離心機(jī)中葉片氣動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)原理

1、離心機(jī)中葉片氣動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)原本丈的葉片氣動(dòng)礬數(shù)代優(yōu)計(jì)許方法是以肉心壓端機(jī)誥計(jì)計(jì)尊和可變謁差事面體法的優(yōu)化算法為主要出發(fā)點(diǎn).埴過(guò)優(yōu)化算法.結(jié)臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)計(jì).以樂(lè)壕機(jī)級(jí)流動(dòng)損先為口標(biāo)函數(shù)，選取嵌優(yōu)值"虛帝搟主要介紹離心壓堀機(jī)葉川氣動(dòng)進(jìn)計(jì)討覽的原理.離心戒壓器機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是離心貨壓綢機(jī)氣動(dòng)原理和部分經(jīng)驗(yàn)結(jié)果"冃曲的幾類鳳心或爪縮機(jī)棘助沒(méi)計(jì)軋件.站木都是由維對(duì)步設(shè)計(jì)、流道誡幟葉片造哩r:維CFD鱉證等屬分組慮,目標(biāo)是應(yīng)用基本流功方程獲冉*1輪機(jī)廠的工輕兒何結(jié)構(gòu)尺寸旦網(wǎng)足渝道形狀和氣功、張力整數(shù)*朋歩計(jì)灶效率以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)優(yōu)劣a葉輪和擴(kuò)壓器是髙心壓縮機(jī)的關(guān)儼部件，葉輪設(shè)計(jì)的好壞及其與

2、擴(kuò)壓器的匹配1#況將對(duì)壓縮機(jī)的性能產(chǎn)生決定性的夠響由于時(shí)間有限.本文只對(duì)叫輪和擴(kuò)壓需兩傘關(guān)鍵部件的參數(shù)設(shè)計(jì)和說(shuō)化進(jìn)行硏究乜圖2-1所示為設(shè)計(jì)流程圏.本章即按此順序介紹魯項(xiàng)計(jì)黨所應(yīng)用的原理.a-i一維初滲設(shè)計(jì)澆程閣2.2葉輪計(jì)算圖22維子午線圖圖22維子午線圖(a)葉輪入口速度三角形(b)葉輪出口速度三角形圖2-3速度三角形示總圖圏22所示為一維初步計(jì)算的子午線圏通過(guò)此可以基本了解離心爪縮機(jī)葉的葉輪和擴(kuò)斥器兩個(gè)主要部件的布置情況。閨2-3為葉輪進(jìn)出口的速度三角形.為離心式壓縮機(jī)計(jì)H的基木幾何原理。計(jì)算已知參數(shù)主要冇：入口總溫Toi、總IkPob壓比&、質(zhì)盤(pán)流呈Qm，入口輪盤(pán)半徑Rhi.入

3、口輪盤(pán)氣流角入口輪蓋氣流角4、葉輪出口半徑R3葉輪入口計(jì)算通過(guò)已知熱力學(xué)參數(shù)及兒何參數(shù).計(jì)舜得到入口輪蓋半徑“1、葉輪軸向長(zhǎng)度Lz入口速度三角形等幾何參數(shù)以及主要的氣動(dòng)參數(shù)。葉輪入口子午面平均氣流角山下式得到:葉輪入口氣體密度必由卜式得到:Pi=rQ.o1-r(2-2)式中0為入口滯止密度式中0為入口滯止密度p=-2-1RE(2-3)為滯止盤(pán)度卜聲速(2-4)(2-4)葉輪入口產(chǎn)午面徑向速度分ftCrl本來(lái)可以通過(guò)F式得到:(2-5)但是入口輪蓋半徑出1為未知量.故葉輪入口面積Ai也未知因此在此要為Ci設(shè)一初值(2-6)葉輪入口輪蓋半徑Rh由F式得到°：式中7(2-7)葉輪入口輪蓋處

