CN104537173A - 离心压缩机级间加气结构的设计装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的离心压缩机级间加气结构的设计装置，包括第一设计模块，在至少一级离心压缩机的弯道处开设加气口，在所述加气口增设加气结构，从而引入加气气流；所述加气结构包括加气蜗室及加气导叶；加气蜗室设计模块，对所述加气蜗室的截面进行设计；叶型设计模块，对所述加气导叶叶型进行设计。采用本发明提供的离心压缩机级间加气结构的设计装置，在叶轮个数较多时，可以缩短压缩机轴向跨距，机组的临界转速更容易通过。

Description

离心压缩机级间加气结构的设计装置

技术领域

本发明涉及离心压缩机技术领域，特别涉及一种离心压缩机级间加气结构的设计装置。

背景技术

由于石化生产规模不断扩大、化工工艺过程日益复杂，在诸如大型乙烯、大型化肥等工艺装置中，离心压缩机组经常需要在级间某处进行加气。若加气结构设计不当，可能造成混合气出口流场产生较大畸变。由于目前基本级开发都是基于均匀来流条件设计的，下一级进口流场的不均匀性直接造成叶片的进口角度在大范围内变化，不仅会影响级的效率，严重时还会引发旋转失速等严重的气流脉动现象，使机组不能正常工作，直接影响装置的可靠性及经济性。由于加气结构复杂，且该类产品日益增多，每次都采用CFD方法设计耗时耗力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种离心压缩机级间加气结构的设计装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种离心压缩机级间加气结构的设计装置，包括第一设计模块，在至少一级离心压缩机的弯道处开设加气口，在所述加气口增设加气结构，从而引入加气气流；所述加气结构包括加气蜗室及加气导叶；加气蜗室设计模块，对所述加气蜗室的截面进行设计；叶型设计模块，对所述加气导叶叶型进行设计。

进一步地，所述加气蜗室设计模块包括截面形状设计单元，设计所述加气蜗室的截面的形状为变截面；第一计算单元，当蜗壳截面高度h为给定值时，通过确定截面的宽度b；或

当蜗壳截面宽度b为给定值时，通过确定截面的高度h；

其中，c_u01为气体在某一角截面上直径D₀₁处的圆周方向的切向分速度，q_v01为蜗壳进口容积流量，D₀₁为加气导叶入口直径，δ为流量修正系数，1.05≤δ≤1.1。

进一步地，所述叶型设计模块包括气流角计算单元，计算加气导叶入口气流角及加气导叶出口气流角；叶型确定单元，根据所述加气导叶入口气流角、加气导叶出口气流角、导叶入口直径及导叶出口直径确定加气导叶的叶型。

进一步地，所述气流角计算单元包括第二计算单元，根据b₀₁≈1.2×(m₀/m₁)×b₄计算所述加气口入口宽度b₀₁；根据计算加气口入口的切向速度；根据计算加气口入口的径向速度；第三计算单元，根据公式α₀₁＝tan^-1(V_r/V_t)，α₀₂＝α_5A+5°，计算得α₀₁和α₀₂；所述D₀₁为导叶入口直径，D₀₂为导叶出口直径，b₀₁加气口入口宽度，α₀₁为加气导叶入口气流角，α₀₂为加气导叶出口气流角，m₀为加气气流流量，所述b为加气蜗室的蜗壳360°截面宽度，h加气蜗室的蜗壳360°截面高度，ρ为加气口气流密度，b₄是无叶扩压器出口宽度，α_5A是回流器入口安装角。

进一步地，所述叶型确定单元包括第四计算单元，根据导叶入口直径D₀₁、导叶出口直径D₀₂，加气导叶入口气流角α₀₁、加气导叶出口气流角α₀₂确定导叶中弧线半径R及圆心位置的半径R₀。

$R=\frac{1-{(D_{02}/D_{01})}^2}{4({\cos \mathrm{\α}}_{01}-(D_{02}/D_{01})\cos {\mathrm{\α}}_{02})}{D}_{01}$

