流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级及设计方法技术

本发明专利技术提供流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，包括叶轮、叶片扩压器、弯道及回流器，叶轮位于模型级的入口位置，在叶轮的出口设有叶片扩压器，回流器位于模型级的出口位置，叶片扩压器与回流器通过弯道相连通；模型级的机器马赫数Ma2＝0.2‑0.65，设计点流量系数Φ1＝0.0298，设计点能头系数τ＝0.71，设计流量系数工况下的多变效率ηpcl＝0.8383，应用的流量范围为设计点的0.75～1.47。还提供该模型级的设计方法。本发明专利技术的模型级效率高、能头系数高、轮毂比大，跨距小，采用该模型级可以使得轻介质压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，同时有助于降低转子工作转速，缩短轴承跨距，提高转子的稳定性。

Model and design method of discharge coefficient 0.0298 for light medium high energy head compressor

The invention provides a model stage of a light medium high energy head compressor with a flow coefficient of 0.0298, including an impeller, a vane diffuser, a bend and a recirculator. The impeller is located at the inlet position of the model stage, the outlet of the impeller is provided with a vane diffuser, the recirculator is located at the outlet position of the model stage, and the vane diffuser is connected with the recirculator through a bend. Ma2 = 0.2_0.65, design point flow coefficient_1 = 0.0298, design point energy coefficient_ = 0.71, multi-efficiency_pcl = 0.8383 under design flow coefficient condition, and the application flow range is from 0.75 to 1.47. This model level design method is also provided. The model stage of the invention has high efficiency, high energy head coefficient, large hub ratio and small span. The adoption of the model stage can make the light medium compressor have higher operation efficiency and wider operating range, at the same time help to reduce the rotor working speed, shorten the bearing span and improve the stability of the rotor.

【技术实现步骤摘要】
流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级及设计方法
本专利技术涉及压缩机
，特别涉及一种流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级及模型级设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决现有轻介质压缩机模型级存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种流量系数0.0298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，本专利技术提供了一种流量系数0.0298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＝0.0298，设计点能头系数τ＝0.71，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpol＝0.8383，能应用的流量范围为设计点的0.75～1.47。本专利技术还提供一种流量系数0.0298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。本专利技术提供的流量系数0.0298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，采用本专利技术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为本专利技术实施例提供的流量系数0.0298轻介质高能头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0.0298轻介质高能头压缩机模型级叶轮进出口角示意图；图3为本专利技术实施例提供的流量系数0.0298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为本专利技术实施例提供的流量系数0.0298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6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7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8为本专利技术实施例提供的子午流道相对速度分布图；图9为本专利技术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11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12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13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14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15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16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17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18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。图19为本专利技术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为本专利技术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，本专利技术实施例提供的一种流量系数0.0298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＝0.0298，设计点能头系数τ＝0.71，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpol＝0.8383，能应用的流量范围为设计点的0.75～1.47。具体性能曲线如图16～18所示。该流量系数0.0298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叶片进口安装角β1A为22°，叶轮1出口叶片角β2A为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：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

【技术特征摘要】
1.一种流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：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设计点流量系数Φ1＝0.0298，设计点能头系数τ＝0.71，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpol＝0.8383，能应用的流量范围为设计点的0.75～1.47。2.根据权利要求1所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级的叶轮轮毂比ds/D2＝0.39，所述ds为轮毂直径、D2为叶轮外径。3.根据权利要求1所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：所述叶轮(1)为闭式的三元叶轮，三元叶轮的基本参数如下：叶轮(1)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，该叶轮叶片进口安装角β1A为22°，叶轮出口叶片角β2A为54.1°。4.根据权利要求1所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：所述叶轮(1)的轮盖侧和轴盘侧的子午流道分别为样条曲线。5.根据权利要求1所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：所述叶片扩压器(2)的叶片的基本参数如下：叶片扩压器(2)入口相对位置出口相对位置叶片数Z＝13，为叶轮出口宽度，该叶片进口安装角α3A为26°，该叶片出口安装角α4A为29°，所述D2为叶轮直径，D3为叶片扩压器进口位置的直径，D4为叶片扩压器出口位置的直径。6.根据权利要求1所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：所述叶片扩压器(2)进口宽度和叶轮(1)出口宽度的比b3/b2为1，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，所述b2为叶轮出口宽度，b3为叶片扩压器进口宽度，b4为叶片扩压器出口宽度。7.根据权利要求1所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：所述弯道(3)的进出口宽度比b5/b4为1.14，所述b5为弯道出口宽度。8.根据权利要求1所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：所述回流器(4)叶片采用全高翼型香蕉叶片，叶片数为Z＝24，叶片入口相对位置D5/D2＝1.4，入口安装角为21.5°，叶片出口相对位置D6/D2＝0.7，出口安装角为95.6°，所述D4为回流器叶片出口位置的直径，D5为回流器叶片入口位置的直径，所述D6为回流器叶片出口位置的直径。9.一种设计权利要求1-8任一项所述的流量系数0.0298轻介质高能头压缩机模型级设计方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树华，卢傅安，孙博，刘长胜，孙昊强，孙玉莹，程健，胡杰，
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