高壓軸流壓縮機的加減級設(shè)計及模化設(shè)計

摘要:結(jié)合兩個實例的?；O(shè)計計算,詳細討論了在具有性能好、壓比高多級的軸流壓縮機作為樣機, 并掌握和詳細計算其氣動參數(shù)各級分布的前提下,采用加減級設(shè)計及模化設(shè)計開發(fā)新型軸流壓縮機 , 具有周期短、設(shè)計結(jié)果可靠,葉片尺寸和產(chǎn)品部件便于系列化、工藝簡化和方便質(zhì)量管理等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞: 軸流式壓縮機　模化設(shè)計　加減級設(shè)計
Abstract: Combining two examples of modellingdesign calculation , under the premise of takingaxial compressor with good performance , highpressure ratio and multistage as a sample , grasping and calculating each stage dist ribution of it spneumatic parameters , a new type of axial compressor is developed by using increasing and decreasing stage design and modelling design , it has many advantages of that period is short , designresult is reliable , blade size and product part s facilitate seriation , technology reduced and quatity control.

Key words :Axial compressor Modell ing Design design of increasing and decreasing stages

1 引言

　　由于軸流壓縮機基元葉柵歐拉方程中沒有離心力做功這一項, 所以軸流壓縮機的單級壓比小, 實際使用的壓縮機都是多級的。而軸流壓縮機中氣流參數(shù)沿半徑方向變化劇烈, 前級出口的氣流參數(shù)又是下一級葉輪進口的氣流來流, 因此多級間相互影響和干涉十分嚴重, 實際軸流壓縮機的研制工作非常復雜和困難, 必須進行大量的設(shè)計計算、試驗測試和調(diào)整。由于葉輪機械內(nèi)部流動的復雜性, 試驗測量是很困難、周期很長和耗費很大的工作, 同時,目前在多級軸流壓縮機內(nèi)部流場計算中直接求解N-S方程還非常困難, 由于受到湍流模型的制約, 計算結(jié)果既費時間也不可靠。迄今為止, 筆者尚未見到國內(nèi)有使用湍流模型成功計算10級以上軸流壓縮機變工況特性的文獻與報道, 文獻[1]對11級和14級軸流壓縮機的性能分析是目前國內(nèi)公開發(fā)表文獻中計算壓縮機級數(shù)最多的。
　　軸流壓縮機的設(shè)計主要有3種方法: 平面葉柵法和三維流場計算法、模型級法和以性能優(yōu)秀的多級軸流壓縮機作為母型機加減級設(shè)計法。在開發(fā)全新的軸流壓縮機模型級時,平面葉柵和三維流場計算法是比較可靠的好方法, 但是, 在設(shè)計多級軸流壓縮機時, 直接采用該方法要冒很大的風險,而且設(shè)計計算周期很長,壓縮機變工況特性線不清楚,計算結(jié)果也不可靠。采用模型級法設(shè)計軸流壓縮機時, 首先要具備全套的模型級試驗曲線,如單級模型試驗結(jié)果 , 葉片根切和頂切的修正曲線,間隙的影響等 ,以及相應的圖紙,如K-100, K-50以及東風I模型級等^[2] 。李超俊教授[2]曾應用K-50 模型級性能曲線設(shè)計了兩臺軸流壓縮機, 但由于沒有多級間干涉的數(shù)據(jù),在設(shè)計多級壓縮機時, 還是要作許多試驗調(diào)試和修改工作, 而且, 由于沒有壓縮機變工況特性線, 要通過長期積累的多級設(shè)計經(jīng)驗和流動分析,才能設(shè)計出滿足要求的壓縮機來。
　　目前國內(nèi)外通過艱苦的努力, 都已開發(fā)出了一些性能十分優(yōu)秀的多級壓縮機, 這些壓縮機具有非常完整的圖紙和變轉(zhuǎn)速、變工況特性曲線。根據(jù)相似理論, 以原有的性能優(yōu)秀的壓縮機作為母型機,通過模化、減級或加級設(shè)計開發(fā)出新的軸流壓縮機系列,是以上3種方法中最為可靠和主要的方法,已得到了廣泛的應用。
　　本文以我國引進的一臺性能優(yōu)良的壓縮機和自主開發(fā)的多級軸流壓縮機作為母型機為例,探討了采用高壓軸流壓縮機的加減級設(shè)計及模化設(shè)計新的軸流壓縮機的方法和步驟。