$R_0=\sqrt{R(R-D_{01}\cos {\mathrm{\α}}_{01})+\left(\frac{D_{01}}{2}\right)2}$

绘制单元，绘制半径为R₀，D₀₁及D₀₂的圆，在圆R₀上以R为半径绘制圆弧线，交于圆D₀₁和D₀₂上，确定导叶中弧线；根据叶片厚度，绘制导叶的型线。

进一步地，该装置还包括判断模块，根据所述回流器入口冲角、主气流流量比、加气气流流量比、加气导叶入口气流角，加气口出口气流角判断所述是否在加气蜗室出口加设加气导叶。

进一步地，所述判断模块包括回流器入口冲角计算单元，计算回流器入口冲角Δα₅；判断单元，利用公式k₁Δα5+k₂(α₀₂′+3-α_5A)<5°，若满足该条件，则认为加气蜗室出口不加加气导叶，若k₁Δα5+k₂(α₀₂′+3-α_5A)>5°，则设计加气导叶，不加导叶情况下的加气口出口气流角取为α₀₂′，取所述Δα5为回流器入口冲角，α₀₁为加气口入口气流角，α₀₂′为不加导叶情况下的加气口出口气流角，b₀₁为加气口入口宽度，b₀₂为加气口出口宽度，α_5A回流器入口安装角，流量百分比k₁＝m₁/m，流量百分比k₂＝m₀/m，m₁为主气流流量，m₀为加气气流，m为总气流。

进一步地，所述回流器入口冲角计算单元包括弯道出口气流角计算单元，根据主气流进口气动参数P₁、P₂、T₁、T₂、Q₁以及叶轮几何参数D₂、b₂、Z、δ₂、β_2A，计算叶轮阻塞系数τ₂以及出口流量系数和圆周系数，从而计算出叶轮出口气流角α₂；根据公式计算出扩压器入口气流角α₃；根据扩压器内的气体流动规律a₄＝a₃计算出扩压器出口气流角α₄；根据公式计算出弯道出口气流角α₅；第五计算单元，根据利用公式Δα₅＝α₅-α_5A计算出回流器入口冲角Δα₅；所述P₁是主气流叶轮进口压力，T₁是主气流叶轮进口温度，P₂是主气流叶轮出口压力，T₁是主气流叶轮出口温度，Q₁是主气流进口流量，D₂是主气流叶轮直径，b₂是主气流叶轮出口宽度，Z是主气流叶轮叶片数，δ₂是主气流叶轮叶片厚度，β_2A是主气流叶轮叶片出口安装角，b₃是无叶扩压器进口宽度，b₄是无叶扩压器出口宽度，b₅是回流器入口宽度，α_5A回流器入口安装角，所述K为考虑弯道中由于摩擦而使动量矩损失的系数，如果存在叶片扩压器，K＝1.35，对于无叶扩压器，K＝1.5～1.7。

进一步地，所述计算出叶轮出口气流角α₂是通过以下公式计算得出：

叶轮阻塞系数τ₂＝1-Zδ₂/(πD₂sinβ_2A)，叶轮出口绝对速度径向分速度C_2γ＝Q/πD₂b₂τ₂，叶轮出口流量系数叶轮出口圆周系数叶轮出口气流角

本发明提供的离心压缩机级间加气结构的设计装置，由于采用加气蜗壳后增加加气导叶，并对加气导叶的宽度和叶型进行设计，既提高气流的周向均匀性，又改变加气气流角，确保加气气流与主气流混合后流入下级回流器时不产生较大的冲角。

