流体机械课程设计

1、.流体机械课程设计离心压缩机热力设计班 级 ：能动B91班姓 名 ：张 义学 号 ：2009031024指导教师：祁大同二一三年一月至三月目 录一、设计任务：11.设计参数：12.设计方法：效率法。1二、设计参数整理与计算：11.气体的物性参数12.流量13.压力比1三、设计方案计算：11.中间冷却及分段12.各段进口体积流量qV,in与多变压缩功Wpol的计算33.各段基本参数的选取及各段级数i和圆周速度u2的初步计算34.压缩机转速n的确定及各段叶轮宽度b2和平均轴径比dZm/D2m的核算4四、逐级详细计算71.该段的设计参数72.经方案计算后设计参数73.第二段进口法兰截面处参数84.逐

2、级各截面热力参数8五、第二段吸气室和蜗壳的设计111.吸气室设计112.蜗壳设计13六、作图141.第二段子午剖面流道图142.第二段首级叶轮图143.第二段首级扩压器144.第二段弯道加回流器145.第二段蜗壳146.第二段吸气室14:流体机械课程设计一、设计任务：1. 设计参数：pin=0.98kg/cm2，Tin=27，qV,in=400m3/min，pout=9kg/cm2，TH2O=24 工质为干空气，取R=29.27kgm/kgK，k=1.4。2. 设计方法：效率法。二、设计参数整理与计算：1. 气体的物性参数工质气体的气体常数R和定熵指数k分别为R=29.27kgm/kgK=28

3、6.846JkgK=1.42. 流量进口状态下的体积流量qV,in为qV,in=400m3/min考虑到压缩机存在外漏气，压缩机的进口流量应取得比设计任务中提出的流量大一些。现选取qV,in,计=1.02qV,in，则压缩机的进口计算流量为qV,in,计=1.02qV,in=1.02×400=408m3/min=6.8m3/s3. 压力比由给定的压缩机进、出口压力，计算压力比pin=0.98kg/cm2=0.98×9.8×10-6/10-4=0.09604MPapout=9kg/cm2=9×9.8×10-6/10-4=0.882MPa=pout

4、pin=0.8820.09604=9.1837为使压缩机性能不低于设计任务要求，将升压p提高2%，确定设计计算的压力比计p=1.02pout-pin=1.020.882-0.09604=0.8095MPa计=pin+ppin=0.09604+0.80950.09604=9.43三、设计方案计算：1. 中间冷却及分段根据计算压比的数值，参考压缩机的分段数N与省功比W的关系曲线，选择中间冷却次数Z=2进行段压力比的计算和设计。各段进口温度：Tin=273+27=300KTin=Tw1+12=273+24+12=309KTin=309K取各段的多变效率pol=0.83，pol=0.81，pol=0.

5、79则各段系数为Y=TinpolTinpol=309×0.83300×0.81=1.0554Y=TinpolTinpol=309×0.83300×0.79=1.0822取整机平均压力损失比m=0.98可得各段计算压力比为=3计m3YY-1=39.430.984131.0554×1.08223.5=2.4803=Y-1=2.48031.05543.5=2.0537=Y-1=2.48031.08223.5=1.8812为满足各级设计上的合理性，对上述各段的计算压力比作适当调整，把第一、二段的压力比升高一些，把第三段的压力比降低一些。调整后的各段压力

6、比和进、出口压力如下表：表31 调整后的各段压力比和进出口压力名 称单位第段第段第段备注调整前的计算压力比-2.48032.05371.8812调整后的计算压力比-2.59012.13861.7427调整前后的压力比偏差e-4.4%4.1%-7.4%容许段的进口压力pinMPa0.09600.24470.5128段的出口压力poutMPa0.24970.52330.9142冷却器压力损失比MPa0.98000.9799平均0.98段的进口温度TinK309309校核段压比：=11223=2.5901×0.98×2.1386×0.98×1.7427=9.4

7、8362. 各段进口体积流量qV,in与多变压缩功Wpol的计算a) 各段进口体积流量qV,in的计算第一段进口体积流量qV,in,=qV,in,计=408m3/min=6.8m3/s第二段进口体积流量qV,in=qV,inpinTinpinTin=6.80.0960×3090.2447×300=2.7478m3/s第三段进口体积流量qV,in=qV,inpinTinpinTin=6.80.0960×3090.5128×300=1.3112m3/sb) 各段多变压缩功Wpol的计算各段的指数系数 =pol-1=0.83×3.5=2.905=0.

