CN106870403A - 水蒸气压缩机模型级 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心式压缩机模型级，具体地说是一种水蒸气压缩机模型级，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，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；该模型级达到的机器马赫数M_u2＝0.4～0.7，流量系数Ф₁＝0.1～0.2，能头系数t＝0.73～0.78，各马赫数下设计工况点多变效率h_pol＝0.85～0.878。本发明的模型级特点是结构简单、加工成本低、强度高、效率高、流量系数大、能头系数高，本发明模型级的叶轮、扩压器与回流器结构简单，同时使压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，从而实现更高的经济效益。

Description

水蒸气压缩机模型级

技术领域

本发明属于离心式压缩机模型级，具体地说是一种水蒸气压缩机模型级，适用于各类MVR(机械式蒸汽再压缩技术)压缩机产品的模化设计。

背景技术

在离心压缩机的开发、设计过程中，模型级的开发十分重要，新产品的开发依赖于与之对应的新模型级的开发。因此，实际离心压缩机的性能指标决定于模型级的性能。

原有模型级有叶轮能头较高的优势，但效率较低，机组整体耗能较大，同时由于流量系数偏小(约为0.054)，实际使用中效率比较差。在水蒸气压缩机的应用场合中，当饱和水温升在6～8℃以上，迫切需要流量系数大，能头系数0.75左右的高能头闭式模型级。

发明内容

为了解决现有模型组效率低的问题，本发明的目的在于提供一种水蒸气压缩机模型级，使水蒸气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：

本发明包括叶轮、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＝0.4～0.7，流量系数Φ₁＝0.1～0.2，能头系数τ＝0.73～0.78，各马赫数下设计工况点多变效率η_pol＝0.85～0.878；所述叶轮的叶轮叶片为二元叶片，该叶轮叶片进口处为圆角，前10％段为楔形结构，此后均为等厚结构；所述叶轮叶片的吸力面弦长为201.2mm，压力面弦长为197.9mm，所述叶轮进口轮盖型线为一段R＝84.2mm圆弧与一条与铅垂线夹角为14.66°的直线构成，轮毂型线为一条铅垂线。

其中：所述弯道的进出口宽度比b₅/b₄为1.10；

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，m/s；

a—叶轮外径处的音速，m/s；

n—叶轮转速，rpm；

D₂—叶轮出口直径，m；

Z—压缩性系数；

K—绝热指数；

R—气体常数，J/(kg·K)；

T_in—叶轮入口温度，K；

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，m³/s；

D₂—叶轮出口直径，m；

u₂—叶轮外径处的线速度，m/s；

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，Pa；

P₁—级入口气体压力，Pa；

T₂—级出口气体温度，K；

T₁—级入口气体温度，K；

所述能头系数τ的计算公式如下：

其中：

h_tot—总能量头，m²/s²；

u₂—叶轮外径处的线速度，m/s；

所述模型级具有以下设计参数：

(1)叶轮平均直径D₂＝800mm；

(2)流量系数Ф₁＝0.12；

(3)入口条件：叶轮入口压力P_in＝98100Pa，叶轮入口温度T_in＝293K；

(4)机器马赫数

(5)能头系数τ＝0.767；

(6)多变效率η_pol＝0.874；

所述叶轮为闭式的二元流动叶轮，二元流动叶轮的设计参数如下：

叶轮出口平均直径D₂＝800mm，叶片数Z＝19，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85.8°；

所述回流器轮毂型线为铅垂线，轮盖型线为与铅垂线成4.51°夹角的直线；所述回流器的设计参数如下：

叶片数Z＝18，进出口相对位置其中，D₅为回流器入口直径，D₆为回流器出口直径。

本发明中的模型级与现有技术相比，具有以下技术优势：

本发明具有较高的多变效率。采用以往的90度模型级设计水蒸气压缩机时，多变效率最高仅能达到η_pol＝0.79，采用本发明的模型级，多变效率达到η_pol＝0.85～0.878；从而，减少耗功，节约能源和机组运行成本。同时与以往的90度模型级相比，本发明的模型级效率高、能头系数高(τ＝0.77)、流量系数大(Φ₁＝0.118)。采用本发明的模型级可以使得水蒸气压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围。同时本设计模型级叶轮、扩压器和回流器的结构简单，加工成本低，强度高，从而可以为压缩机组获得更高的经济效益。

附图说明

图1为本发明子午流道示意图；图中，1为叶轮，2为无叶扩压器，3为弯道，4为回流器；

图2为本发明二元叶轮叶片示意图；

图3为本发明回流器叶型示意图；

图4为模型级各马赫数下多变效率曲线；其中，横坐标为流量系数，纵坐标为多变效率，曲线马赫数从低到高分别为M_u2＝0.5、0.6；

图5为模型级各马赫数下多变效率曲线；其中，横坐标为流量系数，纵坐标为能头系数，曲线马赫数从低到高分别为M_u2＝0.5、0.6。

具体实施方式

如图1所示，本发明水蒸气压缩机模型级子午流道的结构如下：

该水蒸气压缩机模型级位于水蒸气压缩机内，包括叶轮1、无叶扩压器2、弯道3及回流器4，叶轮1设于模型级的入口位置，在叶轮1的出口设有无叶扩压器2，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。该叶轮1为闭式的二元流动叶轮，叶轮1的叶轮叶片为二元叶片，该叶轮叶片进口处为圆角，前10％段为楔形结构，此后均为等厚结构；叶轮叶片的吸力面弦长为201.2mm，压力面弦长为197.9mm，叶轮1进口轮盖型线为一段R＝84.2mm圆弧与一条与铅垂线夹角为14.66°的直线构成，轮毂型线为一条铅垂线；各尺寸的含义如下：