附图说明

图1为本发明实施例提供的离心压缩机级间加气结构示意图；

图2为本发明实施例提供的加气导叶在蜗壳的分布示意图；

图3为本发明实施例提供的弯道加气后气体流向示意图；

图4为本发明实施例提供的离心压缩机级间加气结构的设计装置结构框图；

图5为本发明实施例提供的加气蜗壳设计模块的结构框图；

图6为本发明实施例提供的加气导叶设计模块的结构框图；

图7为本发明实施例提供的加气蜗室某一角位置的截面示意图；

图8为本发明实施例提供的加气蜗室和加气导叶的截面示意图；

图9为本发明实施例提供的加气导叶叶型设计示意图；

图10为本发明实施例提供的判断模块的结构框图。

其中，1-加气蜗室，2-加气叶轮，3-回流器，4-弯道，5-扩压器，6-主气流叶轮。

具体实施方式

参见图1所示，本发明实施例提供的离心压缩机级间加气结构的设计装置，包括第一设计模块10、加气蜗室设计模块20及叶型设计模块30。其中，第一设计模块10在至少一级离心压缩机的弯道处开设加气口，在加气口增设加气结构，从而引入加气气流。参见图2-4，具体是在至少一级离心压缩机的弯道处4开设加气口，在加气口增设加气结构，从而为主气流9引入加气气流7。加气结构包括加气蜗室1及加气蜗室2。其中，加气蜗室的蜗壳为变截面蜗壳。加气导叶2以相同的叶型沿圆周的方式均布在加气蜗室1的蜗壳后，从而提高气流的周向均匀性和改变加气气流角，确保加气气流7与主气流9混合后流入下一级回流器3时不产生较大的冲角。加气导叶的作用主要有两个，一是提高气流的周向均匀性，二是改变加气气流角，以确保加气气流与主气流混合后流入下级回流器时不产生较大的冲角。这种加气结构在叶轮个数较多时，可以缩短压缩机轴向跨距，机组的临界转速更容易通过。加气蜗室设计模块20，对加气蜗室1的截面进行设计；叶型设计模块30，对加气导叶2叶型进行设计。将在后面分别对加气蜗室设计模块20及叶型设计模块30进行具体介绍。

参见图5，加气蜗室设计模块20具体包括截面形状设计单元201及第一计算单元202。截面形状设计单元201设计加气蜗室1的截面的形状为变截面；第一计算单元，当蜗壳截面高度h为给定值时，通过确定截面的宽度b；或

当蜗壳截面宽度b为给定值时，通过确定截面的高度h；其中，c_u01为气体在某一角截面上直径D₀₁处的圆周方向的切向分速度，q_v01为蜗壳进口容积流量，D₀₁为加气导叶入口直径，δ为流量修正系数，1.05≤δ≤1.1。另外，加气蜗室的出风筒1’的当量扩张角控制在4°-7.5°内。下一级回流器3的入口冲角小于5度，而加气后回流器入口宽度应该适当增宽，以保证回流器入口冲角不超过一定的范围，因此下一级回流器3的宽度为b₅'＝b₅/k1，流量百分比k₁＝m₁/m，其中，b₅为回流器入口宽度，主气流流量m₁kg/s，加气气流m₀kg/s，总气流m kg/s。

参见图6，叶型设计模块30包括气流角计算单元301及叶型确定单元302。气流角计算单元301计算加气导叶入口气流角及加气导叶出口气流角。其中，气流角计算单元301包括第二计算单元及第三计算单元。参见图7、8，加气气流由加气蜗壳流入，沿圆周360°进行加气，已知加气入口的气动参数P₀、T₀、ρ、m₀，蜗壳360°截面宽度b，高度h，01-01截面为加气口入口截面，02-02为加气口出口截面，如果此位置安装加气导叶，则01-01和02-02截面分别为加气导叶的入口截面和出口截面，设导叶入口直径D₀₁，出口直径D₀₂，入口宽度b₀₁，出口宽度b₀₂，以及入口气流角α₀₁，出口气流角α₀₂。其中，根据CFD结果，加气口进口宽度b₀₁应该根据主气流与加气气流流量比确定，并考虑一定的系数，即第二计算单元根据b₀₁≈1.2×(m₀/m₁)×b₄计算加气口入口宽度b₀₁；CFD计算结果表明，b₀₁＝b₀₂或者b₀₁比b₀₂略大比较好，使加气口呈渐缩式，即保证01到02截面之间的倾角 一般情况下取b₀₁＝b₀₂。根据计算加气口入口的切向速度；根据计算加气口入口的径向速度。

