CN112032076A - 一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法和装置 - Google Patents

一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法和装置，通过详细的参数化设计，可以准确反映机组实际几何特性；并且，模化比经过相关经验公式计算得到，可精确的反映模化后机组与原型机的关系；再者，相似设计中的计算公式考虑了中间推导过程的影响，考虑了更多的影响参数，所选公式更好的反映流动本质，基本可以保证模化后叶轮的无量纲性能与原型机一致；最后，模化比计算公式区分了不同工质的影响，可以实现不同工质间的模型级模化选型设计，且保证模化后模型级的性能。

Description

一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法和装置
技术领域
本发明涉及大型化工离心压缩机技术领域，尤其涉及一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法和装置。
背景技术
大型化工离心压缩机模型级当前进行模化选型设计时，严格参照离心压缩机的相似条件去进行相似缩放：选定模化比，利用几何相似、进口速度三角形相似、马赫数相等、气体等熵指数相等等相似准则进行模化选型设计。
现有技术存在以下缺点：
(1)机组几何参数较为简单，不能准确反映机组实际几何特性；
(2)模化比是简单的选取，不能精确的反映模化后机组与原型机的关系；
(3)基于简单公式的相似设计，基本只能实现叶轮的模化设计，且很难保证模化后叶轮的性能；
(4)相似设计参照的基准过于简单，无法实现不同工质间的模化。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法和装置。
一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法，所述方法包括：接收用户定义的压缩机原模型级参数，并接收用户定义的压缩机新模型级的设计要求；基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比；根据所述相似准则，基于所述目标压比，确定所述压缩机模型级模化设计的模化比；根据所述模化比，确定所述新模型级的当量转速；根据所述模化比和所述当量转速，得到所述压缩机模型级模化后的新模型级的几何参数，完成模化选型设计。
在其中一个实施例中，所述接收用户定义的压缩机原模型级参数之后，还包括：将所述原模型级拆解为子午流道型线和叶片型线两部分，所述子午流道型线分为叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器和出口弯头五个部分，所述叶片型线分为叶轮和回流器两个部分；基于所述原模型级拆解，针对每一部件选择适应其需求的参数化设计，建立不同的参数化设计几何参数模板。
在其中一个实施例中，所述基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比之前，还包括：为保证所述新模型级与所述原模型级运动相似，选取进出口比容比相等作为预设的相似准则。
在其中一个实施例中，所述基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比之前，还包括：为保证所述新模型级与所述原模型级动力相似，选取马赫数相等作为预设的相似准则。
在其中一个实施例中，所述基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比，具体为：基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计，获得压比与等熵指数、多变效率的关系表达式；根据所述模化的设计要求，获取所述新模型级的等熵指数，并基于所述关系表达式，计算所述新模型级的目标压比。
一种压缩机的模化设计装置，包括信息接收模块、压比获取模块、模化比获取模块、转速获取模块和参数获取模块，其中：所述信息接收模块用于，接收用户定义的压缩机原模型级参数，并接收用户定义的压缩机新模型级的设计要求；所述压比获取模块用于，基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比；所述模化比获取模块用于，根据所述相似准则，基于所述目标压比，确定所述压缩机模型级模化设计的模化比；所述转速获取模块用于，根据所述模化比，确定所述新模型级的当量转速；所述参数获取模块用于，根据所述模化比和所述当量转速，得到所述压缩机模型级模化后的新模型级的几何参数，完成模化设计。
在其中一个实施例中，所述装置还包括参数设计模块：所述参数设计模块用于，将所述原模型级拆解为子午流道型线和叶片型线两部分，所述子午流道型线分为叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器和出口弯头五个部分，所述叶片型线分为叶轮和回流器两个部分；所述参数设计模块还用于，基于所述原模型级拆解，针对每一部件选择适应其需求的参数化设计，建立不同的参数化设计几何参数模板。
在其中一个实施例中，所述装置还包括运动相似模块：所述运动相似模块用于，为保证所述新模型级与所述原模型级运动相似，选取进出口比容比相等作为预设的相似准则。
在其中一个实施例中，所述装置还包括动力相似模块：所述动力相似模块用于，为保证所述新模型级与所述原模型级动力相似，选取马赫数相等作为预设的相似准则。
