CN101776093B - 循环气压缩机模型级及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心式压缩机用模型级，具体为一种循环气模型级及其设计方法，适用于所有聚乙烯、聚丙烯装置用循环气压缩机产品的模化设计，也可应用于相近参数的其它装置用离心压缩机产品的模化设计。该模型级包括半开式三元流动叶轮及叶片扩压器，按照相似模化理论进行离心压缩机的模化设计，可为不同规模的聚乙、丙烯装置用循环气压缩机的相似模化设计提供模型级。该模型级为：机器马赫数M_u2＝0.5，流量系数Φ₁＝0.152，能头系数τ＝0.54，多变效率η_pol＝0.82～0.84的模型级。采用本发明的大流量系数模型级，使聚乙、丙烯装置用循环气压缩机以及参数相近的其它装置用离心压缩机避免采用复杂的双吸入结构，并具有较高的运行效率和工况范围。

Description

循环气压缩机模型级及其设计方法

技术领域

本发明属于离心式压缩机用模型级，具体为一种循环气模型级及其设计方法，适用于所有聚乙烯、聚丙烯装置用循环气压缩机产品的模化设计，也可应用于相近参数的其它装置用离心压缩机产品的模化设计。

背景技术

在离心压缩机的开发过程中，模型级的设计尤为关键，新产品要设计出与之相对应的模型级。在正式应用到实际产品之前，有必要对模型级的实际性能进行检测，即通过试验来确认模型级的实际性能。而试验检测过程既费时间又要花费大量的人力、物力。由于可靠性和周期要求等原因，工程上离心式压缩机的性能指标实际上决定于模型级的储备情况。随着材料科学、工艺科学的发展，同时随着计算流体力学以及计算机硬件的发展，使得开发新型高效模型级，提高离心压缩机机组性能，减少能源消耗成为可能。

聚乙烯、聚丙烯是重要的化工原料，各石化部门广泛采用相应装置生产该类产品。目前，随着聚乙烯装置的大型化，使得聚乙烯装置的核心设备-循环气压缩机也向着大型化方向发展。该类压缩机的设计参数特点是，低马赫数、低压比，但流量大、耗功较大，因此有必要采用专用高效离心压缩机级进行设计。

这种模型级尚属空白的情况下，此类离心压缩机产品一般采用二元闭式叶轮，双吸结构。从而，机组结构复杂，占地面积大、能耗高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于聚乙烯、聚丙烯装置中离心式压缩机产品设计的循环气模型级及其设计方法，使上述压缩机产品从双吸入二元流动设计改善为单吸入三元流动，提高压缩机组效率，减少机组占地面积。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种循环气压缩机模型级，该模型级为蜗壳状，位于压缩机内，其内设有叶轮和扩压器，叶轮设于模型级的入口位置，叶片扩压器设于模型级的出口位置；该模型级为：机器马赫数M_u2＝0.4～0.65，流量系数Φ₁＝0.06～0.17，能头系数τ＝0.4～0.7，多变效率η_pol＝0.82～0.84的模型级。

所述机器马赫数M_u2的计算公式如下：

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\πn}{D}_2}{60\sqrt{{\mathrm{ZKRT}}_{\mathrm{in}}}},$ 其中：

u₂-叶轮外径处的线速度；

a-叶轮外径处的音速；

n-叶轮转速；

D₂-叶轮出口直径；

Z-压缩性系数；

K-绝热指数；

R-气体常数；

T_in-叶轮入口温度。

所述流量系数Φ₁的计算公式如下：

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{4\×Q_{\mathrm{in}}}{3600\×\mathrm{\π}{D}_2^2{u}_2},$ 其中：

Q_in-叶轮入口容积流量；

D₂-叶轮出口直径；

u₂-叶轮外径处的线速度。

所述多变效率η_pol的计算公式如下：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pol}}=\frac{K-1}{K}\frac{\ln \left(\frac{P_2}{P_1}\right)}{\ln \left(\frac{T_2}{T_1}\right)},$ 其中：