4、氣流相對(duì)速度為W"=J(CCMRF+(氣2CQ(2-9)式中CMR為葉輪入口處輪蓋處氣流徑向速度Ci»jCnZ比葉輪入口輪蓋處相對(duì)馬赫數(shù)由下式得到：MM=葉輪軸向長(zhǎng)度Lz為(2-10)式中7為前緣傾角'葉輪出口計(jì)算葉輪出口.入口總溫變化值為:(2-11)式中|為級(jí)效率故此葉輪出口總溫:葉輪出口與入口焙增為*Ah=CpAT(2-13)葉輪壓比為:T-1耳2=|Tqi式中加為葉輪效率。由2-14式可得葉輪岀口總壓Pg為：電=&(尋(2-15)校核轉(zhuǎn)速n由F式計(jì)算得到卩】：式中RdtaiiOdt氐tan%2taiic-tailg七血如-taii/?w(2-16)t

5、mia2taia2一tan0】Rj+Rlin30通過(guò)計(jì)算所得的轉(zhuǎn)速.直接可計(jì)算出角速度(2-17)葉輪圓周速度U為：III此葉輪出口氣流切向速度C“山卜式計(jì)勒h+如可q-(2-20)通過(guò)出口速度三角形得到葉輪出徑向速度Cj：pC“f2tailct,葉輪出口氣流相對(duì)速度Will下式得到：(2-21)叫輪出口絕對(duì)速度5為:叫輪出口絕對(duì)速度5為:cosa2(2-22)叫輪出口的壓密度Qi為:叫輪出口的壓密度Qi為:(2-23)式中葉輪出口總壓密度幾,=葉輪出口肖地聲速a。廠JRToj°兀2由連續(xù)性方程得下式：III2-24A得葉輪岀口面積A為:(2-25)由葉輪幾何參數(shù)關(guān)系葉輪出口寬度5為

6、:COS02A式中為葉輪岀口葉片厚度。值得注倉(cāng)的是.在葉輪入口計(jì)體時(shí)先用到了轉(zhuǎn)速，而在葉輪出口計(jì)珮時(shí)卻才開(kāi)始計(jì)算轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)榇顺绦蚓帉?xiě)的時(shí)候?qū)鋫€(gè)部分作為了子程序，嵌套F主程序之中，如：葉輪入口計(jì)算子程序、葉輪出口計(jì)算了程序、滑移系數(shù)子程序等等，備部分都會(huì)通過(guò)了多次車(chē)復(fù)迭代。在對(duì)葉輪入口進(jìn)行計(jì)球之前先給定一個(gè)轉(zhuǎn)速初值，在通過(guò)葉輪出口計(jì)律肓對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了校核調(diào)整，下次再調(diào)用葉輪入口計(jì)算子程序的時(shí)候，轉(zhuǎn)速就會(huì)采用校核后的轉(zhuǎn)速。如此多次的41復(fù)迭代校核，將會(huì)御到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。同樣道理，在川輪出口計(jì)氮子程序中.計(jì)様轉(zhuǎn)速用到的入口輪盤(pán)輪蓋相對(duì)氣流角0池，也是如此巫復(fù)迭代校核得到的。2.3滑移系數(shù)計(jì)算及

7、其對(duì)葉輪岀口參數(shù)的修正在理想流動(dòng)情況下，葉輪出口氣流角和葉輪葉片出口安裝角相同,而實(shí)際流動(dòng)情況下，氣體流動(dòng)和葉片Z間有滑移現(xiàn)彖存在.因此氣流角與出口安裝角不完全一致?；魄闆r的存在致使葉輪出口氣流切向速度減小根失增加.氣體在葉輪流動(dòng)中的壇壓比減小.因此需要對(duì)滑移系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)出口參數(shù)進(jìn)行核算?；葡禂?shù)定義：在實(shí)際計(jì)滋中，滑移系數(shù)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式求得.通常有兩種經(jīng)驗(yàn)公式：Stanmtz在理論分析的屣礎(chǔ)上給出了一個(gè)滑移系數(shù)的計(jì)算公式Eckeit修任的滑移系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式更為準(zhǔn)確M：1-(1+£tan02A才COS0”計(jì)算得出滑移系數(shù)f盲.將其帶入滑移系數(shù)定義式227再通過(guò)葉輪

