CN103047176A - 一种pcl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高效模型级，具体地说是一种PCL压缩机模型级及其设计方法，适用于长输管线装置用PCL压缩机产品的模化设计。该模型级包括叶轮、无叶扩压器、弯道和回流器，叶轮位于模型级的入口位置，在叶轮的出口设有无叶扩压器，所述回流器位于模型级的出口位置，无叶扩压器与回流器之间通过弯道相连通；该模型级的机器马赫数M_u2＝0.45，流量系数Φ₁＝0.085，能头系数τ＝0.52，多变效率η_pol＝0.87～0.88的模型级。采用本发明的高效率模型级，使PCL离心压缩机具有较高的运行效率和工况范围。

Description

一种PCL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高效模型级，具体地说是一种PCL压缩机模型级及其设计方法，适用于长输管线装置用PCL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，模型级的设计非常关键，新产品的研发依赖于与之相对应的模型级。 

我国西部的天然气资源十分丰富，把西部的天然气资源输送到中、东部的“西气东输”工程是一项关系到我国现代化民生的重大工程，需要在数千公里上建近百个加压站才能实现。加压站的核心设备就是管线压缩机(PCL压缩机)。数百台压缩机的能耗相当巨大，所以尽可能地提高管线压缩机效率，对节省能耗具有十分重大意义。 

由于机组效率、变频电机、燃气轮机机组成套设计能力等多方面原因，西气东输一期工程中的压缩机主要依赖进口，不但价格昂贵，而且依赖国外必然带来经济安全性等重大问题。管线压缩机国产化的首要问题是提高压缩机组效率，因此研发高效率的管线压缩机专用三元流模型级意义非常重大。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于长输管线装置中PCL压缩机产品设计的模型级及其设计方法，使上述压缩机产品机组效率得以显著提高，减少机组的功耗。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

一种PCL压缩机模型级，所述模型级位于压缩机内，包括叶轮、无叶扩压器、弯道及回流器，其中叶轮位于模型级的入口位置，在叶轮的出口设有无叶扩压器，所述回流器位于模型级的出口位置，无叶扩压器与回流 器之间通过弯道相连通；所述模型级的机器马赫数M_u2＝0.35～0.45，流量系数Φ₁＝0.03～0.12，能头系数τ＝0.3～0.8，多变效率η_pol＝0.87～0.88。 

所述机器马赫数M_u2的计算公式如下： 

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

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

h_tot-总能量头； 

g-重力加速度； 

u₂-叶轮外径处的线速度。 

所述模型级具有以下设计参数： 

(1)叶轮直径D₂＝500mm； 

(2)流量系数Φ₁＝0.085； 

(3)叶轮转速n＝5901rpm； 

(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＝0.45； 

(6)能头系数τ＝0.5； 

(7)多变效率η_pol＝0.883。 

所述叶轮为闭式的三元流动叶轮，三元流动叶轮的设计参数如下： 

叶轮出口直径D₂＝500mm，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42°。 

所述无叶扩压器(2)的设计参数如下： 

入口相对位置 

出口相对位置 其中，D₂为叶轮出口直径，D₃为无叶扩压器入口直径，D₄为无叶扩压器出口直径。 

PCL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＝0.4～0.5，即应在试验范围之内； 

(3)机器马赫数M_u2的定义： 

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\πn}{D}_2}{60\sqrt{\mathrm{ZKR}{T}_{\mathrm{in}}}},$ 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； 

$\mathrm{\τ}=\frac{h_{\mathrm{tot}}g}{u_2^2},$ 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。 

试验马赫数包括M_u2＝0.35、0.4、0.45，对于马赫数在0.35≤M_u2≤0.45范围内，但不是上述三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： 

本发明具有较高的多变效率。采用以往的模型级设计PCL压缩机时，多变效率最高仅能达到η_pol＝0.84～0.85，采用本发明的三元流动模型级，多变效率达到η_pol＝0.87～0.88；从而，减少耗功，节约能源和机组运行成本。 

附图说明

图1为本发明模型级子午流道示意图。图中，1叶轮；2无叶扩压器；3弯道；4回流器。 

图2为本发明三元叶轮叶片示意图及坐标。其中，(a)为叶轮叶片轴视图；(b)为叶轮叶片坐标图。 

图3为本发明回流器叶型示意图。 

图4为S1流场的相对速度分布示意图。其中(a)为叶片顶部的相对速度分布，(b)为50％叶高处的相对速度分布，(c)为叶片根部的相对速度分布；图4的A线为吸力面，B线为压力面，C线为中性面。 

图5为本发明模型级各主要截面的CFD(计算流体动力学)计算结果汇总。其中(a)为叶轮出口截面处的CFD结果，(b)为弯道进口处的CFD结果，(c)为回流器进口处的CFD结果，(d)为回流器出口处的CFD结果。 

图6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＝0.35、0.4、0.45。 

具体实施方式

如图1所示，本发明PCL压缩机模型级子午流道的结构如下： 

该PCL模型级位于压缩机内，设有叶轮1、无叶扩压器2、弯道3、回流器4，叶轮1设于模型级的入口位置，回流器4设于模型级的出口位置；该叶轮1为闭式的三元流动叶轮，回流器4采用全高香蕉型叶片。经过设计、分析，规定子午流道中，各尺寸的含义： 

D₀-盖盘入口直径； 

D₂-叶轮出口直径； 

D₃-无叶扩压器入口直径； 

D₄-无叶扩压器出口直径； 

D₅-回流器入口直径； 

D₆-回流器出口直径； 

b₂-叶轮出口宽度； 

ds-叶轮轮毂直径； 

L_s-盖盘侧叶片轴向跨距； 

L_h-轴盘侧叶片轴向跨距； 

本实施例中，D₀＝326.7mm；D₂＝500mm；D3＝546mm；D₄＝820mm；D₅＝820mm；D6＝380mm；b₂＝36.3mm；ds＝170mm；L_s＝53.2mm；L_h＝38.3mm。 