K-气体绝热指数；

P₂-级出口气体压力；

P₁-级入口气体压力；

T₂-级出口气体温度；

T₁-级入口气体温度。

所述能头系数τ的计算公式如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{h_{\mathrm{tot}}}{u_2^2},$ 其中：

h_tot-总能量头；

g-重力加速度；

u₂-叶轮外径处的线速度。

所述的循环气压缩机模型级，具有以下设计参数：

(1)叶轮直径D₂＝400mm；

(2)流量系数Φ₁＝0.152；

(3)叶轮转速n＝8117rpm；

(4)入口条件：叶轮入口压力P_in＝1.0Kg/cm²，叶轮入口温度t_in＝293°K；

(5)机器马赫数M_u＝0.5；

(6)能头系数τ＝0.54；

(7)多变效率η_pol＝0.82～0.84。

所述叶轮为半开式的三元流动叶轮，三元流动叶轮的设计参数如下：

叶轮出口直径D₂＝400mm，叶片数Z＝15，叶轮相对出口宽度

b₂为叶轮出口宽度，叶轮叶片出口安装角40°。

所述扩压器采用全高机翼型叶片的扩压器，扩压器的设计参数如下：

叶片数为Z＝14，叶片入口相对位置

入口安装角为27°，叶片出口相对位置

出口安装角为37.5°；其中，D₂为叶轮出口直径，D₃为扩压器入口直径，D₄为扩压器出口直径。

所述的循环气压缩机模型级的设计方法，具体设计过程如下：

(1)按照相似模化理论进行离心压缩机的模化设计；

(2)进行模化设计时，机器马赫数应控制在M_u2＝0.4～0.65，即应在试验范围之内；

(3)机器马赫数M_u2的定义：

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\πn}{D}_2}{60\sqrt{{\mathrm{ZKRT}}_{\mathrm{in}}}},$ 其中：

u₂-叶轮外径处的线速度；

a-叶轮入口处的音速；

n-叶轮转速；

D₂-叶轮出口直径；

Z-压缩性系数；

K-绝热指数；

R-气体常数；

T_in-叶轮入口温度；

(4)流量系数Φ₁的定义：

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{4\×Q_{\mathrm{in}}}{3600\×\mathrm{\π}{D}_2^2{u}_2},$ 其中：

Q_in-叶轮入口容积流量；

D₂-叶轮出口直径；

u₂-叶轮外径处的线速度；

(5)多变效率η_pol和能头系数τ的定义：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pol}}=\frac{K-1}{K}\frac{\ln \left(\frac{P_2}{P_1}\right)}{\ln \left(\frac{T_2}{T_1}\right)},$ 其中：

K-气体绝热指数；

P₂-级出口气体压力；

P₁-级入口气体压力；

T₂-级出口气体温度；

T₁-级入口气体温度；

$\mathrm{\τ}=\frac{h_{\mathrm{tot}}}{u_2^2},$ 其中：

h_tot-级总能量头；

g-重力加速度；

u₂-叶轮外径处的线速度；

(6)进行模化设计时，流量系数应控制在性能曲线最高效率点，并使得运行工况点左右各保持一定范围，远离喘振点和阻塞点，保证机组安全运行。

所述的循环气压缩机模型级的设计方法，试验马赫数包括M_u2＝0.4、0.45、0.55以及0.65，对于马赫数在0.4≤M_u2≤0.65范围内，但不是上述四个马赫数之一的情况，采用向内插值计算。

本发明中的模型级与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、流量系数大。相比常规模型级Φ₁≤0.13，本发明的模型级流量系数达到Φ₁＝0.152。因此，可以有效降低离心压缩机机组尺寸，并避免复杂的双吸入结构，节约加工成本。

2、多变效率高。采用以往的二元流动叶轮设计聚丙烯循环气压缩机时，多变效率最高仅能达到η_pol＝0.78～0.80，采用本发明的三元流动模型级，多变效率达到η_pol＝0.82～0.84。从而，减少耗功，节约能源和机组运行成本。

附图说明

图1为叶轮子午流道示意图。图中，1叶轮；2扩压器；3级入口；4级出口。

图2为三元叶轮叶片示意图及坐标。其中，(a)为叶轮叶片轴视图；(b)为(a)图中的B-B剖面图；(c)为叶轮叶片坐标图。

图3为叶片扩压器叶型示意图。

图4为叶轮内部流场的分析结果，s＝0.1处相对马赫数及叶片静压分布。其中，(a)为叶轮10％叶高处叶片至叶片气流相对马赫数分布图；(b)为叶轮10％叶高处在叶轮叶片上的位置图；(c)为叶轮10％叶高处叶片表面气流静压分布图。

图5为叶轮内部流场的分析结果，s＝0.5处相对马赫数及叶片静压分布。其中，(a)为叶轮50％叶高处叶片至叶片气流相对马赫数分布图；(b)为叶轮50％叶高处在叶轮叶片上的位置图；(c)为叶轮50％叶高处叶片表面气流静压分布图。

