CN104343725B - 一种mcl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、高能头闭式大流量系数模型级，具体地说是一种MCL压缩机模型级及其设计方法，适用于各类MCL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；该模型级的设计机器马赫数M_u2=0.85，流量系数Ф₁=0.15，能头系数τ=0.715，多变效率η_pol=0.856的模型级。采用本发明的高效率、高能头闭式大流量系数模型级，使MCL离心压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围。

Description

一种MCL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、高能头、闭式大流量系数模型级，具体地说是一种MCL压缩机模型级及其设计方法，适用于各类MCL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。

此模型级因流量系数较大，一般用在MCL(水平剖分)压缩机的首级，但是因为原有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。所以此模型级的研制成功将解决上述问题，提高各类MCL压缩机产品机组的整体效率及其市场竞争力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闭式、大流量MCL压缩机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MCL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；所述闭式大流量系数模型级的机器马赫数M_u2＝0.6～0.9，流量系数Φ₁＝0.119～0.195，能头系数τ＝0.59～0.74，各马赫数下设计工况点多变效率η_pol＝0.848～0.862。

所述机器马赫数M_u2的计算公式如下：其中：

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

a—叶轮入口处的音速；

n—叶轮转速；

D_2m—叶轮出口平均外径；

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Ф₁的计算公式如下：

其中：

Q_in—叶轮入口容积流量；

D_2m—叶轮出口平均外径；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度。

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；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度。

所述模型级具有以下设计参数：

(1)叶轮出口平均外径D_2m＝450mm；

(2)流量系数Ф₁＝0.15；

(3)叶轮转速n＝13445rpm；

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

(5)机器马赫数M_u2＝0.85；

(6)能头系数τ＝0.716；

(7)多变效率η_pol＝0.856。

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：

叶轮出口平均外径D_2m＝450mm，叶片数Z＝17，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70°。

所述无叶扩压器的设计参数如下：

入口相对位置出口相对位置其中，D_2m为叶轮出口平均外径，D₃为无叶扩压器入口直径，D₄为无叶扩压器出口直径。

MCL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＝0.6～0.9，即应在试验范围之内；

(3)机器马赫数M_u2的定义：

其中：

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

a—叶轮入口处的音速；

n—叶轮转速；

D_2m—叶轮出口平均外径；

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Ф₁的定义：

其中：

Q_in—叶轮入口容积流量；

D_2m—叶轮出口平均外径；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

(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；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

(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＝0.6、0.85、0.9，对于马赫数在0.6≤M_u2≤0.9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MCL压缩机时，多变效率最高仅能达到η_pol＝0.820～0.825，采用本发明的三元流动模型级，多变效率达到η_pol＝0.848～0.862；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型示意图。

图3为本发明回流器叶型示意图。

图4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为多变效率，2为能头系数，各曲线马赫数从低到高分别为M_u2＝0.6、0.85、0.9。

具体实施方式

如图1所示，本发明MCL压缩机模型级子午流道的结构如下：

该MCL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；

D_2m—叶轮出口平均外径；

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＝346.8mm；D_2m＝400mm；D₃＝493.4mm；D₄＝720mm；D₅＝710mm；D₆＝370mm；b₂＝36.3mm；ds＝158mm；L_s＝128.3mm；L_h＝81.2mm。

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，叶轮出口平均直径D_2m＝400mm，叶片数Z＝17，叶轮相对出口宽度叶轮叶片出口安装角70°。

如图3所示，回流器叶型的结构如下：

回流器叶片采用全高香蕉翼型叶片，叶片数为Z＝18，D_2m—叶轮出口平均外径，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30°，叶片出口相对位置出口安装角为100.9°。

本发明中的MCL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，可用于MCL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＝0.6～0.9，即应在试验范围之内。试验马赫数包括M_u2＝0.6、0.85、0.9，对于马赫数在0.6≤M_u2≤0.9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＝0.6、0.85、0.9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4)。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＝0.6、0.85、0.9。

本实施例中，MCL压缩机模型级的参数如下：

(1)按公式：

u_2m＝295.5m/s；a＝331.2m/s；n＝14109.15r/min.；D_2m＝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＝0.9。

(2)按公式：

Q_in＝26025m³/h；D_2m＝400mm；u_2m＝295.5m/s。

经计算，得到流量系数Ф₁＝0.194。

(3)按公式：

K＝1.4；P₂＝182200.1Pa；P₁＝99041.8Pa；T₂＝62.1℃；T₁＝0℃。

经计算，得到多变效率η_pol＝0.848。

(4)按公式：

h_tot＝6370.8m；g＝9.81m/s²；u_2m＝295.5m/s。

经计算，得到能头系数τ＝0.715。

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MCL压缩机产品效率提高约3个百分点，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 (9)

1.一种MCL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，在所述叶轮(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，所述无叶扩压器(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＝0.6～0.9，流量系数Φ₁＝0.119～0.195，能头系数τ＝0.59～0.74，多变效率η_pol＝0.848～0.862；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：叶轮出口平均外径D_2m＝450mm，叶片数Z＝17，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70°。

2.按照权利要求1所述的MCL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：

其中：

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

a—叶轮入口处的音速；

n—叶轮转速；

D_2m—叶轮出口平均外径；

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MCL压缩机模型级，其特征在于：所述流量系数Ф₁的计算公式如下：

其中：

Q_in—叶轮入口容积流量；

D_2m—叶轮出口平均外径；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度。

4.按照权利要求1所述的MCL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：

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

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MCL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：

其中：

h_tot—总能量头；

g—重力加速度；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度。

6.按照权利要求1所述的MCL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)叶轮出口平均外径D_2m＝450mm；

(2)流量系数Ф₁＝0.15；

(3)叶轮转速n＝13445rpm；

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

(5)机器马赫数M_u2＝0.85；

(6)能头系数τ＝0.716；

(7)多变效率η_pol＝0.856。

7.按照权利要求1所述的MCL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，D_2m为叶轮出口平均外径，D₃为无叶扩压器入口直径，D₄为无叶扩压器出口直径。

8.一种按照权利要求1所述MCL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＝0.6～0.9，即应在试验范围之内；

(3)机器马赫数M_u2的定义：

其中：

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

a—叶轮入口处的音速；

n—叶轮转速；

D_2m—叶轮出口平均外径；

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Ф₁的定义：

其中：

Q_in—叶轮入口容积流量；

D_2m—叶轮出口平均外径；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

(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；

u_2m—叶轮平均外径处的圆周速度；

(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。

9.按照权利要求8所述的MCL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＝0.6、0.85、0.9，对于马赫数在0.6≤M_u2≤0.9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。