流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级及叶轮设计方法技术

本发明专利技术公开了一种流量系数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。所述模型级包括：叶轮、叶片扩压器、弯道及回流器，其中，所述叶轮为根据特定叶片厚度参考规则设计的低摩阻楔形叶轮、所述叶轮位于模型级的入口位置；在所述叶轮的出口设有所述叶片扩压器，所述回流器位于模型级的出口位置，所述叶片扩压器与所述回流器之间通过所述弯道相连通；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％。 1

【技术实现步骤摘要】
流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级及叶轮设计方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种流量系数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。依据本专利技术一个方面，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％。依据本专利技术另一个方面，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。本专利技术提供的流量系数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，采用本专利技术的模型级可以使得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，本专利技术提供的流量系数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。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。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，而并不认为是对本专利技术的限制。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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术实施例提供的沿流向叶轮叶片载荷分布示意图；图6为本专利技术实施例提供的叶轮10％叶高截面相对速度分布图；图7为本专利技术实施例提供的叶轮50％叶高截面相对速度分布图；图8为本专利技术实施例提供的叶轮90％叶高截面相对速度分布图；图9为本专利技术实施例提供的子午流道相对速度分布图；图10为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术实施例提供的回流器10％叶高截面相对速度分布图；图21为本专利技术实施例提供的回流器50％叶高截面相对速度分布图；图22为本专利技术实施例提供的回流器90％叶高截面相对速度分布图；图23为本专利技术实施例提供的不同马赫数下压比性能曲线示意图；图24为本专利技术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为本专利技术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，本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，其特征在于，包括：所述模型级位于

【技术特征摘要】
1.一种流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，其特征在于，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％。2.根据权利要求1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，其特征在于，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。4.根据权利要求1或3任一项所述的流量系数0.007单轴CO2压缩机末段模型级，其特征在于，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。5.一种设计权利要求1-4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，其特征在于，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。6.根据权利要求5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，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海伦，谭佳健，孙洋，张义，黄金芷，金伟楠，于晃，王键，
申请(专利权)人：沈阳透平机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21