8、出口速度三角形對(duì)葉輪出口氣流角進(jìn)行修正t02=tail-1tan0”+蟲(chóng)If)(2-30)將修正后的角代入葉輪出口計(jì)壕過(guò)程，$次迭代求解葉輪出口進(jìn)行速度Cm直至收斂同時(shí)在迭代的過(guò)程中利用修正的完成對(duì)出口幾何參數(shù)和氣動(dòng)參數(shù)的修正。2.4葉輪損失計(jì)算川輪損失主要包扌舌：摩撩損失、葉片我荷損失、葉片頂部間隙損失尊葉輪內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的備項(xiàng)損失及輪盤(pán)存擦損失、輪緣冋流損失、以及浪漏等原因造成的各項(xiàng)葉輪外部損失。葉輪入口校核修正在節(jié)中提到，轉(zhuǎn)速n山迭代校核計(jì)H得到，為了加快校核收斂的速度，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,在對(duì)葉輪及擴(kuò)壓器損失計(jì)算之前先對(duì)葉輪入口的速度三角形進(jìn)行修正，這次修正所用的就是在小節(jié)中計(jì)算得到

9、的轉(zhuǎn)速.修正的H標(biāo)參數(shù)主要為輪盤(pán)、輪蓋處各自的氣流速度Chi、Cm相對(duì)速度Win、W$i，"I淪濁度Uhl、U$1相對(duì)氣流角0M、0曰尊摩擦損失計(jì)算悴擦損失是指芳流體流經(jīng)葉輪邊界面所形成的通道時(shí).因與壁面Z間發(fā)生粘性摩擦而產(chǎn)生的損失。i般來(lái)說(shuō)，葉輪流道的幾何形狀都很復(fù)雜，這給損失的計(jì)算造成了許多麻煩，所以，匸程上認(rèn)為這部分損失與完全發(fā)展的湍流流過(guò)直徑和長(zhǎng)度分別等于葉輪沆道的平均水利自徑和半均長(zhǎng)度的岡管產(chǎn)生的損失相專，從而使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。摩擦損失由參考文獻(xiàn)18中的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算(2-31)式中5為摩擦系數(shù)：g為平均水力直徑：L為芳?xì)潮车腒度：帀為平均相對(duì)速度.5=0.0412Re&qu

10、ot;°ls>25葉輪流道町以X做水力光滑骨.因此(2-31)式中的摩擦系數(shù)由卜式來(lái)確定:(2-32)(231)式中的平均水力宜徑用F式確定2xR222xR22COS02X4=+2nX3X4dh=2R2X5為fit管的長(zhǎng)度由下式確定:刀XC。詢竺如(2-34)平均相對(duì)速度山下式確定：(2-35)-2W2+Wd+V4葉輪葉片載荷損失計(jì)算輪是通過(guò)葉片對(duì)氣體作功的.因此在叫片衣面通常存在較人速度梯度和壓力梯度，此時(shí)流道內(nèi)邊界層的增K加劇.并且容易造成分離.從而形成所謂的葉片載荷損失。當(dāng)葉輪在設(shè)計(jì)匸況下工作時(shí)葉片的栽荷損失由下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算【呵=0.05D2u23(2-36)弍中D為

11、擴(kuò)壓為r.它是將軸流式壓編機(jī)葉柵的擴(kuò)壓因子公式加以推廣人用于離心式壓縮機(jī)的。下式中第項(xiàng)考慮了平均速度的變化.第二項(xiàng)考慮了葉片我荷的彫響。(2-37)24.4葉頂間隙損失計(jì)算在采用無(wú)輪蓋葉輪中，掙止的機(jī)殼壁面打旋轉(zhuǎn)的葉輪Z間必須保持一定的間隙，此時(shí)，由于葉片的壓力面于吸力面之間有加人的壓力差，所以氣體將從壓力面通過(guò)間隙向吸力面液漏,必然產(chǎn)生間隙損失。町用假設(shè)氣流流經(jīng)間隙時(shí)經(jīng)歷了兩個(gè)過(guò)程：一個(gè)足突然收縮過(guò)程，一個(gè)足突然膨脹過(guò)程，然后選定這兩個(gè)過(guò)程中的林帀損失系數(shù).就可確定所產(chǎn)生的總間隙損失。間隙損失山文獻(xiàn)20中提到的半經(jīng)驗(yàn)公式求的：呱="闇圄uJ卓?jī)屑訉５蟮仁街?為葉輪間隙：C,2為葉輪