２　基本理論與方法
　　模化法是以相似理論為基礎(chǔ)開發(fā)各種壓縮機的主要方法。軸流壓縮機中, 一般流速都較大, Re一般都大于臨界值, 因此, 在幾何相似、進氣條件相似以及氣體成分相同的前提下, 只要求馬赫數(shù)相等就可以了, 如果發(fā)現(xiàn)?；蟮膲嚎s機的Re小于臨界值,再根據(jù)Re數(shù)影響的試驗數(shù)據(jù)加以修正。下式中,以下標M 代表模型壓縮機或母型機,則模型壓縮機和新設(shè)計的壓縮機的主要關(guān)系如下:
　　幾何尺寸關(guān)系:所有幾何尺寸成比例相似,幾何模化系數(shù)為

3 　設(shè)計計算實例
　　現(xiàn)以由國外引進的一套性能優(yōu)良的壓縮機和我國自主開發(fā)的高壓比軸流壓縮機作為母型機, 說明應用母型機法通過加減級和模化方法設(shè)計高效軸流壓縮機的步驟。從國外引進的母型機的通流部分共 11級, 設(shè)計壓比4.6,最高壓比5.5, 平均級壓比1.15, 最高等熵效率線0.89(相當于最高多變效率在0.91) 以上, 在整個可以使用的運行區(qū)間, 絕熱效率不低于85%,高效率范圍很廣(圖1), 而且喘振裕度很大, 壓縮機性能可靠, 我國通過整機試驗, 驗證了該壓縮機的優(yōu)良性能。除進出口導葉外,該機只有兩套葉型, 熱力與工藝性能及其綜合指標屬國際上最先進的民用壓縮機之列。文獻[3]通過大量的計算驗證,建立了一整套軸流壓縮機性能計算模型,在全部的運行工況內(nèi),計算與試驗結(jié)果的誤差小于3%。我國在此壓縮機基礎(chǔ)上, 在國家攻關(guān)項目的支持下, 通過前加級方法,開發(fā)出了高效高壓的14級壓縮機, 該壓縮機設(shè)計壓比9.0,最大絕熱效率大于87%, 在整個可以使用的運行區(qū)間,絕熱效率不低于83%, 是可以作為母型機來使用的高效高壓軸流壓縮機。性能曲線見圖2,圖中虛線表示的是同樣轉(zhuǎn)速情況下導葉轉(zhuǎn)動后的結(jié)果。

3.1　 通過母型壓縮機減級然后再模化的方法設(shè)計軸流壓縮機
　　直接?；O(shè)計和先?；O(shè)計壓縮機然后減級的方法計算比較簡單, 同時, 設(shè)計結(jié)果也比較可靠。其前提是必須詳細測量和計算出母型機總性能^[1] , 對各級壓比和流量變化十分掌握。
　　下面以具體設(shè)計實例說明設(shè)計方法。
　　設(shè)計實例1:根據(jù)某廠要求,設(shè)計一臺軸流壓縮機。介質(zhì): 空氣,進口條件:1個大氣壓,20℃,設(shè)計流量:140m³/s , 設(shè)計壓比4.2。
　　由于設(shè)計壓比為4.2, 比現(xiàn)有的母型級的設(shè)計壓比低, 可以有多種選擇,一種簡單的辦法就是通過查閱母型機的變轉(zhuǎn)速性能曲線, 看是否可以滿足要求。從圖1可以看出, 通過小幅度改變母型機的轉(zhuǎn)

種方法就是在設(shè)計轉(zhuǎn)速下, 由于要求的設(shè)計壓比4.2小于母型機的設(shè)計點壓比, 可以通過減級的方式滿足要求。具體模化計算如下:
　　方案1:完全?；O(shè)計: 母型級的折合流量為 對應的壓比4.2,絕熱效率89%以上, 轉(zhuǎn)速6378.4r/min 。
　　由容積流量 140m3/s 得知質(zhì)量流量m =168kg/s, 由質(zhì)量流量關(guān)系可得幾何模化系數(shù)