在其中一个实施例中，所述压比获取模块包括关系获取单元和压比计算单元，其中：所述关系获取单元用于，基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计，获得压比与等熵指数、多变效率的关系表达式；所述压比计算单元用于，根据所述模化的设计要求，获取所述新模型级的等熵指数，并基于所述关系表达式，计算所述新模型级的目标压比。
上述一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法和装置，通过根据预设的原模型级参数设计以及模型模化的要求设计，并基于不同的相似准则，分别采用相应的关系表达式进行计算，得到新模型级的压比，然后再根据相似准，从而计算新模型级的模化比，进而计算出新模型级的当量转速，最终确定模化后新模型级的几何参数，完成模化设计。实现了通过详细的参数化设计，可以准确反映机组实际几何特性；并且模化比经过相关经验公式计算得到，可精确的反映模化后机组与原型机的关系；再者相似设计中的计算公式考虑了中间推导过程的影响，考虑了更多的影响参数，所选公式更好的反映流动本质，基本可以保证模化后叶轮的无量纲性能与原型机一致；还直接实现离心叶轮+无叶扩压器、离心叶轮+无叶扩压器+弯道+回流器等多部件的模化设计，不需要在不同模型级间选择相应的部件，能更好的满足模型级各部件性能的匹配；最后模化比计算公式区分了不同工质的影响，可以实现不同工质间的模型级模化选型设计，且保证模化后模型级的性能。
附图说明
图1为一个实施例中一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法的流程示意图；
图2为一个实施例中一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计装置的结构框图；
图3为另一个实施例中一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计装置的结构框图；
图4为再一个实施例中一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计装置的结构框图；
图5为一个实施例中压比获取模块的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法，包括以下步骤：
S110接收用户定义的压缩机原模型级参数，并接收用户定义的压缩机新模型级的设计要求。
具体地，接收用户定义的压缩机原模型级的参数，参数包括原模型级的几何参数、试验数据或数值结果。具体给定原模型级的参数：进口压力p1、压比ε、进口温度T1、转速n、质量流量G、多变效率ηpol、工质等熵指数κ、几何参数文件，根据模化后新模型级的边界条件：进口压力p′1、进口温度T1'、质量流量G'、工质等熵指数κ'。而其中，新模型级是由原模型级通过模化设计得到的。
在一个实施例中，步骤接收用户定义的压缩机原模型级参数之后，还包括：将原模型级拆解为子午流道型线和叶片型线两部分，子午流道型线分为叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器和出口弯头五个部分，叶片型线分为叶轮和回流器两个部分；基于原模型级拆解，针对每一部件选择适应其需求的参数化设计，建立不同的参数化设计几何参数模板。具体地，将原级拆解为子午流道型线和叶片型线两部分。其中子午流道型线分为叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器、出口弯头等共五个部分，分别用直线、样条曲线、圆弧、角度等去表示；叶轮轮盖型线参数化造型包括B样条曲线、直线+圆弧，无叶扩压器型线参数化造型包括有无pinch结构、外侧板是否倾斜。叶片型线分为叶轮和回流器两个部分，分别用叶型中弧线、厚度分布等去表示叶型；叶轮叶片包括钝头尾缘、尾缘修型，回流器叶片包括叶片是否等厚。最后，针对不同部件给出适应不同需求的参数化设计，建立不同的参数化设计几何参数模板。
S120基于预设的相似准则，根据原模型级的参数设计和模化的设计要求，确定压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比。
具体地，选择预设的相似准则，根据该准则所对应的压比与等熵指数、多变效率的关系，然后根据步骤S110中的参数设计和设计要求，从而计算得到新模型级的压比。
在一个实施例中，步骤S120之前，还包括：为保证新模型级与原模型级运动相似，选取进出口比容比相等作为预设的相似准则。具体地，保证运动相似，选取进出口比容比相等作为相似准则，可得压比与等熵指数、多变效率的关系，根据工质查得等熵指数，即可求得新模型级的压比。其中，相关关系式如下：
由进口比容比相等：
Figure BDA0002682945200000051
由多变过程
Figure BDA0002682945200000052
得：ε'1/m′＝ε1/m
假定模化后新模型级对应工况的多变效率与原模型级相等，即η′pol＝ηpol，则多变指数：
Figure BDA0002682945200000053
联立上式可得：
Figure BDA0002682945200000054
在一个实施例中，步骤S120之前，还包括：为保证新模型级与原模型级动力相似，选取马赫数相等作为预设的相似准则。具体地，保证动力相似，选取马赫数相等作为相似准则，可得压比与等熵指数、多变效率的关系，根据工质查得等熵指数，即可求得新模型级的压比。其中，相关关系式如下：