第三计算单元根据公式α₀₁＝tan^-1(V_r/V_t)，α₀₂＝α_5A+5°，计算得α₀₁和α₀₂；D₀₁为导叶入口直径，D₀₂为导叶出口直径，b₀₁加气口入口宽度，α₀₁为加气导叶入口气流角，α₀₂为加气导叶出口气流角，m₀为加气气流流量，b为加气蜗室的蜗壳360°截面宽度，h为加气蜗室的蜗壳360°截面高度，ρ为加气口气流密度，b₄是无叶扩压器出口宽度(即扩压器5不带叶片)，α_5A是回流器入口安装角。

叶型确定单元302根据加气导叶入口气流角、加气导叶出口气流角、导叶入口直径及导叶出口直径确定加气导叶的叶型。其中，导叶入口直径及导叶出口直径可以根据具体设计时压缩机的机壳尺寸和加气蜗室尺寸确定。

叶型确定单元包括第四计算单元及绘制单元。参见图9，加气导叶叶型采用单列，单圆弧形式。第四计算单元根据导叶入口直径D₀₁、导叶出口直径D₀₂，加气导叶入口气流角α₀₁、加气导叶出口气流角α₀₂确定导叶中弧线半径R及圆心位置的半径R₀。

$R=\frac{1-{(D_{02}/D_{01})}^2}{4({\cos \mathrm{\&alpha;}}_{01}-(D_{02}/D_{01})\cos {\mathrm{\&alpha;}}_{02})}{D}_{01}$

$R_0=\sqrt{R(R-D_{01}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_{01})+\left(\frac{D_{01}}{2}\right)2}$

绘制单元绘制半径为R₀，D₀₁及D₀₂的圆，在圆R₀上以R为半径绘制圆弧线，交于圆D₀₁和D₀₂上，确定导叶中弧线；根据叶片厚度(等厚度或者变厚度)，绘制导叶的型线。

本发明实施例提供的离心压缩机级间加气结构的设计装置，经过大量的试验发现如果加气后的混合气流流入下一级回流器的入口冲角在5°以内，那么这个设计的加气结构效果很好。那么为保证加气后的混合气流流入下一级回流器的入口冲角在5°以内，该装置还包括判断模块，即判断是否需要加加气导叶就需要判断，参见图10，该判断模块具体包括：

回流器入口冲角计算单元计算回流器入口冲角，具体如下：根据主气流进口气动参数P₁、P₂、T₁、T₂、Q₁以及叶轮几何参数，D₂、b₂、Z、δ₂、β_2A，计算叶轮阻塞系数τ₂以及出口流量系数和圆周系数，从而计算出叶轮出口气流角α₂；

即叶轮阻塞系数τ₂＝1-Zδ₂/(πD₂sinβ_2A)，叶轮出口绝对速度径向分速度C_2γ＝Q/πD₂b₂τ₂，叶轮出口流量系数叶轮出口圆周系数叶轮出口气流角

根据公式计算出扩压器入口气流角α₃；

根据扩压器内的气体流动规律α₄＝α₃，计算出扩压器出口气流角α₄；

弯道出口气流角α₅的大小与扩压器形式有关，在无叶扩压器后面的弯道中，转弯后气流方向角增大比在叶片扩压器后面的弯道中的增大要更大些。可以用公式计算出弯道出口气流角α₅，式中K为考虑弯道中由于摩擦而使动量矩损失的系数，如果存在叶片扩压器(即扩压器5设有叶片)，K＝1.35，对于无叶扩压器(即扩压器5没有设有叶片)，K＝1.5～1.7；

利用公式Δα₅＝α₅-α_5A，计算出回流器入口冲角。

各参数说明如下：

P₁—主气流叶轮进口压力(单位，Pa)

T₁—主气流叶轮进口温度(单位，K)

P₂—主气流叶轮出口压力(单位，Pa)

T₂—主气流叶轮出口温度(单位，K)

Q₁—主气流进口流量(单位，m³/h)

D₂—主气流叶轮直径(单位，m)

b₂—主气流叶轮出口宽度(单位，m)

Z—主气流叶轮叶片数

δ₂—主气流叶轮叶片厚度(单位，m)

β_2A—主气流叶轮叶片出口安装角(单位，°)

b₃—无叶扩压器进口宽度(单位，m)

b₄—无叶扩压器出口宽度(单位，m)

b₅—回流器入口宽度(单位，m)

