1、势加透博（北京）科技有限公司Xeca Turbo Technologies (Beijing) Co., Ltd.IRAN1600 增压机气动设计报告编制： 校对： 审核： 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34.1 计算网格与边界条件34.2 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) A0.6683
2、进口温度TB1 (K)289进口流量QB0 (Nm3/h)2500（70%110%）出口压力PB2 (Mpa) A0.836出口温度TB2 (K)314.45耗功NiB（KW）22.9转速rpm43000 *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
3、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mm14.25进口叶尖半径mm28.8叶轮轴向长度mm18.5叶轮出口半径mm46叶轮出口宽度mm5.8扩压器出口半径（蜗壳进口半径）mm77.5
4、扩压器出口宽度mm5.5转速rpm43000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
5、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
6、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 5 90%叶片高度马赫数分布图 6 50%叶片高度马赫数分布图 7 10%叶片高度马赫数分布图 8 90%叶片高度速度矢量分布 图 9 50%叶片高度速度矢量分布图 10 10%叶片
7、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
8、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-#,#0.4000082848480#,#0.00;Re31-#,#3600082#,#0.00;Re31-#,#0.8075#,#0.00;Re31-#,#0.#,#0.00;Re31-#,#0.#,#0.00;Re31-#,#0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.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
9、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ZRZR-11.614.25-18.528.8-11.093114.5535-18.115428.8714-10.596114.873-17.732228.9505-10.109715.2082-17.350729.037-9.6343115.559-16.97129.1313-9.170515.925-16.593329.2334-8.7187516.3057-16.217929.3437-8.2794416.7
10、008-15.845129.4623-7.8529517.1096-15.475229.5894-7.4395717.5317-15.108329.7253-7.0395317.9665-14.744929.8701-6.65318.4133-14.385230.0241-6.2801118.8716-14.029730.1874-5.920919.3406-13.678830.3603-5.5753619.8199-13.332730.5428-5.2434420.3086-12.99230.7351-4.9250320.8063-12.657130.9373-4.6199821.3123-
11、12.328531.1495-4.328121.8259-12.006531.3717-4.0491722.3468-11.691631.6039-3.7828922.8742-11.384331.846-3.5290723.4077-11.084932.0979-3.2873923.9468-10.79432.3594-3.0574124.491-10.511832.6304-2.8389825.04-10.238832.9105-2.6316825.5932-9.9750933.1995-2.4351726.1504-9.7210433.4971-2.2491326.7112-9.4768
12、333.8027-2.0731927.2752-9.2425734.116-1.9070327.8422-9.0183434.4366-1.750328.4118-8.8041734.764-1.6026528.9839-8.635.0977-1.4637729.5582-8.4057435.4373-1.3333630.1344-8.2212535.7823-1.211130.7124-8.0463336.1322-1.0966131.2921-7.880836.4867-0.9895231.8731-7.7242836.8452-0.8895132.4554-7.5763537.2074-
13、0.7965133.0388-7.4369837.573-0.7105533.6234-7.3062437.9417-0.6308234.2088-7.1831938.3131-0.5568934.795-7.0671338.6867-0.4887635.3819-6.9580839.0624-0.4263135.9694-6.8558939.44-0.3692336.5574-6.7600839.8194-0.3172137.146-6.6701840.2001-0.2700237.7349-6.5858340.5821-0.2274438.3242-6.506740.9653-0.1892
14、738.9138-6.4324341.3494-0.1552839.5036-6.3626941.7343-0.1252440.0937-6.2970942.12-0.0989640.6839-6.2353342.5064-0.0762841.2743-6.1771242.8932-0.0569941.8648-6.1221843.2806-0.0408442.4554-6.0700343.6683-0.0275243.0461-6.0201944.0563-0.0168243.6368-5.9723144.4446-0.0087244.2276-5.9263544.8332-0.003214
15、4.8184-5.8823145.2219-0.0003145.4092-5.8401945.6108046-5.846势加透博（北京）科技有限公司Xeca Turbo Technologies (Beijing) Co., Ltd.附表二 叶片型线坐标叶根25%叶片高度50%叶片高度75%叶片高度叶尖XYZXYZXYZXYZXYZ31.291433.71720.000031.295433.7135-1.450031.298933.7103-2.900031.301833.7076-4.350031.303833.7057-5.800031.332033.52290.000131.331833
16、.5369-1.451831.331433.5507-2.903731.330633.5641-4.355731.329133.5772-5.807831.371333.32870.000231.367233.3604-1.453731.362933.3912-2.907631.358533.4208-4.361531.353733.4489-5.815731.409133.13490.000131.401333.1842-1.455731.393533.2320-2.911531.385633.2777-4.367431.377633.3207-5.823731.445732.9412-0.