8、81×3.5=2.835=0.79×3.5=2.765各段的多变压缩功Wpol=iRTin,ii1i-1Wpol=2.905×286.846×300×2.590112.905-1=96.91kJ/kgWpol=2.835×286.846×309×2.138612.835-1=76.19kJ/kgWpol=2.765×286.846×309×1.742712.765-1=54.52kJ/kg3. 各段基本参数的选取及各段级数i和圆周速度u2的初步计算下表给出了一组各段基本参数选取及段的级

9、数i和圆周速度u2的初步计算数据：表32 各段基本参数选取及段的级数i和圆周速度u_2的初步计算名称单位段数备注叶轮叶片出口角2A°906045选取流量系数2r-0.330.290.25选取叶轮叶片数ZZ片242424选取周速系数2u0.86910.71340.6274轮阻与漏气损失系数df+l-0.0180.0240.030选取多变效率pol-0.830.810.79选取流动效率h-0.84490.82940.8137能量头系数-0.73430.59170.5105初步选取圆周速度u2'm/s260250230选取段的多变压缩功WpolkJ/kg96.9176.1954.5

10、2计算级数i'-1.95232.06022.0189圆整后的级数i-222选取圆整后的圆周速度u2m/s256.88253.74231.084. 压缩机转速n的确定及各段叶轮宽度b2和平均轴径比dZmD2m的核算a) 第一级叶轮转速的计算参考截面：第一段进口；计算截面：第一级叶轮出口。选取第一级叶轮相对宽度b2D2=0.0645，阻塞系数2=0.9150第一级的转速：n=33.9KV222rb2D2u23Qin =33.91.1914×0.9150×0.33×0.0645×256.8836.8=8152.10r/min式中：c2r=u22r=25

11、6.88×0.33=84.770m/stan2=2r2u=0.330.8691=0.37972=arctan2r2u=arctan0.3797=20.7918°c2=c2rsin2=84.770sin20.7918°=238.8057m/sWpol=pol1+df+l2uu22 =0.83×1+0.018×0.8691×256.882=48457.0J/kgT2=-1RWpolpol-c222=1.4-1286.846×1.448457.00.83-238.805722=29.7490KV2=1+T2Tin-1=1+29.7

12、4903092.905-1=1.1914圆整转速n=8150r/min重新核算：b2D2=QVinKV222ru23n33.92=6.81.1914×0.9150×0.33×256.883815033.92=0.06445<0.065b2/D2 仍落在0.020.065的范围内，符合要求。b) 末级叶轮b2/D2的核算参考截面：第三段进口；计算截面：末级叶轮出口。选取阻塞系数2=0.9006c2r=u22r=231.08×0.28=64.702m/stan2=2r2u=0.280.6274=0.44632=arctan2r2u=arctan0.44

13、63=24.0512°c2=c2rsin2=64.702sin24.0512°=158.7573m/sT2=-1RWpolpol-c222=1.4-1286.846×1.4545200.79-158.757322=57.1053KV2=1+T2Tin-1=1+57.10533092.765-1=1.3489b2D2=QVinKV222ru23n33.92=1.31121.3489×0.9006×0.25×231.083815033.92=0.0202>0.02b2/D2 仍落在0.020.065的范围内，符合要求，可以选取n=8

14、150r/min。c) 校核2第一级取=6mm，计=6mmD2=60u2n=60×256.88×8150=0.602m=602mm2=1-Z计D2sin2A=1-24×0.006×0.602×sin90°=0.9150末级取=6mm，计=6mmD2=60u2n=60×231.08×8150=0.542m=542mm2=1-Z计D2sin2A=1-24×0.006×0.542×sin45°=0.9007校核结果与原取数值相符合，所以第一级和末级的结果如下：第一级：b2/D2=0

15、.06445，2=0.9105；末 级：b2/D2=0.02022，2=0.9007；转 速：n=8150r/min。d) 各段各级叶轮相对宽度b2/D2的核算上述结果表明，第一级与末级的b2/D2都在0.020.065之间，符合要求，因此转速n=8150r/min是合理的。现将在转速n=8150r/min时各段各级的相关数据总结成表。参考截面为各段进口，计算截面为各级叶轮出口。表33各段各级叶轮相对宽度b2/D2的核算名 称单 位第一段第二段第三段备注第1级第2级第1级第2级第1级第2级入口容积流量QV,inm3/s6.8-2.7478-1.3112-叶轮出口阻塞系数2-0.91500.91

16、500.91100.91100.90070.9007选取叶轮圆周速度u2m/s256.88256.88253.74253.74231.08231.08各级叶轮出口角度2A°909060604545流量系数2r-0.330.330.290.290.250.25选取叶片数Z片242424242424选取轮阻与漏气损失l+df-0.0180.0180.0230.0250.0290.031选取多变效率pol-0.8300.8250.8150.8050.7950.785选取指数系数-2.9052.8872.8522.8172.7822.747周速系数2u-0.86910.86910.71340

