CN106870447A - 管线压缩机专用模型级 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心式压缩机模型级，具体地说是一种管线压缩机专用模型级，适用于管线压缩机产品的模化设计，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；该模型级的设计机器马赫数M_u2＝0.35～0.5，流量系数Ф₁＝0.023～0.053，能头系数τ＝0.47～0.71，各马赫数下设计工况点多变效率η_pol＝0.846～0.873，该模型级的轮毂比ds/D₂为0.4，跨距和直径之比L/D₂为0.292。本发明的模型级效率高、能头系数高、轮毂比大，跨距小，采用本发明的模型级可以使得管线压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，同时可以降低转子工作转速，缩小轴承跨距，提高转子的稳定性。

Description

管线压缩机专用模型级

技术领域

本发明属于离心式压缩机模型级，具体地说是一种管线压缩机专用模型级，适用于各类管线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。

模型级因流量系数较小，一般用在管线压缩机的支线压缩机；但是因为现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。

发明内容

为了解决现有模型级存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于管线压缩机产品设计的闭式二元小流量系数专用模型级，使管线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＝0.35～0.5，流量系数Ф₁＝0.023～0.053，能头系数τ＝0.47～0.71，各马赫数下设计工况点多变效率η_pol＝0.846～0.873；所述叶轮的叶轮叶片为二元叶片，该叶轮距离叶片进口15％弦长到85％弦长的位置为等厚叶片，所述叶轮的叶片进口到5％～15％弦长位置为梯形叶片，叶片进口用30％～60％叶片厚度的导圆做进口；所述叶轮叶片80％～95％弦长到叶片出口位置的吸力面侧通过平面切割，所述叶轮的出口叶片厚度为叶片厚度的30％～60％。

其中：所述无叶扩压器进口宽度和叶轮出口宽度的比b₃/b₂为0.98，同时无叶扩压器出口宽度和无叶扩压器进口宽度的比b₄/b₃为0.87；所述弯道的进出口宽度比b₅/b₄为1.45；

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)叶轮出口直径D₂＝500mm；

(2)流量系数Ф₁＝0.037；

(3)叶轮转速n＝5895rpm；

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

(5)机器马赫数M_u2＝0.45；

(6)能头系数τ＝0.60；

(7)多变效率η_pol＝0.849；

所述叶轮为闭式的二元叶轮，二元叶轮的设计参数如下：

叶轮出口直径D₂＝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40°；

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，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。

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。采用以往的模型级设计管线压缩机时，多变效率最高仅能达到ηpol＝0.822～0.833；采用本发明的模型级，多变效率达到ηpol＝0.846～0.873，从而减少耗功，节约能源和机组运行成本。同时与以往的模型级相比，本发明的模型级效率高、能头系数高(τ＝0.60)、轮毂比大(ds/D₂＝0.4)，跨距小(L/D₂＝0.292)。采用本发明的模型级可以使得管线压缩机具有较高的运行效率和较宽的工况范围，同时可以降低转子工作转速，缩小轴承跨距，提高转子的稳定性。

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＝0.35、0.45、0.5；

图5为模型级各马赫数下能头系数曲线；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＝0.35、0.45、0.5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明管线压缩机模型级子午流道的结构如下：

该管线压缩机专用模型级位于管线压缩机内，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设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为闭式的二元叶轮，回流器4采用全高香蕉型叶片。叶轮1的叶轮叶片为二元叶片，该叶轮1距离叶片进口15％弦长到85％弦长的位置为等厚叶片，叶轮1的叶片进口到5％～15％弦长位置为梯形叶片，叶片进口用约30％～60％叶片厚度的导圆做进口。叶轮叶片80％～95％弦长到叶片出口位置的吸力面侧由平面进行切割，叶轮1的出口叶片厚度为叶片厚度的30％～60％。无叶扩压器2进口宽度和叶轮出口宽度的比b₃/b₂为0.98，同时无叶扩压器2出口宽度和无叶扩压器2进口宽度的比b₄/b₃为0.87；弯道3的进出口宽度比b₅/b₄为1.45；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；

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；

Lh—轴盘侧叶片轴向跨距；

θ2—回流器子午流道的倾角；

本实施例中，D₀＝277mm，D₂＝500mm，D₃＝545mm，D₄＝800mm，D₅＝786mm，D₆＝432mm，b₂＝23.1mm，b₃＝22.5mm，b₄＝19.6mm，b₅＝28.4mm，ds＝200mm，L＝146mm，Ls＝15.1mm，Lh＝2.3mm，θ2＝3°。

如图2所示，二元叶轮叶片的结构如下：

闭式的二元叶轮，叶轮出口直径D₂＝500mm，叶片数Z＝15，叶轮相对出口宽度b₂/D₂＝0.046。

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，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＝1.57，入口安装角为19.7°，叶片出口相对位置D₆/D₂＝0.86，出口安装角为109°。

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、0.45、0.5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，管线压缩机模型级的参数如下：

(1)按公式：

u₂＝158.1m/s；a＝351.5m/s；n＝6038r/min.；D₂＝0.5m；Z＝1.0；K＝1.4；R＝289.7J/(kg.k)；T_in＝304.6K。

经计算，得到机器马赫数M_u2＝0.45。

(2)按公式：

Q_in＝1.164m³/s；D₂＝0.5m；u₂＝158.1m/s。

经计算，得到流量系数Ф₁＝0.037。

(3)按公式：

K＝1.4；P₂＝111142Pa；P₁＝96566Pa；T₂＝319.35K；T₁＝304.6K。

经计算，得到多变效率η_pol＝0.849。

(4)按公式：

h_tot＝14955m；u₂＝158.1m/s。

经计算，得到能头系数τ＝0.598。

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，使管线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 (10)

1.一种管线压缩机专用模型级，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＝0.35～0.5，流量系数Ф₁＝0.023～0.053，能头系数τ＝0.47～0.71，各马赫数下设计工况点多变效率η_pol＝0.846～0.873；所述叶轮(1)的叶轮叶片为二元叶片，该叶轮(1)距离叶片进口15％弦长到85％弦长的位置为等厚叶片，所述叶轮(1)的叶片进口到5％～15％弦长位置为梯形叶片，叶片进口用30％～60％叶片厚度的导圆做进口；所述叶轮(1)叶片80％～95％弦长到叶片出口位置的吸力面侧通过平面切割，所述叶轮(1)的出口叶片厚度为叶片厚度的30％～60％。

2.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，其特征在于：所述无叶扩压器(2)进口宽度和叶轮出口宽度的比b₃/b₂为0.98，同时无叶扩压器(2)出口宽度和无叶扩压器(2)进口宽度的比b₄/b₃为0.87。

3.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，其特征在于：所述弯道(3)的进出口宽度比b₅/b₄为1.45。

4.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，其特征在于：所述机器马赫数M_u2的计算公式如下：

$M_{u2}=\frac{u_2}{a}=\frac{{\mathrm{\πnD}}_2}{60\sqrt{{\mathrm{ZKRT}}_{in}}},$ 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。

5.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，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。

6.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，其特征在于：所述多变效率η_pol的计算公式如下：

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

7.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，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。

8.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，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＝500mm；

(2)流量系数Ф₁＝0.037；

(3)叶轮转速n＝5895rpm；

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

(5)机器马赫数M_u2＝0.45；

(6)能头系数τ＝0.6；

(7)多变效率η_pol＝0.849。

9.按权利要求1所述的管线压缩机专用模型级，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＝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40°。

10.按权利要求1或2所述的管线压缩机专用模型级，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。