流量系数0.02管线压缩机模型级及叶轮设计方法技术

本发明专利技术提供流量系数0.02管线压缩机模型级，包括叶轮、无叶扩压器、弯道及回流器，轮位于模型级的入口位置，在叶轮的出口设有无叶扩压器，回流器位于模型级的出口位置，无叶扩压器与回流器通过弯道相连通；模型级的机器马赫数Mu2＝0.35～0.65，设计点流量系数Φ1＝0.02，设计点能头系数τ＝0.53，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpcl＝0.82～0.85，应用的流量范围为设计点的60％‑150％。还提供该模型级叶轮的设计方法。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，同时可以降低转子工作转速，缩小轴承跨距，提高转子的稳定性。

Flow coefficient 0.02 pipeline compressor model level and impeller design method

The invention provides a flow coefficient of 0.02 pipeline compressor model, including impeller, vaneless diffuser, bend and return device, entrance position wheel located in the level of the model, a vaneless diffuser in the impeller, which is located in the return level of the model export position, vaneless diffuser and back flow device is communicated through the corners; Maher machine model level number Mu2 = 0.35 ~ 0.65, the design point flow coefficient Phi 1 = 0.02, design head coefficient r = 0.53, the Maher number of flow coefficient under the condition of changeable design efficiency PCL = 0.82 ~ 0.85, the application range of the design flow of the 60% 150%. The design method of the model stage impeller is also provided. The invention of the model level of high efficiency, high coefficient, head hub ratio, the smaller span, the efficiency of the model can make light medium compressor has high and wide range of working conditions, at the same time can reduce the rotor speed, reduce the bearing span and improve the stability of the rotor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压缩机
，特别涉及一种流量系数0.02管线压缩机模型级及叶轮设计方法。
技术介绍
管线压缩机是西气东输国家重点工程的关键设备，在其研发过程中，模型级的设计非常关键，新产品的研发依赖于与之相对应的模型级。现有管线模型级存在轮毂比小、轴向跨距大、效率低等缺点，所以在产品设计的过程中转轴轴径小、轴长，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
为了解决现有管线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0.02管线压缩机模型级及其叶轮设计方法，使管线压缩机产品机组效率得以显著提高，减少机组的功耗。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种流量系数0.02管线压缩机模型级，包括叶轮1、无叶扩压器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的出口设有无叶扩压器2，所述回流器4位于模型级的出口位置，无叶扩压器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＝0.35～0.65，设计点流量系数Φ1＝0.02，设计点能头系数τ＝0.53，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpcl＝0.82～0.85，能应用的流量范围为设计点的60％-150％。本专利技术还提供一种流量系数0.02管线压缩机模型级中叶轮的设计方法，其包括：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；根据叶轮轮毂比ds/D2及给定的叶轮直径确定轮毂直径；通过进口相对速度w1最小的原则计算叶轮进口直径D0；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；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；对CFD分析所得的叶轮流场结果进行分析，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、子午型线和CFD分析的反复迭代，最终使得所得的叶轮流场满足设计要求；所述设计要求包括叶轮在叶高截面上，叶轮在流道中间的流动无流动分离；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；压力面和吸力面的叶片的相对速度近似呈橄榄型分布。进一步地，所述网格划分是在网格划分过程中，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°。进一步地，所述叶轮在叶高截面上，叶轮在流道中间的流动无流动分离是叶轮在10％、50％、90％叶高截面上，叶轮在流道中间的流动无流动分离。进一步地，所述叶轮的出口气流角分布均匀是平均出口气流角17～25°，其中，出口气流角波动范围小于5°。进一步地，所述出口静压分布均匀是指波动范围在出口静压的2％以内。进一步地，所述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。本专利技术提供的管线压缩机专用模型级，效率高、能头系数高、轮毂比大，跨距小，采用本专利技术的模型级可以使得管线压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，同时可以降低转子工作转速，缩小轴承跨距，提高转子的稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例提供的流量系数0.02管线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0.02管线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0.02管线压缩机模型级回流器进出口角示意图；图4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5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6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7为本专利技术实施例提供的子午流道相对速度分布图；图8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判断依据图；图9为本专利技术实施例提供的沿轴向相对位置的叶轮出口静压分布判断依据图；图10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11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12为本专利技术实施例提供的沿轴向相对位置的叶轮出口静压分布图；图13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14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15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16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17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18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19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。具体实施方式参见图1，本专利技术实施例提供的一种流量系数0.02管线压缩机模型级，适用于管线压缩机及其它轻介质压缩机产品的模化设计，包括叶轮1、无叶扩压器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的出口设有无叶扩压器2，回流器4位于模型级的出口位置，无叶扩压器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＝0.35～0.65，设计点流量系数Φ1＝0.02，设计点能头系数τ＝0.53，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpcl＝0.82～0.85，能应用的流量范围为设计点的60％-150％。具体性能曲线如图17～19所示。该流量系数0.02管线压缩机模型级的轮毂比ds/D2很大，ds/D2＝0.40。比一般的模型级轮毂比ds/D2＝0.34提高约18％，这可以极大的提高使用该模型级的转子的稳定性。在一实施例中，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＝450mm，叶片数Z＝17，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均为20.8°，叶轮1靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β2As和β2Ah均为30.2°。叶轮1的轮盖侧和轴盘侧的子午流道分别由两段圆弧相切而成，且两段圆弧分别相切于两直线段。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4～图6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7所示。3、叶轮1出口气流角分布均匀，波动范围小于5度，如图11所示。4、叶轮1出口静压分布均匀性好，波动范围在出口静压的2％以内，如图12所示。5、该叶轮的多变效率很高，叶轮出口处的多变效率可达94.5％。在一实施例中，无片扩压器2的轮盖和轴盘侧的子午型线均由一段直线构成；其中，轴盘侧的子午型线垂直于轴向。无片扩压器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无叶扩压器2；同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流量系数0.02管线压缩机模型级，其特征在于：包括叶轮(1)、无叶扩压器(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)的出口设有无叶扩压器(2)，所述回流器(4)位于模型级的出口位置，无叶扩压器(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＝0.35～0.65，设计点流量系数Φ1＝0.02，设计点能头系数τ＝0.53，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpcl＝0.82～0.85，能应用的流量范围为设计点的60％‑150％。