　　由式(2)得到轉(zhuǎn)速關(guān)系為n=2562.1r/min, 圓整為n=2560r/min所以,由母型機模化得到的設(shè)計結(jié)果為, 設(shè)計流量Q=140m³/s, 設(shè)計壓比π=4.2, 轉(zhuǎn)速n=2560r/min,絕熱效率η>89%,幾何尺寸比為放大2.4895 倍的11級軸流壓縮機。

　　方案2:采用母型機減級?；O(shè)計。由文獻[3]計算,該母型機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下,通過減去最后一級,壓縮機壓比剛好4.2, 此時, 母型機折合流量為5080, 絕熱效率89%以上,轉(zhuǎn)速6700r/min同理, 由流量?；P(guān)系(3)可得幾何模化系數(shù)

　　由式(2)得到轉(zhuǎn)速關(guān)系為n=2816r/min,圓整為2820r/min
　　所以 , 由母型機模化得到的設(shè)計結(jié)果為, 設(shè)計流量Q=140m³/s, 設(shè)計壓比π=4.2 , 轉(zhuǎn)速n = 2820 r/min,絕熱效率η>89 %, 幾何尺寸比為放大2.37925倍的10級軸流壓縮機。此外, 還可以選擇的方案有:以14級壓縮機為母型機, 通過變轉(zhuǎn)速同時減級的方案實現(xiàn)設(shè)計目標。從文獻[1]計算中可以得到,在相對轉(zhuǎn)速是0.95 時, 通過將最后5級減去 , 就可以得到設(shè)計壓比為4.25,基本滿足設(shè)計目標,此時,設(shè)計點絕熱效率大于89%, 壓縮機總級數(shù)為9級, 壓縮機模化系數(shù)為K_t=2.0805。還可以取14級壓縮機中間幾級作為模型級進行母型設(shè)計, 此時, 壓縮機的進口導葉要重新設(shè)計, 同時, 折合流量要用模化設(shè)計的級進口的壓力流量計算。
　　通過綜合對比,認為方案2的經(jīng)濟性、可靠性和制造工藝性都較好,是所有方案中最佳選擇, 所以決定采取方案2。

3.2 　通過母型壓縮機加級然后模化的方法設(shè)計軸流壓縮機
　　設(shè)計計算實例2:根據(jù)某單位要求, 設(shè)計一臺軸流壓縮機,介質(zhì):空氣, 進口條件:1個大氣壓,20℃,設(shè)計流量:26.8kg/s,設(shè)計壓比6.0 。
　　方案分析:該壓縮機要求的壓比6.0比11級母型機的壓力大, 而比14級的母型機的壓比小,設(shè)計有兩種方案選擇,一種通過14級母型機減級的方法實現(xiàn),從文獻[1]計算中可以得到,在相對轉(zhuǎn)速是0.95時,通過將最后2級減去,就可以得到設(shè)計壓比為6.09的壓縮機,具體步驟可以見設(shè)計計算實例1。另一種方法就是在原11級母型級通過前加一級的方案實現(xiàn)。由于14級實現(xiàn)壓比6.0的設(shè)計要減兩級,而11級母型機達到設(shè)計壓比6.0只需增加一級就可以, 而11級的工藝性和氣動性能都十分優(yōu)秀,故本方案選用11 級母型機前加一級。
　　設(shè)計計算步驟:為了保持葉片良好的工藝性, 決定仍然選用11級母型機的第一級葉片,由文獻[1]計算可知,在11級母型機折合流量為5020時, 其第一級壓比為1.21,壓縮機壓比為4.9,所以,如果直接用第一級葉片的安裝角作為零級的設(shè)計安裝角, 壓縮機壓比可以達到1.21×4.9 = 5.929,比設(shè)計要求稍低,如果要求達到設(shè)計壓比6.0, 壓縮機前加零級的壓比要達到6/4.9=1.224,為了保險,取前加零級的壓比為1.23, 這可以通過零級動葉增加安裝角實現(xiàn)。
　　通過前加零級后, 氣流參數(shù)在11級母型機進口前的值:
　　按絕熱過程計算T_1ad=( p₂/ p₁)^2/7×T_o=1.23 ^2/7×293=310.8絕熱效率按90%計算,所以,零級出口的溫度為312.8K零級出口的壓力為1×1.23=1.23 大氣壓以零級出口氣流參數(shù)為11級母型機進口參數(shù), 按設(shè)計計算實例1的步驟計算,模化設(shè)計軸流壓縮機, 得幾何?；禂?shù):

