本發(fā)明涉及壓縮機技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級及葉輪設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

管線壓縮機是西氣東輸國家重點工程的關(guān)鍵設(shè)備，在其研發(fā)過程中，模型級的設(shè)計非常關(guān)鍵，新產(chǎn)品的研發(fā)依賴于與之相對應(yīng)的模型級。

現(xiàn)有管線模型級存在輪轂比小、軸向跨距大、效率低等缺點，所以在產(chǎn)品設(shè)計的過程中轉(zhuǎn)軸軸徑小、軸長，進而在產(chǎn)品臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性及軸的剛度等方面存在較大的問題，給產(chǎn)品設(shè)計帶來很大的困難。另外，機組的性能較國外同類產(chǎn)品低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有管線模型級存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級及其葉輪設(shè)計方法，使管線壓縮機產(chǎn)品機組效率得以顯著提高，減少機組的功耗。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級，其包括葉輪1、無葉擴壓器2、彎道3及回流器4，其中葉輪1位于模型級的入口位置，在葉輪1的出口設(shè)有無葉擴壓器2，所述回流器4位于模型級的出口位置，無葉擴壓器2與回流器4之間通過彎道3相連通；所述模型級的機器馬赫數(shù)M_u2＝0.35～0.65，設(shè)計點流量系數(shù)Φ₁＝0.0424，設(shè)計點能頭系數(shù)τ＝0.604，各馬赫數(shù)下設(shè)計流量系數(shù)工況下的多變效率η_pd＝0.86～0.864，能應(yīng)用的流量范圍為設(shè)計點的60％-150％。

本發(fā)明還提供一種流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級中葉輪的設(shè)計方法，其包括：

通過一維熱力設(shè)計，獲得葉輪進口安裝角β_1A、葉輪出口安裝角β_2A，以及葉輪出口寬度b2；

根據(jù)葉輪輪轂比ds/D2及給定的葉輪直徑確定輪轂直徑；

通過進口相對速度w₁最小的原則計算葉輪進口直徑D₀；

根據(jù)進出口葉片的Beta角呈線性變化分布而獲取葉片初步造型；

將所得到的葉輪的流道三維模型進行網(wǎng)格劃分；

將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入CFD分析軟件中，采用Spalart-Allmaras湍流模型對該葉輪進行3D粘性流場分析；分析的進口邊界條件為總溫、總壓，分析的出口邊界條件為質(zhì)量流量出口；

對CFD分析所得的葉輪流場結(jié)果進行分析，當(dāng)葉輪流場不符合設(shè)計要求時，則調(diào)整葉輪子午及葉片型線的匹配，通過修改葉片beta角分布、子午型線和CFD分析的反復(fù)迭代，最終使得所得的葉輪流場滿足設(shè)計要求；所述設(shè)計要求包括葉輪在葉高截面上，葉輪在流道中間的流動無流動分離；葉輪的子午流道上無流動分離；葉輪的出口氣流角分布均勻；出口靜壓分布均勻；壓力面和吸力面的葉片的相對速度近似呈橄欖型分布。進一步地，所述網(wǎng)格劃分是在網(wǎng)格劃分過程中，減小壁面的Yplus小于1，同時網(wǎng)格的長寬比小于2000，延展比小于3，網(wǎng)格的正交性大于15°。

進一步地，所述葉輪在葉高截面上，葉輪在流道中間的流動無流動分離是葉輪在10％、50％、90％葉高截面上，葉輪在流道中間的流動無流動分離。

進一步地，所述葉輪的出口氣流角分布均勻是平均出口氣流角17～25°，其中，出口氣流角波動范圍小于5°。

進一步地，所述出口靜壓分布均勻是指波動范圍在出口靜壓的2％以內(nèi)。

進一步地，所述壓力面和吸力面的葉片的相對速度差別最大的位置位于60％～80％葉片長度處。

本發(fā)明提供的管線壓縮機專用模型級，效率高、能頭系數(shù)高、輪轂比大，跨距小，采用本發(fā)明的模型級可以使得管線壓縮機具有較高的運行效率和較寬的工況范圍，同時可以降低轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速，縮小軸承跨距，提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級葉輪進出口角示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級回流器進出口角示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的葉輪10％葉高截面相對速度分布圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的葉輪50％葉高截面相對速度分布圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的葉輪90％葉高截面相對速度分布圖；