【技术特征摘要】
1.一种流量系数0.02管线压缩机模型级，其特征在于：包括叶轮(1)、无叶扩压器(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)的出口设有无叶扩压器(2)，所述回流器(4)位于模型级的出口位置，无叶扩压器(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＝0.35～0.65，设计点流量系数Φ1＝0.02，设计点能头系数τ＝0.53，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率ηpcl＝0.82～0.85，能应用的流量范围为设计点的60％-150％。2.根据权利要求1所述的流量系数0.02管线压缩机模型级，其特征在于：所述流量系数0.02管线压缩机模型级的叶轮轮毂比ds/D2＝0.40，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0.02管线压缩机模型级，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＝450mm，叶片数Z＝17，叶轮相对出口宽度b2为叶轮出口宽度，该叶轮靠近轮盖和轮盘侧叶片进口安装角β1As和β1Ah均为20.8°，叶轮靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β2As和β2Ah均为30.2°。4.根据权利要求1所述流量系数0.02管线压缩机模型级，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由两段圆弧相切而成，且两段圆弧分别相切于两直线段；所述无片扩压器(2)的轮盖和轴盘侧的子午型线均由一段直线构成；所述轴盘侧的子午型线垂直于轴向。5.根据权利要求1所述流量系数0.02管线压缩机模型级，其特征在于：所述无片扩压器(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约为0.963，所述：b2为叶轮出口宽度，b3为扩压器进口宽度，b4为扩压器出口宽度。6.根据权利要求1所述的流量系数0.02管线压缩机模型级，其特征在于：所述无片扩压器(2)入口相对位置出口相对位置所述D2为叶轮直径，D3为扩压器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，卢傅安，孙洋，杨树华，孙玉莹，李云，孙昊强，曾鸣，李寅杰，徐涛，赵扬，
申请(专利权)人：沈阳透平机械股份有限公司，沈阳鼓风机集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21