由马赫数相等：
Figure BDA0002682945200000061
由叶轮进口声速
Figure BDA0002682945200000062
得：
Figure BDA0002682945200000063
假定模化后新模型级对应工况的多变效率与原模型级相等，即η′pol＝ηpol，则多变指数：
Figure BDA0002682945200000064
由能量头系数
Figure BDA0002682945200000065
相等，得：
Figure BDA0002682945200000066
联立上式可得：
Figure BDA0002682945200000067
在一个实施例中，步骤S120具体为：基于预设的相似准则，根据原模型级的参数设计，获得压比与等熵指数、多变效率的关系表达式；根据模化的设计要求，获取新模型级的等熵指数，并基于关系表达式，计算新模型级的目标压比。具体地，基于预设的相似准则，可以获得压比与等熵指数、多变效率的关系，然后再根据模化设计的要求，能够根据工质查得新模型级的等熵指数，然后再根据压比与等熵指数、多变效率的关系表达式，计算新模型级的目标压比，对于不同准则存在不同的算法。
S130根据相似准则，基于目标压比，确定压缩机模型级模化设计的模化比。
具体地，模化比由叶轮出口直径定义，根据流量系数相等的相似准则，得到模化比与流量、叶轮出口圆周速度的关系，结合能量头系数相等的相似准则，得到模化比与流量、多变指数、压比、气体常量、进气温度、压比等的关系，即可求得新模型级的模化比。其中，相关关系式如下：
模化比：
Figure BDA0002682945200000068
由流量系数
Figure BDA0002682945200000069
相等，得：
Figure BDA00026829452000000610
由能量头系数
Figure BDA0002682945200000071
相等，得：
Figure BDA0002682945200000072
S140根据模化比，确定新模型级的当量转速。
具体地，通过能量头系数相等，得到叶轮出口圆周转速的关系，再结合转速与叶轮出口圆周转速的关系，即可得到当量转速。其中，具体表达式如下：
由能量头系数
Figure BDA0002682945200000073
相等，得：
Figure BDA0002682945200000074
由
Figure BDA0002682945200000075
可得：
Figure BDA0002682945200000076
S150根据模化比和当量转速，得到压缩机模型级模化后的新模型级的几何参数，完成模化选型设计。
具体地，模化后的新模型级的几何长度尺寸均按照模化比i进行缩放，所有几何角度均与原模型级保持相等。具体表达式如下：
长度尺寸：
Figure BDA0002682945200000077
角度：β′i＝βi，γ′i＝γi
实际模化设计过程中，模化比i在0.4～2.375之间，模化设计误差较小，超出该范围后，需对多变效率、能量头系数等进行修正。
上述实施例中，所提到的符号所代表的含义都是本领域内公认的表达方式，所有带有上标的字符所指代的都是新模型级的各项指标。本方案通过根据预设的原模型级参数设计以及模型模化的要求设计，并基于不同的相似准则，分别采用相应的关系表达式进行计算，得到新模型级的压比，然后再根据相似准，从而计算新模型级的模化比，进而计算出新模型级的当量转速，最终确定模化后新模型级的几何参数，完成模化设计。实现了通过详细的参数化设计，可以准确反映机组实际几何特性；并且模化比经过相关经验公式计算得到，可精确的反映模化后机组与原型机的关系；再者相似设计中的计算公式考虑了中间推导过程的影响，考虑了更多的影响参数，所选公式更好的反映流动本质，基本可以保证模化后叶轮的无量纲性能与原型机一致；还直接实现离心叶轮+无叶扩压器、离心叶轮+无叶扩压器+弯道+回流器等多部件的模化设计，不需要在不同模型级间选择相应的部件，能更好的满足模型级各部件性能的匹配；最后模化比计算公式区分了不同工质的影响，可以实现不同工质间的模型级模化选型设计，且保证模化后模型级的性能。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计装置200，该装置包括信息接收模块210、压比获取模块220、模化比获取模块230、转速获取模块240和参数获取模块250，其中：
信息接收模块210用于，接收用户定义的压缩机原模型级参数，并接收用户定义的压缩机新模型级的设计要求；
压比获取模块220用于，基于预设的相似准则，根据原模型级的参数设计和模化的设计要求，确定压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比；
模化比获取模块230用于，根据相似准则，基于目标压比，确定压缩机模型级模化设计的模化比；
转速获取模块240用于，根据模化比，确定新模型级的当量转速；
参数获取模块250用于，根据模化比和当量转速，得到压缩机模型级模化后的新模型级的几何参数，完成模化选型设计。
在一个实施例中，装置200还包括参数设计模块，其中：参数设计模块用于，将原模型级拆解为子午流道型线和叶片型线两部分，子午流道型线分为叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器和出口弯头五个部分，叶片型线分为叶轮和回流器两个部分；参数设计模块还用于，基于原模型级拆解，针对每一部件选择适应其需求的参数化设计，建立不同的参数化设计几何参数模板。