圖7為本發(fā)明實施例提供的子午流道相對速度分布圖；

圖8為本發(fā)明實施例提供的沿軸向相對位置的葉輪出口氣流角分布判斷依據(jù)圖；

圖9為本發(fā)明實施例提供的沿軸向相對位置的葉輪出口靜壓分布判斷依據(jù)圖；

圖10為本發(fā)明實施例提供的葉輪葉片吸力面和壓力面的相對速度分布判斷依據(jù)圖；

圖11為本發(fā)明實施例提供的沿軸向相對位置的葉輪出口氣流角分布圖；

圖12為本發(fā)明實施例提供的沿軸向相對位置的葉輪出口靜壓分布圖；

圖13為本發(fā)明實施例提供的沿軸向相對位置的葉輪出口氣流角分布圖；

圖14為本發(fā)明實施例提供的回流器10％葉高截面相對速度分布圖；

圖15為本發(fā)明實施例提供的回流器50％葉高截面相對速度分布圖；

圖16為本發(fā)明實施例提供的回流器90％葉高截面相對速度分布圖；

圖17為本發(fā)明實施例提供的不同馬赫數(shù)下壓比性能曲線示意圖；

圖18為本發(fā)明實施例提供的不同馬赫數(shù)下多變效率性能曲線示意圖；

圖19為本發(fā)明實施例提供的不同馬赫數(shù)下能頭系數(shù)性能曲線示意圖。

具體實施方式

參見圖1，本發(fā)明實施例提供的一種流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級，適用于管線壓縮機及其它輕介質(zhì)壓縮機產(chǎn)品的?；O(shè)計，包括葉輪1、無葉擴壓器2、彎道3及回流器4，其中葉輪1位于模型級的入口位置，在葉輪1的出口設(shè)有無葉擴壓器2，回流器4位于模型級的出口位置，無葉擴壓器2與回流器4之間通過彎道3相連通。該模型級能夠使用的機器馬赫數(shù)M_u2＝0.35～0.65，設(shè)計點流量系數(shù)Φ₁＝0.0424，設(shè)計點能頭系數(shù)τ＝0.604，各馬赫數(shù)下設(shè)計流量系數(shù)工況下的多變效率η_pd＝0.86～0.864，能應(yīng)用的流量范圍為設(shè)計點的60％-150％。具體性能曲線如圖17～19所示。

該流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級的輪轂比ds/D2很大，ds/D2＝0.40。比一般的模型級輪轂比ds/D2＝0.34提高約18％，這可以極大的提高使用該模型級的轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

在一實施例中，葉輪1為閉式的三元葉輪，三元葉輪的基本參數(shù)如下：葉輪出口直徑D₂＝450mm，葉片數(shù)Z＝17，葉輪相對出口寬度b₂為葉輪出口寬度。該葉輪1靠近輪蓋和輪盤側(cè)葉片進口安裝角β1As和β1Ah分別為9.4°和18°，葉輪1靠近輪蓋和輪盤側(cè)的出口葉片角β2As和β2Ah均為38°。葉輪1的輪蓋側(cè)和軸盤側(cè)的子午流道分別由兩段圓弧相切而成，且兩段圓弧分別相切于兩直線段。葉輪1壓力面和吸力面的葉片的相對速度呈橄欖型分布。壓力面和吸力面的葉片的相對速度差別最大的位置位于60％～80％％葉片長度處。例如，相對速度差別最大的位置大約位于65％葉片長度處，這種載荷分布使得該模型級具有很高的效率及較寬的工況范圍。在設(shè)計點馬赫數(shù)及流量系數(shù)工況條件下，該葉輪的流動具有如下特點：1、該葉輪在10％、50％、90％葉高截面上，葉輪流道中間的流動沒有任何流動分離，如圖4～圖6所示。2、非定常三維粘性流動CFD分析結(jié)果表明，該葉輪的子午流道上也沒有任何的流動分離，如圖7所示。3、葉輪1出口氣流角分布均勻，波動范圍小于5度，如圖11所示。4、葉輪1出口靜壓分布均勻性好，波動范圍在出口靜壓的2％以內(nèi)，如圖12所示。5、該葉輪的多變效率很高，葉輪出口處的多變效率可達97.1％。

在一實施例中，無片擴壓器2的輪蓋和軸盤側(cè)的子午型線均由一段直線構(gòu)成；其中，軸盤側(cè)的子午型線垂直于軸向。無片擴壓器2進口寬度和葉輪1出口寬度的比b₃/b₂為1，該設(shè)計保證了葉輪1出口氣流可以順暢的進入無葉擴壓器2；同時葉片擴壓器2出口寬度和葉片擴壓器2進口寬度的比b₄/b₃約為0.92。該設(shè)計可以很好的匹配葉輪出口處的流場，抑制無葉擴壓器蓋盤側(cè)的流動分離，減小無葉擴壓器的流動損失。如圖7所示，該無葉擴壓器上幾乎沒有流動分離。無片擴壓器2入口相對位置出口相對位置