图6为叶轮内部流场的分析结果，s＝0.9处相对马赫数及叶片静压分布。其中，(a)为叶轮90％叶高处叶片至叶片气流相对马赫数分布图；(b)为叶轮90％叶高处在叶轮叶片上的位置图；(c)为叶轮90％叶高处叶片表面气流静压分布图。

图7为叶轮内部流场的分析结果，子午平均绝对气流角分布。其中，(a)为各分布线在无叶扩压器中的位置图；(b)为无叶扩压器中直径与叶轮出口直径相比分别为1.1、1.3、1.5时的子午平均绝对气流角分布。

图8为模型级试验的性能曲线。其中，横坐标为流量系数，纵坐标中1为效率，2为能头系数，各曲线马赫数从低到高分别为M_u2＝0.4、0.45、0.55以及0.65。

具体实施方式

如图1所示，本发明循环气压缩机模型级(即叶轮子午流道)的结构如下：

该循环气压缩机模型级位于压缩机内，设有叶轮1和扩压器2，叶轮1设于模型级的入口(即级入口3)位置，叶片扩压器2设于模型级的出口(即级出口4)位置；该叶轮1为半开式的三元流动叶轮，扩压器2采用全高机翼型叶片的扩压器。经过设计、分析，规定叶轮子午流道中，各尺寸的含义：

D₀-盖盘入口直径；

D₂-叶轮出口直径；

D₄-扩压器出口直径；

b₂-叶轮出口宽度；

L_s-盖盘侧叶片轴向跨距；

L_h-轴盘侧叶片轴向跨距；

R₁、R₂-分别为子午面上叶轮入口向出口过渡的内侧起始和末尾的圆弧半径；

R₃-子午面上叶轮入口向出口过渡的外侧圆弧半径。

本实施例中，D₀＝287.6mm；D₂＝400mm；D₄＝630mm；b₂＝42.8mm；L_s＝129.2mm；L_h＝82.8mm；R₁＝188.4mm；R₂＝44.4mm；R₃＝346.7mm。

如图2所示，三元叶轮叶片的结构如下：

半开式的三元流动叶轮，叶轮出口直径D₂＝400mm，叶片数Z＝15，叶轮相对出口宽度

叶轮叶片出口安装角40°，叶片前缘按(b)图中R值加工，在轮盖处时R＝0.75，在轮盘处时R＝1.25。

如图3所示，叶片扩压器叶型的结构如下：

叶片扩压器采用全高机翼型叶片，叶片数为Z＝14，D₂-叶轮出口直径，D₃-扩压器入口直径，D₄-扩压器出口直径；叶片入口相对位置

入口安装角为27°，叶片出口相对位置出口安装角为37.5°。

本发明中的循环气压缩机模型级设计包括高效大流量三元叶轮设计和叶片扩压器设计，具体过程如下：

(1)按照相似模化理论进行离心压缩机的模化设计，可用于聚乙烯、聚丙烯等装置的循环气压缩机，也可用于其它参数相近的离心压缩机；

(2)有关相似模化理论、物性计算等方法可参考“《离心压缩机原理》，1990，徐忠，机械工业出版社”一书；

(3)进行模化设计时，机器马赫数应控制在M_u2＝0.4～0.65，即应在试验范围之内。试验马赫数包括M_u2＝0.4、0.45、0.55以及0.65，对于马赫数在0.4≤M_u2≤0.65范围内，但不是上述四个马赫数之一的情况，可采用向内插值计算。超出上述范围的向外插值计算，结果并不可靠；

(4)机器马赫数M_u2的定义：

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\πn}{D}_2}{60\sqrt{{\mathrm{ZKRT}}_{\mathrm{in}}}},$ 其中：

u₂-叶轮外径处的线速度；

a-叶轮外径处的音速；

n-叶轮转速；

D₂-叶轮出口直径；

Z-压缩性系数；

K-绝热指数；

R-气体常数；

T_in-叶轮入口温度。

(5)流量系数Φ₁的定义：

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{4\×Q_{\mathrm{in}}}{3600\×\mathrm{\π}{D}_2^2{u}_2},$ 其中：

Q_in-叶轮入口容积流量；

D₂-叶轮出口直径；

u₂-叶轮外径处的线速度。

(6)多变效率η_pol和能头系数τ的定义：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pol}}=\frac{K-1}{K}\frac{\ln \left(\frac{P_2}{P_1}\right)}{\ln \left(\frac{T_2}{T_1}\right)},$ 其中：

