IRAN1600增压机气动设计报告x.docx
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IRAN1600增压机气动设计报告
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目录
一、设计要求 1
二、设计分析 1
三、一维设计 2
三、三维详细设计 2
四、设计工况CFD分析 3
4.1计算网格与边界条件 3
4.2设计工况CFD计算结果 4
五、压气机性能预估 6
六、结论 7
七、附表 8
一、设计要求
本项目为膨胀机增压端气动设计。
该压气机压比较低,但是进气密度大,体积流量小,造成压气机计算准确性下降,设计难度相对较大。
详细设计要求见表1。
表1增压机设计要求
介质
干燥空气
进口压力
PB1(Mpa)A
0.6683
进口温度
TB1(K)
289
进口流量
QB0(Nm3/h)
2500
(70%~110%)
出口压力
PB2(Mpa)A
0.836
出口温度
TB2(K)
314.45
耗功
NiB(KW)
22.9
转速rpm
43000*
等熵效率%
75*
表中带*说明如下:
1.计算时考虑到转速随进口流量会发生改变(可参考涡轮增压器)
二、设计分析
2.等熵效率75%为工程运行保证值
该压气机用于制氧用膨胀机上面的增压端,叶轮转速由膨胀机确定。
膨胀机也是叶轮机械,在驱动压气机时,转速会随工况变化,自动达到平衡状态。
所以设计时,对转速的限制低于电机驱动的压气机,允许在小范围变化。
设计时,不用对压气机压比预留较大的余量。
该压气机是改型机组,需要保持原机型的铸件不变,所以受到较大的几何限制,子午面不允许与原机型有较大的变化。
由于只修改叶轮,蜗壳保持不变,所以需要对蜗壳进行专门分析,获得原蜗壳设计工况进气角度。
三、一维设计
通过对原蜗壳的分析发现,原蜗壳设计工况进气角度约59°。
蜗壳进气角度大于设计值时,损失上升速度小于进气角度小于设计值的情况,所以叶轮设计时,选择了60°的出口气流角作为设计目标。
一维设计结果见表2。
表2压气机子午面几何尺寸
名称
单位
数值
进口叶根半径
mm
14.25
进口叶尖半径
mm
28.8
叶轮轴向长度
mm
18.5
叶轮出口半径
mm
46
叶轮出口宽度
mm
5.8
扩压器出口半径(蜗壳进口半径)
mm
77.5
扩压器出口宽度
mm
5.5
转速
rpm
43000
叶片数
13
后弯角
50°
三、三维详细设计
一维设计完成后,结合CFD软件,对子午面型线分布和叶片角度分布进行了设计和优化。
考虑到不确定采用整体直接铣制,还是焊接轮盖,所以采用了直纹面叶片,并在三维建模软件中进行了优化,提升叶片加工质量。
为了获得较大的流量范围和高效区范围,采用了大后弯叶轮。
叶片形状见图1,叶片几何数据见电子版的叶轮三维模型和附表二。
叶轮子午面型线坐标见附表一。
9
图1叶轮三维模型
四、设计工况CFD分析
4.1计算网格与边界条件
整周叶轮加蜗壳计算几何模型见图2,网格数和设计工况边界条件见表3。
表3网格数与设计工况边界条件
名称
数值
叶轮网格数
5687110
蜗壳网格数
1232803
湍流模型
k-Epsilon
叶轮与扩压器表面粗糙度
Ra=3.2
蜗壳内表面粗糙度
Ra=12.5
进口总压
0.6683MPa
进口总温
289K
出口静压
0.84MPa
转速
43000RPM
图2叶轮加蜗壳组合计算几何模型
4.2设计工况CFD计算结果
子午面静压分布见图3。
图中显示叶轮和扩压器中静压分布均匀,满足性能要求。
叶片表面静压分布见图4。
图中显示,叶片表面静压分布均匀上升,前缘位置静压分布曲线分得较开,没有出现交叉,说明叶轮处于正攻角状态。
该压气机压比较低,适宜采用相对较大的正攻角,这有利于拓宽流量范围。
图3叶轮子午面静压分布 图4叶片表面静压分布
图5、6、7分别是10%、50%、90%叶片高度回转面马赫数分布。
图中显示,叶片进口三角区马赫数低于0.6,无激波损失。
叶尖中部吸力面存在一较小的低速区,这是由于二次流堆积
引起的。
该区域范围较小,并且没有沿着叶片方向继续发展,说明二次流堆积程度不严重,属于正常现象。
图8、9、10分别是10%、50%、90%叶片高度回转面速度矢量分布,图中显示,叶片表面无气流分离,流场分布较好。
图590%叶片高度马赫数分布 图650%叶片高度马赫数分布
图710%叶片高度马赫数分布 图890%叶片高度速度矢量分布
图950%叶片高度速度矢量分布 图1010%叶片高度速度矢量分布
图11叶尖间隙泄漏流流线分布图18蜗壳流道表面静压分布
五、压气机性能预估
图11是蜗壳流道表面静压分布,图中显示蜗壳内静压分布均匀,能使机组获得较大的流量覆盖范围和高效区,说明叶轮设计满足蜗壳的要求,与蜗壳匹配较好。
图12是CFD计算的压气机性能曲线(计算结果数据见附表三)。
转速43000rpm时,压比略高于设计要求。
设计工况等熵效率接近85%。
计算时虽然考虑了表面粗糙度的影响,但是没有考虑进口轮盖密封的泄露,所以压气机实际效率比计算值低大约2%。
预计压气机设计工况效率约83%,高于设计要求值。
压气机喘振点流量约为设计流量的50%,流量范围大于设计要求,能很好的满足使用要求。
#0....