α_5A—回流器入口安装角(单位，°)

判断单元402根据回流器入口冲角、主气流流量比、加气气流流量比、加气导叶入口气流角，加气口出口气流角判断是否在加气蜗室出加设加气导叶。具体如下：

利用公式k₁Δα5+k₂(α₀₂′+3-α_5A)<5°，若满足该条件，则认为加气蜗室出口不加加气导叶，若k₁Δα5+k₂(α₀₂′+3-α_5A)>5°，则设计加气导叶，不加导叶情况下的加气口出口气流角取为α₀₂′，取 Δα₅是不考虑加气时回流器入口冲角，α₀₁为加气口入口气流角，α₀₂′为不加导叶情况下的加气口出口气流角，b₀₁为加气口入口宽度，b₀₂为加气口出口宽度，α_5A回流器入口安装角，流量百分比k₁＝m₁/m，流量百分比k₂＝m₀/m，m₁为主气流流量，m₀为加气气流，m为总气流。

为了保证回流器入口冲角小于5度，加气后回流器入口宽度也应该适当增宽，以保证回流器入口冲角不超过一定的范围。因此增宽后的回流器入口宽度b₅'＝b₅/k1，流量百分比k₁＝m₁/m，其中，b₅为回流器入口宽度，主气流流量m₁kg/s，加气气流m₀kg/s，总气流m kg/s。

本发明提供的离心压缩机级间加气结构的设计装置，具有以下技术效果：

1.采用在离心压缩机弯道处加气的结构，这种加气结构在叶轮个数较多时，可以缩短压缩机轴向跨距，机组的临界转速更容易通过。

2.采用变截面加气蜗壳，并对加气蜗壳的面积进行了设计，从而保证加气气流的周向均匀性；

3.采用加气蜗壳后增加加气导叶，并对加气导叶的宽度和叶型进行设计，既提高气流的周向均匀性，又改变加气气流角，确保加气气流与主气流混合后流入下级回流器时不产生较大的冲角。

4.给出了评判加气结构设计是否合理的判断准则，可以指导压缩机设计者进行加气结构设计。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，包括：

第一设计模块，在至少一级离心压缩机的弯道处开设加气口，在所述加气口增设加气结构，从而引入加气气流；所述加气结构包括加气蜗室及加气导叶；

加气蜗室设计模块，对所述加气蜗室的截面进行设计；

叶型设计模块，对所述加气导叶叶型进行设计。

2.根据权利要求1离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，所述加气蜗室设计模块包括：

截面形状设计单元，设计所述加气蜗室的截面的形状为变截面；

第一计算单元，当蜗壳截面高度h为给定值时，通过确定截面的宽度b；或

当蜗壳截面宽度b为给定值时，通过确定截面的高度h；

其中，c_u01为气体在某一角截面上直径D₀₁处的圆周方向的切向分速度，q_v01为蜗壳进口容积流量，D₀₁为加气导叶入口直径，δ为流量修正系数，1.05≤δ≤1.1。

3.根据权利要求1离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，所述叶型设计模块包括：

气流角计算单元，计算加气导叶入口气流角及加气导叶出口气流角；

叶型确定单元，根据所述加气导叶入口气流角、加气导叶出口气流角、导叶入口直径及导叶出口直径确定加气导叶的叶型。

4.根据权利要求3离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，所述气流角计算单元包括：

第二计算单元，根据b₀₁≈1.2×(m₀/m₁)×b₄计算所述加气口入口宽度b₀₁；根据计算加气口入口的切向速度；根据计算加气口入口的径向速度；

第三计算单元，根据公式α₀₁＝tan^-1(V_r/V_t)，α₀₂＝α_5A+5°，计算得α₀₁和α₀₂；

所述D₀₁为导叶入口直径，D₀₂为导叶出口直径，b₀₁加气口入口宽度，α₀₁为加气导叶入口气流角，α₀₂为加气导叶出口气流角，m₀为加气气流流量，m₁为主气流流量，所述b为加气蜗室的蜗壳360°截面宽度，h加气蜗室的蜗壳360°截面高度，ρ为加气口气流密度，b₄是无叶扩压器出口宽度，α_5A是回流器入口安装角。