K-气体绝热指数；

P₂-级出口气体压力；

P₁-级入口气体压力；

T₂-级出口气体温度；

T₁-级入口气体温度；

$\mathrm{\τ}=\frac{h_{\mathrm{tot}}}{u_2^2},$ 其中：

h_tot-级总能量头；

g-重力加速度；

u₂-叶轮外径处的线速度。

(7)进行模化设计时，流量系数应控制在性能曲线最高效率点或附近，并使得运行工况点左右各保持一定范围，远离喘振点和阻塞点，保证机组安全运行。

图4为叶轮内部流场的分析结果，s＝0.1处相对马赫数及叶片静压分布情况如下：

(1)在10％叶高处，叶轮内相对马赫数最高值出现在叶轮出口处，最高值不大于0.2。

(2)同一位置叶片表面静压沿叶轮入口至叶轮出口分布均匀，叶轮为均匀载荷型设计。

图5为叶轮内部流场的分析结果，s＝0.5处相对马赫数及叶片静压分布情况如下：

(1)在50％叶高处，叶轮内相对马赫数最高值出现在叶轮出口处，最高值不大于0.35。

(2)同一位置叶片表面静压沿叶轮入口至叶轮出口分布均匀，叶轮为均匀载荷型设计。

图6为叶轮内部流场的分析结果，s＝0.9处相对马赫数及叶片静压分布情况如下：

(1)在90％叶高处，叶轮内相对马赫数最高值出现在叶轮出口处，最高值不大于0.16。

(2)同一位置叶片表面静压沿叶轮入口至叶轮出口分布均匀，叶轮为均匀载荷型设计。

图7为叶轮内部流场的分析结果，无叶扩压器内部子午平均绝对气流角分布情况如下：

对无叶扩压器内部子午平均绝对气流角分布的计算结果表明，无叶扩压器内1.1倍叶轮直径处绝对气流角在盘-盖方向分布比较均匀，以后随着直径变化，盖侧气流角逐渐下降，盘侧气流角逐渐升高，从而形成不均匀流场，带来内部摩擦损失，因此按照1.1倍叶轮直径处绝对气流角分布的计算结果设计叶片扩压器入口安装角，提高基本级效率。

本发明中，模型级的准确性能由车间性能实验获得，试验介质为空气，试验结果包括：M_u2＝0.4、0.45、0.55、0.65时的流量系数Φ₁～能头系数τ，流量系数Φ₁～多变效率η_pol等性能曲线(图8)。其中，横坐标为流量系数，纵坐标中1为效率，2为能头系数，各曲线马赫数从低到高分别为M_u2＝0.4、0.45、0.55以及0.65。

本实施例中，循环气压缩机模型级的参数如下：

(1)按公式： $M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\πn}{D}_2}{60\sqrt{{\mathrm{ZKRT}}_{\mathrm{in}}}}$

u₂＝170m/s；a＝340m/s；n＝8117r/min.；D₂＝400mm；Z＝1.0；K＝1.4；R＝287J/(kg.k)；T_in＝20℃

经计算，得到机器马赫数M_u2＝0.5。

(2)按公式： ${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{4\×Q_{\mathrm{in}}}{3600\×\mathrm{\π}{D}_2^2{u}_2}$

Q_in＝11690m³/h；D₂＝400mm；u₂＝170m/s。

经计算，得到流量系数Φ₁＝0.152。

(3)按公式： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pol}}=\frac{K-1}{K}\frac{\ln \left(\frac{P_2}{P_1}\right)}{\ln \left(\frac{T_2}{T_1}\right)}$