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；

b₃—无叶扩压器进口宽度；

b₄—无叶扩压器出口宽度；

b₅—回流器进口宽度；

ds—叶轮轮毂直径；

L—模型级跨距；

Ls—盖盘侧叶片轴向跨距；

本实施例中，D₀＝422mm，D₂＝800mm，D₃＝874mm，D₄＝1280mm，D₅＝1270mm，D₆＝572mm，b₂＝58mm，b₃＝58.4mm，b₄＝60mm，b₅＝64.3mm，ds＝136mm，L＝386.5mm，Ls＝40.75mm。

如图2所示，二元叶轮叶片的结构如下：

闭式二元叶轮，叶轮出口直径D₂＝800mm，叶片数Z＝19，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85.8°。

如图3所示，回流器叶型的结构如下：

回流器叶片数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D₅/D₂＝1.588，入口安装角为89.5°，叶片出口相对位置D₆/D₂＝0.715，出口安装角为10.4°。

本发明中，模型级的准确性能由车间性能实验获得。试验结果包括：Mu₂＝0.5、0.6时的流量系数Ф₁～多变效率η_pol(如图4所示)和流量系数Ф₁～能头系数τ(如图5所示)。

本实施例中，MVR压缩机模型级的参数如下：

(1)按公式：

u₂＝200.3m/s；a＝333.94m/s；n＝4782r/min.；D₂＝0.8m；Z＝1.0；K＝1.4；R＝287.32J/(kg.k)；T_in＝277.23K。

经计算，得到机器马赫数M_u2＝0.5998。

(2)按公式：

Q_in＝11.919m³/s；D₂＝0.8m；u₂＝200.3m/s。

经计算，得到流量系数Ф₁＝0.1184。

(3)按公式：

K＝1.4；P₂＝130928.912Pa；P₁＝95404.9498Pa；T₂＝308.119K；T₁＝277.229K。

经计算，得到多变效率η_pol＝0.856。

(4)按公式：

h_tot＝Cp(T2-T1)＝31063.29m m²/s²；u₂＝200.3m/s。

经计算，得到能头系数τ＝0.776。

实施例结果表明，采用本发明按照所需参数设计的二元闭式叶轮模型级，使MVR压缩机产品效率提高5％以上，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)

1.一种水蒸气压缩机模型级，其特征在于：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＝0.4～0.7，流量系数Ф₁＝0.1～0.2，能头系数τ＝0.73～0.78，各马赫数下设计工况点多变效率η_pol＝0.85～0.878；所述叶轮(1)的叶轮叶片为二元叶片，该叶轮叶片进口处为圆角，前10％段为楔形结构，此后均为等厚结构；所述叶轮叶片的吸力面弦长为201.2mm，压力面弦长为197.9mm，所述叶轮(1)进口轮盖型线为一段R＝84.2mm圆弧与一条与铅垂线夹角为14.66°的直线构成，轮毂型线为一条铅垂线。

2.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述弯道(3)的进出口宽度比b₅/b₄为1.10。

3.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述机器马赫数M_u2的计算公式如下：

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{\mathrm{\π}nD2}{60\sqrt{{\mathrm{ZKRT}}_{in}}},$ 其中：

u₂—叶轮外径处的线速度，m/s；

a—叶轮外径处的音速，m/s；

n—叶轮转速，rpm；

D₂—叶轮出口直径，m；

Z—压缩性系数；

K—绝热指数；

R—气体常数，J/(kg·K)；

T_in—叶轮入口温度，K。

4.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述流量系数Ф₁的计算公式如下：

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

Q_in—叶轮入口容积流量，m³/s；

D₂—叶轮出口直径，m；

u₂—叶轮外径处的线速度，m/s。

5.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述多变效率η_pol的计算公式如下：

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

K—气体绝热指数；

P₂—级出口气体压力，Pa；

P₁—级入口气体压力，Pa；

T₂—级出口气体温度，K；

T₁—级入口气体温度，K。

6.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述能头系数τ的计算公式如下：

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

h_tot—总能量头，m²/s²；

u₂—叶轮外径处的线速度，m/s。

7.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述模型级具有以下设计参数：

(1)叶轮出口直径D₂＝800mm；

(2)流量系数Ф₁＝0.12；

(3)入口条件：叶轮入口压力P_in＝98100Pa，叶轮入口温度T_in＝293K；

(4)机器马赫数M_u2＝0.6；

(5)能头系数t＝0.767；

(6)多变效率η_pol＝0.874。

8.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述叶轮(1)为闭式的二元叶轮，二元叶轮的设计参数如下：

叶轮出口直径D₂＝800mm，叶片数Z＝19，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85.8°。

9.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述回流器(4)轮毂型线为铅垂线，轮盖型线为与铅垂线成4.51°夹角的直线。

10.按权利要求1所述的水蒸气压缩机模型级，其特征在于：所述回流器(4)的设计参数如下：

叶片数Z＝18，进出口相对位置其中，D₅为回流器入口直径，D₆为回流器出口直径。