轮出口处的流场，抑制扩压器盖盘侧的流动分离，减小叶片扩压器2内的流动损失。如图10～图12所示，该叶片扩压器上没有流动分离。该扩压器出口的多变效率很高，叶轮出口处的多变效率可达93.6％。

在一实施例中，弯道3的进出口宽度比b5/b4为1.1。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8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＝1.4，入口安装角为α5A＝21.5°，叶片出口相对位置D6/D2＝0.7，出口安装角为α6A＝95.6°，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13～图15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0.07轻介质高能头压缩机模型级的整级设计方法，具体包括：

步骤10、通过一维热力设计，获得叶轮进口安装角β1A、叶轮出口安装角β2A，以及叶轮出口宽度b2；

β1A＝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：

qvin——进口体积流量

D2——叶轮外径

Kv2——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＝0.39)及给定的叶轮直径(例如，给定D2＝500mm)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

Kv2——叶轮出口比容比

——流量系数叶轮出口径向流量系数

Kc——速度系数

τ2——叶片出口阻塞系数

Kv0——叶轮进口比容比

KD——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19。

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、对CFD分析所得的叶轮内部流场结果进行分析，即：通过对截取的叶轮流场由轮盘至轮盖方向不同截面的流速矢量图、截取的叶轮子午方向的流速矢量图及截取的叶轮压力面和吸力面的叶片的相对速度图对叶轮流场进行分析，若所得的叶轮流场满足第一设计条件，则认为设计完成。若流场不满足第一设计条件，则针对流场存在的问题进行相应的几何修正，并重复步骤50进行CFD分析，直至所得的叶轮流场满足设计条件。满足第一设计条件为：叶轮1在轮盘至轮盖的高度方向10％、50％、90％截面上，流道中间的流动没有任何流动分离。如图5～图7所示；II叶轮1的子午流道上也没有任何的流动分离。如图8所示；III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9所示。

步骤70、首先对叶片扩压器进行初始设计，根据步骤60中CFD计算所得到的叶轮的出口气流角β2确定叶片扩压器进口安装角α3A，设定叶片扩压器出口安装角α4A为30°(经过大量的试验，设定角度为30°，能大大减小扩压器出口气流对回流器入口的冲击)，确定叶片扩压器进口宽度b3和出口宽度b4等于叶轮出口宽度b2(经过大量的试验，经过如此设置可以保证流动顺畅，)，并对叶片扩压器进行初步造型，将所得到的模型级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°)，然后导入CFD分析软件，利用步骤60中所得到的叶轮的出口流场情况为初始条件，采用Spalart-Allmaras湍流模型对叶轮和扩压器造型进行3D连续粘性流场分析，从而得到叶片扩压器流道中间在轮盘至轮盖的不同高度截面上的流动速度矢量分布图、得到叶片扩压器子午流道的速度矢量分布图及叶片扩压器出口气流角分布图；对得到的叶片扩压器流道中间在轮盘至轮盖的不同高度截面上的流动速度矢量分布图、叶片扩压器子午流道的速度矢量分布图及叶片扩压器出口气流角分布图进行分析，若以上三个方面同时满足以下三个设计条件，则认为设计完成，若不满足，则对叶片扩压器几何参数进行修正，重新进行CFD分析计算。满足设计条件为：(1)叶片扩压器2在轮盘至轮盖的高度方向10％、50％、90％截面上，流道中间的流动没有任何流动分离。如图10～图12所示；(2)叶片扩压器2的子午流道上也没有任何的流动分离。如图8所示；(3)叶片扩压器出口气流角度在25°到40°之间，如图20所示。这样确保扩压器的扩压作用，同时减小了扩压器出口气流对回流器的冲击。这样使得设计者可以直接获取扩压器流道内部的流动情况，并且有针对性的对叶片扩压器的几何参数进行修正，快速高效的对叶片扩压器进行设计。同时，采用非定常计算分析方法，分析得到叶轮与叶片扩压器之间非定常的相互作用力，为减小扩压器和叶轮因其相互作用力而被破坏的风险，确定了叶片扩压器的入口直径D3和叶轮直径D2的比值为115％。

步骤80、根据叶片扩压器出口气流角，对弯道及回流器叶片进行初始设计，确定回流器进口安装角α5A为21.5°、出口安装角α6A为95.6°，回流器进口宽度b5、出口宽度b6，以及回流器进口位置D5、出口位置D6。并对回流器进行初步造型，导入CFD分析软件，采用Spalart-Allmaras湍流模型对叶轮、扩压器、弯道及回流器进行3D连续粘性流场分析，根据流场分析结果进行回流器叶片型线的修正，并导入CFD分析软件进行反复迭代，若所得的弯道3、回流器4流场满足第三设计条件，则认为设计完成。满足第三设计条件为：I回流器4在轮盘至轮盖的高度方向10％、50％、90％截面上，流道中间的流动没有任何流动分离。如图13～图15所示；II弯道3、回流器4的子午流道上也没有任何的流动分离。如图8所示。

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。