12、出口周向速度：為葉輪入口子午面絕對(duì)速度。尾跡混流損失計(jì)算葉片尾緣存在一定厚度,當(dāng)氣體流岀葉輪時(shí),流道面積夾然增大，葉片尾部形成充滿漩渦的氣流，稱為尾跡.尾跡的存在帶來(lái)能呈損失。尾跡區(qū)內(nèi)氣流的流度和有效能與主流區(qū)的相差很人，它們之間相互混合最贛氣流又逐漸均勻化.在混汁的過(guò)程中也產(chǎn)'I能tIJ-文獻(xiàn)21-22中對(duì)尾跡區(qū)是按無(wú)流動(dòng)的假設(shè)來(lái)建立計(jì)算模吃的。這類模吃的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)流場(chǎng)按理想流體計(jì)算因此比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)足模型本身講也不十分恰肖，誤差比較大。對(duì)尾跡混流損失一般采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)竦：(2-39)式中旦Wd輪盤(pán)摩擦損失計(jì)算葉輪旋轉(zhuǎn)式葉輪的輪蓋和輪盤(pán)的外側(cè)面及輪緣要與周陽(yáng)的氣體發(fā)生摩擦.1+魚(yú)P

13、i適成損失.這種損失就是輪盤(pán)摩擦損失.又稱輪阻損失通過(guò)理論推導(dǎo)口通常采用F式來(lái)計(jì)算:(2-40)梵中Cm摩擦系數(shù)卩4】：Re=.<3xlOJ時(shí).流動(dòng)為層流.此時(shí)8Cm=2.67rT7(2-41)lRe=l=A>3xl05Hj,流動(dòng)為湍流.此時(shí)Cm=0.0622(2-42)泄漏損失計(jì)算半壓力不同的兩個(gè)空間之間存在縫隙時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)彖。在離心壓縮機(jī)中，蹣氣發(fā)生時(shí)，實(shí)際流量要大于設(shè)計(jì)漁最，造成葉輪作功增加，即浪漏損失。Ah|k=(2-43)式中a為漏氣系數(shù)a=漏氣並/設(shè)計(jì)流址回流損失計(jì)算流出葉輪的部分氣體再流入葉輪.產(chǎn)生能“損失這部分成為回流損失。Ahre=0.02x/cota3D2

14、Uj式中D為擴(kuò)壓因子由237式確定由上述各小節(jié)，即可計(jì)算葉輪中的各種損失.則葉輪效率為：Ahtl-（Ahd+Ahd+嘰+軌）(2-44)(2-45)2.5無(wú)葉擴(kuò)壓器計(jì)算1巧丿-1(2-46)擴(kuò)壓器主要可以分為無(wú)葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器兩種。由于葉輪出口的流動(dòng)鑫數(shù)分布不均，無(wú)葉擴(kuò)壓器段的計(jì)舜模型較為復(fù)雜。在文獻(xiàn)25-27中對(duì)無(wú)葉擴(kuò)壓器的計(jì)眾有詳細(xì)的介紹.為保證計(jì)粘度，將無(wú)葉擴(kuò)壓器段在空間上劃分為多個(gè)交錯(cuò)網(wǎng)格。為了程序的通用性,流道寬度沿半徑方向設(shè)變化，當(dāng)擴(kuò)壓器寬度不變時(shí),將變化系數(shù)設(shè)為1便可。計(jì)算分為2個(gè)迭代過(guò)程.一個(gè)是切向速度C.的迭代求解.另一個(gè)是密度p的迭代求解許先介紹的是密度的迭代求解。第1個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的了午面速度為:1-I2R2cos/?jM(2-47)式中Z為葉輪葉片數(shù):6為葉輪葉片出口厚度。第1個(gè)計(jì)様節(jié)點(diǎn)處的靜溫為:T=1=L2'M(2-48)第個(gè)il滋節(jié)點(diǎn)處的需諾數(shù)為:(嗎些業(yè)啤E,2,MI爲(wèi)陽(yáng)制(2-49)第i個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的摩擦系數(shù)為:(2-50)英中Cf=0.06.第i個(gè)計(jì)舜節(jié)點(diǎn)處的粘性剪切力為：心QiCGi3+C；),1=1,2.M(2-51)靜壓沿葉輪徑向的變化率為:(2-52)第i個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的密度為:(2-53)需注意的是.在毎個(gè)節(jié)點(diǎn)處.先給定一個(gè)密度的初值.經(jīng)過(guò)等次迭代宜至兩次密度差值小于允許誤差.則迭代收斂。