在一个实施例中，如图3所示，装置200还包括运动相似模块211，其中：运动相似模块211用于，为保证新模型级与原模型级运动相似，选取进出口比容比相等作为预设的相似准则。
在一个实施例中，如图4所示，装置200还包括动力相似模块212，其中：动力相似模块211用于，为保证新模型级与原模型级动力相似，选取马赫数相等作为预设的相似准则。
在一个实施例中，如图5所示，压比获取模块220包括关系获取单元221和压比计算单元222，其中：关系获取单元221用于，基于预设的相似准则，根据原模型级的参数设计，获得压比与等熵指数、多变效率的关系表达式；压比计算单元222用于，根据模化的设计要求，获取新模型级的等熵指数，并基于关系表达式，计算新模型级的目标压比。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计方法，其特征在于，包括：
接收用户定义的压缩机原模型级参数，并接收用户定义的压缩机新模型级的设计要求；
基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比；
根据所述相似准则，基于所述目标压比，确定所述压缩机模型级模化设计的模化比；
根据所述模化比，确定所述新模型级的当量转速；
根据所述模化比和所述当量转速，得到所述压缩机模型级模化后的新模型级的几何参数，完成模化选型设计。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收用户定义的压缩机原模型级参数之后，还包括：
将所述原模型级拆解为子午流道型线和叶片型线两部分，所述子午流道型线分为叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器和出口弯头五个部分，所述叶片型线分为叶轮和回流器两个部分；
基于所述原模型级拆解，针对每一部件选择适应其需求的参数化设计，建立不同的参数化设计几何参数模板。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比之前，还包括：
为保证所述新模型级与所述原模型级运动相似，选取进出口比容比相等作为预设的相似准则。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比之前，还包括：
为保证所述新模型级与所述原模型级动力相似，选取马赫数相等作为预设的相似准则。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比，具体为：
基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计，获得压比与等熵指数、多变效率的关系表达式；
根据所述模化的设计要求，获取所述新模型级的等熵指数，并基于所述关系表达式，计算所述新模型级的目标压比。
6.一种大型化工离心压缩机模型级模化选型设计装置，其特征在于，包括信息接收模块、压比获取模块、模化比获取模块、转速获取模块和参数获取模块，其中：
所述信息接收模块用于，接收用户定义的压缩机原模型级参数，并接收用户定义的压缩机新模型级的设计要求；
所述压比获取模块用于，基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计和所述模化的设计要求，确定所述压缩机模型级模化设计后新模型级的目标压比；
所述模化比获取模块用于，根据所述相似准则，基于所述目标压比，确定所述压缩机模型级模化设计的模化比；
所述转速获取模块用于，根据所述模化比，确定所述新模型级的当量转速；
所述参数获取模块用于，根据所述模化比和所述当量转速，得到所述压缩机模型级模化后的新模型级的几何参数，完成模化选型设计。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括参数设计模块：
所述参数设计模块用于，将所述原模型级拆解为子午流道型线和叶片型线两部分，所述子午流道型线分为叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器和出口弯头五个部分，所述叶片型线分为叶轮和回流器两个部分；
所述参数设计模块还用于，基于所述原模型级拆解，针对每一部件选择适应其需求的参数化设计，建立不同的参数化设计几何参数模板。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括运动相似模块：
所述运动相似模块用于，为保证所述新模型级与所述原模型级运动相似，选取进出口比容比相等作为预设的相似准则。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括动力相似模块：
所述动力相似模块用于，为保证所述新模型级与所述原模型级动力相似，选取马赫数相等作为预设的相似准则。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述压比获取模块包括关系获取单元和压比计算单元，其中：
所述关系获取单元用于，基于预设的相似准则，根据所述原模型级的参数设计，获得压比与等熵指数、多变效率的关系表达式；
所述压比计算单元用于，根据所述模化的设计要求，获取所述新模型级的等熵指数，并基于所述关系表达式，计算所述新模型级的目标压比。
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