5.根据权利要求3离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，所述叶型确定单元包括：

第四计算单元，根据导叶入口直径D₀₁、导叶出口直径D₀₂，加气导叶入口气流角α₀₁、加气导叶出口气流角α₀₂确定导叶中弧线半径R及圆心位置的半径R₀；

$R=\frac{1-{(D_{02}/D_{01})}^2}{4(\cos {\mathrm{\&alpha;}}_{01}-(D_{02}/D_{01})\cos {\mathrm{\&alpha;}}_{02})}{D}_{01}$

$R_0=\sqrt{R(R-D_{01}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_{01})+{\left(\frac{D_{01}}{2}\right)}^2}$

绘制单元，绘制半径为R₀，D₀₁及D₀₂的圆，在圆R₀上以R为半径绘制圆弧线，交于圆D₀₁和D₀₂上，确定导叶中弧线；根据叶片厚度，绘制导叶的型线。

6.根据权利要求1-5任一项离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，还包括：

判断模块，根据所述回流器入口冲角、主气流流量比、加气气流流量比、加气导叶入口气流角，加气口出口气流角判断所述是否在加气蜗壳出口加设加气导叶。

7.根据权利要求6离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，所述判断模块包括：

回流器入口冲角计算单元，计算回流器入口冲角Δα₅；

判断单元，利用公式k₁Δα5+k₂(α₀₂′+3-α_5A)<5°，若满足该条件，则认为加气蜗壳出口不加加气导叶，若k₁Δα5+k₂(α₀₂′+3-α_5A)>5°，则设计加气蜗壳出口加加气导叶，不加导叶情况下的加气口出口气流角取为α₀₂′，取所述Δα5为回流器入口冲角，α₀₁为加气导叶入口气流角，α₀₂′为不加导叶情况下的加气口出口气流角，b₀₁为加气口入口宽度，b₀₂为加气口出口宽度，α_5A回流器入口安装角，流量百分比k₁＝m₁/m，流量百分比k₂＝m₀/m，m₁为主气流流量，m₀为加气气流，m为总气流。

8.根据权利要求7离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，所述回流器入口冲角计算单元包括：

弯道出口气流角计算单元，根据主气流进口气动参数P₁、P₂、T₁、T₂、Q₁以及叶轮几何参数D₂、b₂、Z、δ₂、β_2A，计算叶轮阻塞系数τ₂以及出口流量系数和圆周系数，从而计算出叶轮出口气流角α₂；根据公式计算出扩压器入口气流角α₃；根据扩压器内的气体流动规律α₄＝α₃计算出扩压器出口气流角α₄；根据公式计算出弯道出口气流角α₅；

第五计算单元，根据利用公式Δα₅＝α₅-α_5A计算出回流器入口冲角Δα₅；

所述P₁是主气流叶轮进口压力，T₁是主气流叶轮进口温度，P₂是主气流叶轮出口压力，T₁是主气流叶轮出口温度，Q₁是主气流进口流量，D₂是主气流叶轮直径，b₂是主气流叶轮出口宽度，Z是主气流叶轮叶片数，δ₂是主气流叶轮叶片厚度，β_2A是主气流叶轮叶片出口安装角，b₃是无叶扩压器进口宽度，b₄是无叶扩压器出口宽度，b₅是回流器入口宽度，α_5A回流器入口安装角，所述K为考虑弯道中由于摩擦而使动量矩损失的系数，如果存在叶片扩压器，K＝1.35，对于无叶扩压器，K＝1.5～1.7。

9.根据权利要求8离心压缩机级间加气结构的设计装置，其特征在于，所述计算出叶轮出口气流角α₂是通过以下公式计算得出：

叶轮阻塞系数τ₂＝1-Zδ₂/(πD₂sinβ_2A)，叶轮出口绝对速度径向分速度C_2r＝Q/πD₂b₂τ₂，叶轮出口流量系数叶轮出口圆周系数叶轮出口气流角