17、.71340.62740.6274叶轮出口径向分速度c2rm/s84.77084.77073.58573.58557.77057.770叶轮出口气流方向角2°20.79220.79222.12222.12224.05124.051叶轮出口气流速度c2m/s238.81238.81195.40195.40141.75141.75多变压缩功WpolkJ/kg48.457 97.05138.295 77.34327.406 54.562T229.74988.77127.78776.78424.33059.225KV2-1.19741.64091.17291.49671.14461.3584

18、相对宽度b2/D2-0.06410.04710.03140.02490.02380.0201校核叶轮直径D2mm602602595595541541叶轮叶片出口宽度b2mm38.5928.3518.6814.8112.8810.87叶轮叶片厚度mm666666叶片出口计算厚度计mm666666叶轮出口阻塞系数20.91500.91500.91100.91100.90070.90070.9150校核各级分配压比-1.67311.54811.49531.43021.34071.2998e) 平均轴径比dZmD2m的核算压缩机转子采用柔轴结构，按照转速避开共振区的要求，取第一临界转速nk1=n2.7

19、=81502.7=3019r/min取Kd=0.023，且D2m=602+602+595+595+541+5416=579mm=0.579m，转子平均直径为：dZm=Kdi+2.3D2mnk11000=0.023×8.3×0.579×30191000=0.192m平均轴径比为：dZmD2m=0.1920.579=0.3316四、逐级详细计算现选取离心式压缩机的第二段进行详细计算，计算参数如下。1. 该段的设计参数第二段的设计参数如下表所示：表41第二段的设计参数名 称单 位参 数进口温度TinK309进口压力pinMPa0.2447进口体积流量QV,inm3/s2

20、.7478进口空气密度inkg/m32.7607进口质量流量Qm,inkg/s7.5859排出压力poutMPa0.5233转速nr/min81502. 经方案计算后设计参数经方案设计后，第二段的设计参数选取如下表：表42选取的设计参数名 称单 位第1级第2级叶片出口安装角2A°6060流量系数2r-0.290.29进出口叶片数Z2/Z1片/片24/2424/241+l+df-1.0231.025级多变效率pol-0.8150.805定熵指数-1.41.4叶轮外径D2mm595595叶轮圆周速度u2m/s253.74253.743. 第二段进口法兰截面处参数段进口法兰截面处气流参数：

21、pin=0.2447MPa，Tin=309K，in2.7607kg/m3段进口法兰截面尺寸：Din=0.40m段进口法兰截面处气流速度：cin=4QV,inDin2=4×2.7478×0.402=21.87m/s4. 逐级各截面热力参数以第二段进口为参考截面，逐级各截面热力参数计算如下表：表43逐级各截面热力参数序号名 称单 位第1级第2级备注01轮毂比d/D2-0.330.33选取02轮毂直径dmm196196由1计算03速度系数kc-1.061.08选取04直径比kd-1.031.03选取05叶片进口阻塞系数1-0.72310.7029选取06叶片出口阻塞系数2-0.9

22、1100.9110选取07叶轮进口比容比kV0-0.99261.2663选取08叶轮出口比容比kV2-1.17331.4824选取09叶轮进口直径D01minmm32130910叶轮进口面积A0m20.05100.044811叶轮进口气流速度c0m/s54.287148.448112t0-1.229545.285013叶轮进口比容比kV0-0.99261.2663校核714指数系数-2.85252.817515叶片进口直径D1mm33131816u1m/s141.3069135.798317进叶片前速度c1'm/s57.544352.323918进入叶片后速度c1m/s79.58007

23、4.440119叶片进口气流角1°29.378028.730120叶片进口安装角1A°3029选取21冲角i°0.61300.269922叶片厚度1mm6.06.023叶片进口阻塞系数1-0.72320.7029校核524t1-2.915843.694325叶片进口比容比kV1-0.98251.256926叶片进口宽度b1mm46.741.827叶轮进口相对速度w1m/s162.1747154.862828叶轮进口温度T1K306.1352.729叶片进口马赫数Maw1-0.46260.411530周速系数2u-0.71340.713431叶轮出口相对速度w2m/

24、s105.2703105.270332叶轮出口圆周速度u2m/s253.9061253.906133叶轮扩压度kw-1.54061.471134叶片出口气流角2°22.806922.806935叶轮出口绝对速度c2m/s196.3800196.380036绝对速度切向分速度c2um/s181.0264181.026437绝对速度径向分速度c2rm/s76.122076.122038叶轮加给气体总能量htotkJ/kg46.990147.082039t227.836474.732740叶轮出口比容比kV2-1.17331.4824校核841叶轮出口温度T2K336.8364383.73