在一實施例中，彎道3的進出口寬度比b₅/b₄為1.187。該模型級的非定常三維粘性流動CFD分析結(jié)果表明，在設(shè)計點馬赫數(shù)及流量系數(shù)工況條件下，彎道3內(nèi)部沒有流動分離。如圖7所示。

在一實施例中，回流器4葉片采用全高香蕉翼型葉片，葉片數(shù)為Z＝24，葉片入口相對位置D₅/D₂＝1.581，入口安裝角為18°，葉片出口相對位置D₆/D₂＝0.72，出口安裝角為98.63°，回流器進、出口安裝角定義如圖3所示；該設(shè)計可以很好的匹配彎道出口的流場，并且將回流器出口氣流軸向夾角控制到小于1°。同時，回流器葉片在設(shè)計流量系數(shù)下沒有任何的流動分離。如圖14～圖16所示。回流器4輪蓋側(cè)子午型線為一豎直直線段，與彎道輪蓋側(cè)圓弧相切；軸盤側(cè)子午型線為一斜線段，與彎道軸盤側(cè)圓弧相切；回流器出口段蓋盤側(cè)和軸盤側(cè)分別由兩條圓弧及與圓弧相切的直線段組成。

本發(fā)明實施例還提供流量系數(shù)0.0424管線壓縮機模型級的核心部件葉輪的設(shè)計方法，具體包括：

步驟10、通過一維熱力設(shè)計，獲得葉輪進口安裝角β_1A、葉輪出口安裝角β_2A，以及葉輪出口寬度b2；

β_1A＝tan^-1c₁/u₁+i，其中：

c₁——葉輪進口絕對速度

u₁——葉輪進口圓周速度

i——沖角

其中：

q_vin——進口體積流量

D₂——葉輪外徑

K_v2——葉輪出口比容比

——流量系數(shù)葉輪出口徑向流量系數(shù)

u₂——圓周速度

τ₂——葉片出口阻塞系數(shù)

其中：

——流量系數(shù)

——周速系數(shù)

步驟20、根據(jù)葉輪輪轂比ds/D2(例如，ds/D2＝0.4)及給定的葉輪直徑(例如，給定D2＝450mm)確定輪轂直徑。其中ds為輪轂直徑、D2為葉輪外徑。

步驟30、通過進口相對速度w₁最小的原則，通過以下公式獲得葉輪進口直徑D₀。

其中：

d——輪轂直徑

D2——葉輪外徑

K_v2——葉輪出口比容比

——流量系數(shù)葉輪出口徑向流量系數(shù)

K_c——速度系數(shù)

τ₂——葉片出口阻塞系數(shù)

K_v0——葉輪進口比容比

K_D——直徑比

其中：

——流量系數(shù)

——周速系數(shù)

步驟40、根據(jù)進出口葉片的Beta角呈線性變化分布而獲取葉片初步造型，例如圖13。

步驟50、將所得到的葉輪的流道三維模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分過程中，減小壁面的Yplus小于1，同時網(wǎng)格的長寬比小于2000，延展比小于3，網(wǎng)格的正交性大于15°。將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入CFD分析軟件中，采用Spalart-Allmaras湍流模型對該葉輪進行3D粘性流場分析；分析的進口邊界條件為總溫、總壓；分析的出口邊界條件為質(zhì)量流量出口。

步驟60、將所得的CFD分析所得的流場結(jié)果進行后處理，若所得的葉輪流場滿足以下條件，則認為設(shè)計完成。滿足設(shè)計條件為：葉輪1在10％、50％、90％葉高截面上，葉輪1流道中間的流動沒有任何流動分離。如圖4～圖6所示；II葉輪1的子午流道上也沒有任何的流動分離。如圖7所示；III葉輪1的出口氣流角分布均勻，平均出口氣流角為17～25°。出口氣流角波動范圍小于5°；如圖8所示：IV出口靜壓分布均勻性好，波動范圍在出口靜壓的2％以內(nèi)。如圖9所示；V壓力面和吸力面的葉片的相對速度近似呈橄欖型分布。相對速度差別最大的位置位于60％～80％葉片長度處。如圖10所示。

步驟70、將所得的CFD分析所得的流場結(jié)果進行后處理，若所得的葉輪流場不滿足以上條件，則調(diào)整葉輪子午及葉片型線的匹配，通過葉片beta角分布、子午型線和CFD分析的反復(fù)迭代，最終使得所得的葉輪流場滿足以上條件，此時，完成設(shè)計。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。