17、000131.434333.0081-1.457831.423033.0729-2.915631.411933.1348-4.373531.400733.1927-5.831731.480832.7477-0.000431.466132.8323-1.460131.451632.9141-2.919731.437332.9920-4.379631.423233.0649-5.839931.514532.5545-0.000831.496632.6567-1.462431.479132.7554-2.924031.461832.8494-4.385831.445132.9372-5.848231
18、.546832.3616-0.001431.526032.4813-1.464931.505532.5969-2.928431.485532.7070-4.392131.466232.8097-5.856631.569632.2196-0.001831.547532.3478-1.466831.526032.4701-2.932031.505232.5850-4.397731.485332.6906-5.864631.606631.9784-0.002731.582532.1209-1.470331.559332.2546-2.938231.537232.3775-4.407231.51653
19、2.4881-5.878331.655131.6385-0.004231.628331.8013-1.475431.603031.9509-2.947431.579432.0853-4.421131.557632.2029-5.898231.711031.2011-0.006031.681431.3899-1.481731.653831.5600-2.958831.628431.7092-4.438631.605531.8360-5.923231.769230.6675-0.009531.737230.8883-1.490931.707431.0835-2.974431.680531.2508
20、-4.461831.656931.3890-5.956031.823630.0399-0.014931.790030.2983-1.503031.758930.5232-2.994131.731030.7120-4.490631.707330.8638-5.996331.867529.3210-0.022531.833929.6225-1.518531.802629.8816-3.018531.774830.0950-4.525631.752230.2626-6.044731.893628.5141-0.033231.862328.8642-1.538131.832729.1616-3.048
21、231.806529.4030-4.567531.786629.5886-6.102231.894327.6237-0.047631.868428.0272-1.562731.842928.3671-3.084331.820628.6397-4.617731.805728.8456-6.170631.862126.6548-0.067231.845427.1166-1.593531.827327.5028-3.128331.811727.8095-4.678031.805128.0382-6.252131.789625.6136-0.093231.786726.1378-1.632231.78
22、0026.5740-3.181931.774826.9176-4.750331.780727.1714-6.349031.669524.5072-0.127631.686125.0976-1.680731.695625.5868-3.247331.705625.9701-4.837231.729526.2512-6.464431.495323.3436-0.172131.537824.0031-1.740931.569324.5481-3.326731.600324.9735-4.941231.649525.2840-6.601631.261022.1318-0.228931.336822.8
23、628-1.815431.397323.4656-3.422931.456523.9350-5.065831.540124.2768-6.764530.961220.8815-0.300731.078921.6853-1.906931.176522.3475-3.539131.272922.8623-5.214631.402023.2370-6.95751430.591919.6034-0.390330.761220.4804-2.018530.905521.2026-3.678831.049621.7636-5.391831.237722.1722-7.185130.150318.3088-
24、0.500930.382019.2581-2.153930.584020.0398-3.846130.788220.6471-5.601331.050921.0900-7.450829.635017.0094-0.635929.941218.0287-2.316530.213318.8684-4.044330.492119.5210-5.846930.847319.9984-7.759429.046515.7173-0.798629.440416.8027-2.510029.796717.6977-4.277930.166518.3937-6.133630.633418.9045-8.1125
25、28.387214.4447-0.993428.883115.5906-2.739029.339116.5364-4.550829.817517.2728-6.463030.416617.8154-8.511327.661613.2032-1.223728.274514.4022-3.006328.846815.3931-4.865429.452816.1655-6.837530.204616.7375-8.954426.876512.0041-1.492727.621913.2468-3.315028.327714.2754-5.224329.080815.0784-7.256830.004
26、415.6762-9.438426.040810.8574-1.803726.934112.1328-3.667627.790913.1902-5.627828.710014.0171-7.718929.821914.6360-9.957225.16579.7720-2.158826.221511.0673-4.064927.246112.1432-6.075128.348412.9860-8.219629.661213.6203-10.503224.26388.7547-2.559225.495510.0560-4.506526.703311.1389-6.563028.003111.9887-8.752629.5244