压比
#,##0.00;[Re31]-#,##0....
#,##0.00;[Re31]-#,##0. 46000
设计工况
#,##0.00;[Re31]-#,##0. 43000
#,##0.00;[Re31]-#,##0. 40000
82
84
84
80
#,##0.00;[Re31]-#,#
36000
82
#,##0.00;[Re31]-#,##0....
80
75
#,##0.00;[Re31]-#,##0....
#,##0.00;[Re31]-#,##0....
#,##0.00;[Re31]-#,##0....
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.
流量
图12压气机MAP图
六、结论
1.在考虑叶轮和蜗壳流道表面粗糙度的情况下,压气机计算效率接近85%,考虑轮盖泄露后约83%,高于要求值;
2.喘振点流量约为设计工况的50%,小于设计要求的70%,能很好的满足使用要求。
七、附表
附表一叶轮子午面型线坐标
叶根
叶尖
Z
R
Z
R
-11.6
14.25
-18.5
28.8
-11.0931
14.5535
-18.1154
28.8714
-10.5961
14.873
-17.7322
28.9505
-10.1097
15.2082
-17.3507
29.037
-9.63431
15.559
-16.971
29.1313
-9.1705
15.925
-16.5933
29.2334
-8.71875
16.3057
-16.2179
29.3437
-8.27944
16.7008
-15.8451
29.4623
-7.85295
17.1096
-15.4752
29.5894
-7.43957
17.5317
-15.1083
29.7253
-7.03953
17.9665
-14.7449
29.8701
-6.653
18.4133
-14.3852
30.0241
-6.28011
18.8716
-14.0297
30.1874
-5.9209
19.3406
-13.6788
30.3603
-5.57536
19.8199
-13.3327
30.5428
-5.24344
20.3086
-12.992
30.7351
-4.92503
20.8063
-12.6571
30.9373
-4.61998
21.3123
-12.3285
31.1495
-4.3281
21.8259
-12.0065
31.3717
-4.04917
22.3468
-11.6916
31.6039
-3.78289
22.8742
-11.3843
31.846
-3.52907
23.4077
-11.0849
32.0979
-3.28739
23.9468
-10.794
32.3594
-3.05741
24.491
-10.5118
32.6304
-2.83898
25.04
-10.2388
32.9105
-2.63168
25.5932
-9.97509
33.1995
-2.43517
26.1504
-9.72104
33.4971
-2.24913
26.7112
-9.47683
33.8027
-2.07319
27.2752
-9.24257
34.116
-1.90703
27.8422
-9.01834
34.4366
-1.7503
28.4118
-8.80417
34.764
-1.60265
28.9839
-8.6
35.0977
-1.46377
29.5582
-8.40574
35.4373
-1.33336
30.1344
-8.22125
35.7823
-1.2111
30.7124
-8.04633
36.1322
-1.09661
31.2921
-7.8808
36.4867
-0.98952
31.8731
-7.72428
36.8452
-0.88951
32.4554
-7.57635
37.2074
-0.79651
33.0388
-7.43698
37.573
-0.71055
33.6234
-7.30624
37.9417
-0.63082
34.2088
-7.18319
38.3131
-0.55689
34.795
-7.06713
38.6867
-0.48876
35.3819
-6.95808
39.0624
-0.42631
35.9694
-6.85589
39.44
-0.36923
36.5574
-6.76008
39.8194
-0.31721
37.146
-6.67018
40.2001
-0.27002
37.7349
-6.58583
40.5821
-0.22744
38.3242
-6.5067
40.9653
-0.18927
38.9138
-6.43243
41.3494
-0.15528
39.5036
-6.36269
41.7343
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