如图2所示，三元叶轮叶片的结构如下： 

闭式的三元流动叶轮，叶轮出口直径D₂＝500mm，叶片数Z＝15，叶轮相对出口宽度 

叶轮叶片出口安装角42°。 

如图3所示，回流器叶型的结构如下： 

叶片扩压器采用全高香蕉型叶片，叶片数为Z＝18，D₂-叶轮出口直径，D5-回流器入口直径，D6-回流器出口直径；叶片入口相对位置 

入口安装角为36°，叶片出口相对位置 

出口安装角为90°。 

图4为S1流面的叶顶、50％叶高片、叶根处的相对速度分布情况，叶片表面从入口到出口速度分布均匀，属于均匀加载的叶型设计。 

图5为各主要截面的CFD计算结果。 

(a)为叶轮出口的总压/速度/静压/总温/气流角。平均总压112000Pa，平均速度40m/s，平均静压105900Pa，平均总温304.5K，平均出口气流角度25度。 

(b)为弯道入品处的总压/速度/静压/总温/气流角。平均总压110500Pa，平均速度25m/s，平均静压106500Pa，平均总温304.5K，平均气流角度220度。 

(c)为回流器入口处的总压/速度/静压/总温/气流角。平均总压110000Pa，平均速度25m/s，平均静压108500Pa，平均总温304.4K，平均气流角度30度。 

(d)为回流器出口处的静压/速度/总压/总温/气流角。平均总压109200Pa，平均速度35m/s，平均静压110100Pa，平均总温304.3K，平均出口气流角度10度。 

本发明中的PCL压缩机模型级设计包括高效三元叶轮设计和无叶扩压器、弯道、回流器设计，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PCL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＝0.35～0.45，即应在试验范围之内。试验马赫数包括M_u2＝0.35、0.4、0.45，对于马赫数在0.35≤M_u2≤0.45范围内，但不是上述三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； 

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＝0.35、0.4、0.45时的流量系数Ф₁～能头系数τ，流量系数Ф₁～多变效率η_pol等性能曲线(图6)。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＝0.35、0.4、0.45。 

本实施例中，PCL压缩机模型级的参数如下： 

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

u₂＝154.4m/s；a＝343m/s；n＝5901r/min.；D₂＝500mm；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＝0.45。 

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

Q_in＝9272m³/h；D₂＝500mm；u₂＝154.4m/s。 

经计算，得到流量系数Φ₁＝0.085。 

(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＝1.11957kg/cm2(工程绝对大气压)；P₁＝1kg/cm2；T₂＝30.9℃；T₁＝20℃。 

经计算，得到多变效率η_pol＝0.883。 

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

h_tot＝1263.7m；g＝9.81m/s²；u₂＝154.4m/s。 

经计算，得到能头系数τ＝0.52。 

实施例结果表明，采用本发明按照所需参数设计的三元闭式叶轮模型级，使PCL压缩机产品效率提高约4％，从而大幅度降低能耗，因此，具有重要意义和广泛的应用前景。 

Claims (10)

1.一种PCL压缩机模型级，其特征在于：所述模型级位于压缩机内，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M_u2＝0.35～0.45，流量系数Φ₁＝0.03～0.12，能头系数τ＝0.3～0.8，多变效率η_pol＝0.87～0.88。

2.按照权利要求1所述的PCL压缩机模型级，其特征在于：所述机器马赫数M_u2的计算公式如下：

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\πn}{D}_2}{60\sqrt{\mathrm{ZKR}{T}_{\mathrm{in}}}},$ 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。

3.按照权利要求1所述的PCL压缩机模型级，其特征在于：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。

4.按照权利要求1所述的PCL压缩机模型级，其特征在于：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。

5.按照权利要求1所述的PCL压缩机模型级，其特征在于：所述能头系数τ的计算公式如下：

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

h_tot-总能量头；

g-重力加速度；

u₂-叶轮外径处的线速度。

6.按照权利要求1所述的PCL压缩机模型级，其特征在于：所述模型级具有以下设计参数：

(1)叶轮直径D₂＝500mm；

(2)流量系数Φ₁＝0.085；

(3)叶轮转速n＝5901rpm；

(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＝0.45；

(6)能头系数τ＝0.5；

(7)多变效率η_pol＝0.883。

7.按照权利要求1所述的PCL压缩机模型级，其特征在于：所述叶轮(1)为闭式的三元流动叶轮，三元流动叶轮的设计参数如下：

叶轮出口直径D₂＝500mm，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42°。

8.按照权利要求1所述的PCL压缩机模型级，其特征在于：所述无叶扩压器(2)的设计参数如下：

入口相对位置

出口相对位置

其中，D₂为叶轮出口直径，D₃为无叶扩压器入口直径，D₄为无叶扩压器出口直径。

9.一种按照权利要求1所述PCL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＝0.4～0.5，即应在试验范围之内；

(3)机器马赫数M_u2的定义：

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\πn}{D}_2}{60\sqrt{\mathrm{ZKR}{T}_{\mathrm{in}}}},$ 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；

$\mathrm{\τ}=\frac{h_{\mathrm{tot}}g}{u_2^2},$ 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。

10.按照权利要求9所述的PCL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＝0.35、0.4、0.45，对于马赫数在0.35≤M_u2≤0.45范围内，但不是上述三个马赫数之一的情况，采用向内插值计算。

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