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
-0.12524
40.0937
-6.29709
42.12
-0.09896
40.6839
-6.23533
42.5064
-0.07628
41.2743
-6.17712
42.8932
-0.05699
41.8648
-6.12218
43.2806
-0.04084
42.4554
-6.07003
43.6683
-0.02752
43.0461
-6.02019
44.0563
-0.01682
43.6368
-5.97231
44.4446
-0.00872
44.2276
-5.92635
44.8332
-0.00321
44.8184
-5.88231
45.2219
-0.00031
45.4092
-5.84019
45.6108
0
46
-5.8
46
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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
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
31.2914
33.7172
0.0000
31.2954
33.7135
-1.4500
31.2989
33.7103
-2.9000
31.3018
33.7076
-4.3500
31.3038
33.7057
-5.8000
31.3320
33.5229
0.0001
31.3318
33.5369
-1.4518
31.3314
33.5507
-2.9037
31.3306
33.5641
-4.3557
31.3291
33.5772
-5.8078
31.3713
33.3287
0.0002
31.3672
33.3604
-1.4537
31.3629
33.3912
-2.9076
31.3585
33.4208
-4.3615
31.3537
33.4489
-5.8157
31.4091
33.1349
0.0001
31.4013
33.1842
-1.4557
31.3935
33.2320
-2.9115
31.3856
33.2777
-4.3674
31.3776
33.3207
-5.8237
31.4457
32.9412
-0.0001
31.4343
33.0081
-1.4578
31.4230
33.0729
-2.9156
31.4119
33.1348
-4.3735
31.4007
33.1927
-5.8317
31.4808
32.7477
-0.0004
31.4661
32.8323
-1.4601
31.4516
32.9141
-2.9197
31.4373
32.9920
-4.3796
31.4232
33.0649
-5.8399
31.5145
32.5545
-0.0008
31.4966
32.6567
-1.4624
31.4791
32.7554
-2.9240
31.4618
32.8494
-4.3858
31.4451
32.9372
-5.8482
31.5468
32.3616
-0.0014
31.5260
32.4813
-1.4649
31.5055
32.5969
-2.9284
31.4855
32.7070
-4.3921
31.4662
32.8097
-5.8566
31.5696
32.2196
-0.0018
31.5475
32.3478
-1.4668
31.5260
32.4701
-2.9320
31.5052
32.5850
-4.3977
31.4853
32.6906
-5.8646
31.6066
31.9784
-0.0027
31.5825
32.1209
-1.4703
31.5593
32.2546
-2.9382
31.5372
32.3775
-4.4072
31.5165
32.4881
-5.8783
31.6551
31.6385
-0.0042
31.6283
31.8013
-1.4754
31.6030
31.9509
-2.9474
31.5794
32.0853
-4.4211
31.5576
32.2029
-5.8982
31.7110
31.2011
-0.0060
31.6814
31.3899
-1.4817
31.6538
31.5600
-2.9588
31.6284
31.7092
-4.4386
31.6055
31.8360
-5.9232
31.7692
30.6675
-0.0095
31.7372
30.8883
-1.4909
31.7074
31.0835
-2.9744
31.6805
31.2508
-4.4618
31.6569
31.3890
-5.9560
31.8236
30.0399
-0.0149
31.7900
30.2983
-1.5030
31.7589
30.5232
-2.9941
31.7310
30.7120
-4.4906
31.7073
30.8638
-5.9963
31.8675
29.3210
-0.0225
31.8339
29.6225
-1.5185
31.8026
29.8816
-3.0185
31.7748
30.0950
-4.5256
31.7522
30.2626
-6.0447
31.8936
28.5141
-0.0332
31.8623
28.8642
-1.5381
31.8327
29.1616
-3.0482
31.8065
29.4030
-4.5675
31.7866
29.5886
-6.1022
31.8943
27.6237
-0.0476
31.8684
28.0272
-1.5627
31.8429
28.3671
-3.0843
31.8206
28.6397
-4.6177
31.8057
28.8456
-6.1706
31.8621
26.6548
-0.0672
31.8454
27.1166
-1.5935
31.8273
27.5028
-3.1283
31.8117
27.8095
-4.6780
31.8051
28.0382
-6.2521
31.7896
25.6136
-0.0932
31.7867
26.1378
-1.6322
31.7800
26.5740
-3.1819
31.7748
26.9176
-4.7503
31.7807
27.1714
-6.3490
31.6695
24.5072
-0.1276
31.6861
25.0976
-1.6807
31.6956
25.5868
-3.2473
31.7056
25.9701
-4.8372
31.7295
26.2512
-6.4644
31.4953
23.3436
-0.1721
31.5378
24.0031
-1.7409
31.5693
24.5481
-3.3267
31.6003
24.9735
-4.9412
31.6495
25.2840
-6.6016
31.2610
22.1318
-0.2289
31.3368
22.8628
-1.8154
31.3973
23.4656
-3.4229
31.4565
23.9350
-5.0658
31.5401
24.2768
-6.7645
30.9612
20.8815
-0.3007
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