25、2742叶轮出口马赫数Mac2-0.53390.500343叶轮出口厚度2mm6.06.0选取44叶轮出口宽度b2mm18.114.345叶轮出口相对宽度b2/D2-0.03040.024046级反动度-0.64910.640547轮盖倾角°12.251011.235848叶轮出口压比2-1.27901.841049叶轮出口压力p2MPa0.31300.450550叶片圆弧曲率半径Rm5.69523.295951叶片圆弧圆心半径R0m5.55243.157752轮盖进口半径rmm28.025.1取r/b1=0.6053叶片出口阻塞系数2-0.91100.9110校核654无叶扩压器进

26、口直径D3mm618618取D3/D2=1.038855无叶扩压器进口宽度b3mm17.914.1取b=0.2mm56无叶扩压器进口气流角3°23.035723.096757无叶扩压器出口直径D4mm954954取D4/D2=1.603858无叶扩压器出口宽度b4mm17.914.159无叶扩压器出口气流角4°23.035723.096760无叶扩压器出口比容比kV4-1.26421.5802选取61无叶扩压器出口气流速度c4m/s103.7032104.869462t441.687088.462063无叶扩压器出口比容比kV4-1.26421.5802校核6064无叶扩压

27、器出口压比4-1.43482.032665无叶扩压器出口温度T4K350.6870397.462066无叶扩压器出口压力p4MPa0.35110.497467c4u-95.434096.463668c4r-40.579441.138569回流器进口直径D5mm95470回流器进口宽度b5mm17.971回流器入口气流角5°32.5303取K=1.572回流器叶片入口安装角5A°32选取73弯道转弯内半径R1mm29.974回流器叶片数Z5片16选取75回流器叶片厚度5'mm6选取76回流器叶片计算厚度5mm677回流器叶片进口阻塞系数5-0.939678回流器叶片出

28、口阻塞系数6-0.9045取6A=90°79下级进口速度比kc0-1.06选取80回流器出口速度c6m/s51.214281t645.736682回流器出口比容比kV6-1.291483回流器出口直径D6mm320选取84回流器出口宽度b6mm45.690985回流器出口气流角6A°90选取86各级内功率PikW356.4622357.159187总内功率PikW713.6213五、第二段吸气室和蜗壳的设计1. 吸气室设计选择双支撑轴承所采用的径向吸气室，如下图所示：图51双支撑轴承径向吸气室第二段进口参数如下：Tin=309K，=2.852，QV,in=2.7478m3/

29、s，cin=21.87m/s，D0=0.321m，d=0.196m，c0=54.2871m/s，F0=0.0510m2。取ck=25m/s，则tk=-1cin2-ck2R=0.4×21.872-252286.846×1.4=-0.1461kVk=1+tkTin-1=1+-0.14613092.852-1=0.9991Fk=QV,inkVkck=2.74780.9991×25=0.1100m2取Dk=0.40m，则bk=Fk×Dk=0.1100×0.40=0.08754m=87.54mm，螺旋通道即由F180°截面到Fk截面一段，截面形

30、状呈圆形。各截面N1N2=bk=87.54mm，取M1M2=100mm，可认为螺旋通道中气体比重及速度均不变，即c=c180°=ck=25m/s。螺旋室任意角截面上流量Q=Qin2kVk180°，面积为F=Qck。又F=12M1M2+N1N2M1N1，故M1N1=QV,in180°×kVkckM1M2+N1N2。由此得各截面M1N1确定螺旋室型线，如下表所示：表51各截面M1N1确定螺旋室型线计算表名 称单位数 值°102030405060M1N1mm32.5965.1897.77130.36162.94195.53°70809010

31、0110120M1N1mm228.12260.71293.30325.89358.48391.07°130140150160170180M1N1mm423.66456.24488.83521.42554.01586.60进气通道：Fin截面F180°截面12Fin=QV,in2cin=2.74782×21.87=0.06282m212F180°=12×12M1M2+N1N2M1N1=12×0.1+0.087542×0.586=0.02747m2取b=0.24m、a2=0.262m，环形收敛通道：Fin截面F0截面（吸气室出口

32、截面）已选取Dk=0.40m、bk=0.08754m转弯半径r=Dk-D02=0.40-0.3212=0.0395m校核计算：进气通道的收敛度Kh=FinF180°=0.06282×20.02747×2=2.2869收敛通道的收敛度Kk=FkF0=0.11000.0510=2.1569相对转弯半径r=rbk=0.03950.08754=0.4512>0.38相对转弯半径大于0.38，符合要求。2. 蜗壳设计采用圆形对称蜗壳，蜗壳型线按气体自由流动的轨迹来设计，这样蜗壳外壁与气流之间没有相互作用，气体在蜗壳内的流动规律便为动量矩不变规律有此可得到不同角位置截面尺寸，从而做出蜗壳型线。依据以下公式：=2r4K+K，Rc=r4+可得到不同角位置的蜗壳尺寸，其中：圆截面半径Rc：圆截面中心离轴心距离：位置角（度）其中系