K＝1.4；P₂＝1.16ataA(工程绝对大气压)；P₁＝1ataA；T₂＝35.5℃；T₁＝20℃。

经计算，得到多变效率η_pol＝0.82。

(4)按公式： $\mathrm{\τ}=\frac{h_{\mathrm{tot}}}{u_2^2}$

h_tot＝15606J/kg；u₂＝170m/s。

经计算，得到能头系数τ＝0.54。

实施例结果表明，采用本发明按照所需参数设计的大流量系数的三元半开式叶轮，聚丙烯或聚乙烯循环气压缩机产品就可采用单级悬臂结构，采用电机直联驱动，节省了变速机，不仅结构简化，制造成本可大大下降。同时，避免了进气室损失和二元级效率低的缺点。大流量系数使产品叶轮直径减小，效率提高又达到了节能的效果。该模型级的开发使聚丙烯或聚乙烯循环气压缩机产品效率提高约4％，从而降低能耗。另外，开发这种模型级不仅能开发出聚丙烯或聚乙烯装置的先进水平的新产品系列，而且也可推广到其他风机新产品上。因此，具有重要意义和广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种循环气压缩机模型级，该模型级为蜗壳状，位于压缩机内，其内设有叶轮和扩压器，叶轮设于模型级的入口位置，叶片扩压器设于模型级的出口位置；其特征在于，该模型级为：机器马赫数M_u2＝0.4～0.65，流量系数Φ₁＝0.06～0.17，能头系数τ＝0.4～0.7，多变效率η_pol＝0.82～0.84的模型级；

所述机器马赫数M_u2的计算公式如下：

其中：

u₂-叶轮外径处的线速度；

a-叶轮外径处的音速；

n-叶轮转速；

D₂-叶轮出口直径；

Z-压缩性系数；

K-绝热指数；

R-气体常数；

T_in-叶轮入口温度；

所述流量系数Φ₁的计算公式如下：

其中：

Q_in-叶轮入口容积流量；

D₂-叶轮出口直径；

u₂-叶轮外径处的线速度； 

所述多变效率η_pol的计算公式如下：

其中：

K-气体绝热指数；

P₂-级出口气体压力；

P₁-级入口气体压力；

T₂-级出口气体温度；

T₁-级入口气体温度；

所述能头系数τ的计算公式如下：

其中：

h_tot-总能量头；

g-重力加速度；

u₂-叶轮外径处的线速度。

2.按照权利要求1所述的循环气压缩机模型级，其特征在于，该模型级具有以下设计参数：

(1)叶轮直径D₂＝400mm；

(2)流量系数Φ₁＝0.152；

(3)叶轮转速n＝8117rpm；

(4)入口条件：叶轮入口压力P_in＝1.0Kg/cm²，叶轮入口温度T_in＝293°K； 

(5)机器马赫数M_u＝0.5；

(6)能头系数τ＝0.54；

(7)多变效率η_pol＝0.82。

3.按照权利要求1所述的循环气压缩机模型级，其特征在于，所述叶轮为半开式的三元流动叶轮，三元流动叶轮的设计参数如下：

叶轮出口直径D₂＝400mm，叶片数Z＝15，叶轮相对出口宽度 b₂为叶轮出口宽度，叶轮叶片出口安装角40°。

4.按照权利要求1所述的循环气压缩机模型级，其特征在于，所述扩压器采用全高机翼型叶片的扩压器，扩压器的设计参数如下：

叶片数为Z＝14，叶片入口相对位置 

入口安装角为27°，叶片出口相对位置 

出口安装角为37.5°；其中，D₂为叶轮出口直径，D₃为扩压器入口直径，D₄为扩压器出口直径。

5.按照权利要求1所述的循环气压缩机模型级的设计方法，其特征在于，具体设计过程如下：

(1)按照相似模化理论进行离心压缩机的模化设计；

(2)进行模化设计时，机器马赫数应控制在M_u2＝0.4～0.65，即应在试验范围之内；

(3)机器马赫数M_u2的定义：

其中：

u₂-叶轮外径处的线速度；

a-叶轮入口处的音速；

n-叶轮转速； 

D₂-叶轮出口直径；

Z-压缩性系数；

K-绝热指数；

R-气体常数；

T_in-叶轮入口温度；

(4)流量系数Φ₁的定义：

其中：

Q_in-叶轮入口容积流量；

D₂-叶轮出口直径；

u₂-叶轮外径处的线速度；

(5)多变效率η_pol和能头系数τ的定义：

其中：

K-气体绝热指数；

P₂-级出口气体压力；

P₁-级入口气体压力；

T₂-级出口气体温度；

T₁-级入口气体温度；

其中：

h_tot-级总能量头； 

g-重力加速度；

u₂-叶轮外径处的线速度；

(6)进行模化设计时，流量系数应控制在性能曲线最高效率点，并使得运行工况点左右各保持一定范围，远离喘振点和阻塞点，保证机组安全运行。

6.按照权利要求5所述的循环气压缩机模型级的设计方法，其特征在于，试验马赫数包括M_u2＝0.4、0.45、0.55以及0.65，对于马赫数在0.4≤M_u2≤0.65范围内，但不是上述四个马赫数之一的情况，采用向内插值计算。 

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