　　由式(2)得到轉(zhuǎn)速關(guān)系為n = 7901r/min , 圓整為7900r/min 以上為初步計算得到的方案設(shè)計,所得?；O(shè)計壓縮機的設(shè)計結(jié)果為設(shè)計流量26.8kg/s, 設(shè)計壓比6.0, 進口溫度293K,轉(zhuǎn)速7900r/min,絕熱效率約88%,壓縮機幾何尺寸?；壤秊榭s小0.87615的11級壓縮機 , 并前加零級。前加零級的葉片扭轉(zhuǎn)角的確定如下:首先, 根據(jù)壓縮機氣缸的斜率, 外推出零級葉片的高度,然后,根據(jù)進口流量的計算, 取葉片中間截面作為基元葉柵, 按等功設(shè)計條件,按以下公式計算:
Ψ=[ctg(β₁+Δβ)- ctg(β₂+Δβ)] 　　　　　　(4)
　　上式 ,Ψ 、 、β₁ 、β₂ 、Δβ分別為零級動葉的壓力系數(shù)、流量系數(shù)、葉片進氣角、葉片出氣角和葉片扭轉(zhuǎn)角,這些量都可以計算出來。通過計算得知 , 首級動葉片只需要扭動1°多就可以達到設(shè)計要求, 這個扭轉(zhuǎn)角是比較小的, 零級的性能不會有太大的變化,所以,設(shè)計結(jié)果有保證。
3.3　 ?；O(shè)計中需要注意的問題
　　實際軸流壓縮機產(chǎn)品中, 葉片的加工量非常大,所以,將葉片系列化,以減少葉片的模具和便于更換有著重要作用,因此,實際?；旰? 總要修改葉片弦長。修改葉片弦長并系列化的原則是,首先保證雷諾數(shù)處于自動?；瘏^(qū)和強度振動安全的前提下,采取保證葉柵稠度b/t不變。葉柵稠度不變可以通過改變?nèi)~片數(shù)目,以滿足葉片系列化的要求。從實踐結(jié)果看,葉片弦長改變15% 對壓縮機的性能影響不大。另外,?；O(shè)計應以壓縮機減級為主要手段, 這樣設(shè)計的周期短,設(shè)計結(jié)果可靠, 該母型機的設(shè)計壓比已達到9, 完全可以滿足絕大多數(shù)使用場合的要求。如果要求設(shè)計壓比達到12～14 ,可以通過前加兩級實現(xiàn),也可以通過后加離心壓縮機1～2級實現(xiàn)。采用壓縮機加級?；O(shè)計時, 在詳細?；O(shè)計中,母型機進口折合流量的計算應折合成以進口靜壓和靜溫為參數(shù)的計算 , 采用壓縮機第一級動葉片作為前加級葉片時, 葉片安裝角的扭動角度不能過大 , 壓縮機氣缸外殼斜率盡量保持不變。

４　設(shè)計結(jié)果討論
　　通過對兩個設(shè)計實例的模化設(shè)計計算和對幾種多級軸流壓縮機設(shè)計方法的討論 , 認為在擁有性能優(yōu)良的多級高壓軸流壓縮機并詳細計算和掌握了該壓縮機的氣動參數(shù)各級分布的前提下 , 采用高壓軸流壓縮機的加減級設(shè)計及?；O(shè)計方法設(shè)計開發(fā)新型軸流壓縮機 , 具有周期短 , 計算簡單 , 設(shè)計結(jié)果可靠 , 同時可以比較容易規(guī)范葉片尺寸和規(guī)劃產(chǎn)品部件的系列 , 簡化制造工藝 , 易于質(zhì)量管理和控制等突出的優(yōu)點 , 是開發(fā)新型軸流壓縮機系列的主要方法。

參考文獻

[1]李景銀,劉立軍,李超俊.軸流壓氣機特性計算模型的研究.機械工程學報,1997(2) .
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[3]李景銀.多級軸流壓氣機性能預測.西安交通大學碩士論文 ,1991.