离心机中叶片气动参数设计原理

1、离心机中叶片气动参数设计原本丈的叶片气动礬数代优计許方法是以肉心压端机诰计计尊和可变谒差事面体法的优化算法为主要出发点.埴过优化算法.结台压缩机设计.以乐壕机级流动损先为口标函数，选取嵌优值"虚帝擀主要介绍离心压堀机叶川气动进计讨览的原理.离心戒压器机叶片气动设计的基础是离心貨压绸机气动原理和部分经验结果"冃曲的几类凤心或爪縮机棘助没计轧件.站木都是由维对步设计、流道诫帜叶片造哩r:维CFD鳖证等屬分组慮,目标是应用基本流功方程获冉*1轮机廠的工輕儿何结构尺寸旦网足渝道形状和气功、張力整数*朋歩计灶效率以评价设计优劣a叶轮和扩压器是髙心压缩机的关儼部件，叶轮设计的好坏及其与

2、扩压器的匹配1#况将对压缩机的性能产生决定性的够响由于时间有限.本文只对叫轮和扩压需两伞关键部件的参數设计和说化进行硏究乜图2-1所示为设计流程圏.本章即按此顺序介绍鲁项计黨所应用的原理.a-i一維初渗设计浇程阁2.2叶轮计算图22维子午线图图22维子午线图(a)叶轮入口速度三角形(b)叶轮出口速度三角形图2-3速度三角形示总图圏22所示为一维初步计算的子午线圏通过此可以基本了解离心爪缩机叶的叶轮和扩斥器两个主要部件的布置情况。閨2-3为叶轮进出口的速度三角形.为离心式压缩机计H的基木几何原理。计算已知参数主要冇：入口总温Toi、总IkPob压比&、质盘流呈Qm，入口轮盘半径Rhi.入

3、口轮盘气流角入口轮盖气流角4、叶轮出口半径R3叶轮入口计算通过已知热力学参数及儿何参数.计舜得到入口轮盖半径“1、叶轮轴向长度Lz入口速度三角形等几何参数以及主要的气动参数。叶轮入口子午面平均气流角山下式得到:叶轮入口气体密度必由卜式得到:Pi=rQ.o1-r(2-2)式中0为入口滞止密度式中0为入口滞止密度p=-2-1RE(2-3)为滞止盘度卜声速(2-4)(2-4)叶轮入口产午面径向速度分ftCrl本来可以通过F式得到:(2-5)但是入口轮盖半径出1为未知量.故叶轮入口面积Ai也未知因此在此要为Ci设一初值(2-6)叶轮入口轮盖半径Rh由F式得到°：式中7(2-7)叶轮入口轮盖处

4、气流相对速度为W"=J(CCMRF+(气2CQ(2-9)式中CMR为叶轮入口处轮盖处气流径向速度Ci»jCnZ比叶轮入口轮盖处相对马赫数由下式得到：MM=叶轮轴向长度Lz为(2-10)式中7为前缘倾角'叶轮出口计算叶轮出口.入口总温变化值为:(2-11)式中|为级效率故此叶轮出口总温:叶轮出口与入口焙增为*Ah=CpAT(2-13)叶轮压比为:T-1耳2=|Tqi式中加为叶轮效率。由2-14式可得叶轮岀口总压Pg为：电=&(寻(2-15)校核转速n由F式计算得到卩】：式中RdtaiiOdt氐tan%2taiic-tailg七血如-taii/?w(2-16)t

5、mia2taia2一tan0】Rj+Rlin30通过计算所得的转速.直接可计算出角速度(2-17)叶轮圆周速度U为：III此叶轮出口气流切向速度C“山卜式计勒h+如可q-(2-20)通过出口速度三角形得到叶轮出径向速度Cj：pC“f2tailct,叶轮出口气流相对速度Will下式得到：(2-21)叫轮出口绝对速度5为:叫轮出口绝对速度5为:cosa2(2-22)叫轮出口的压密度Qi为:叫轮出口的压密度Qi为:(2-23)式中叶轮出口总压密度几,=叶轮出口肖地声速a。厂JRToj°兀2由连续性方程得下式：III2-24A得叶轮岀口面积A为:(2-25)由叶轮几何参数关系叶轮出口宽度5为

6、:COS02A式中为叶轮岀口叶片厚度。值得注倉的是.在叶轮入口计体时先用到了转速，而在叶轮出口计珮时却才开始计算转速。这是因为此程序編写的时候将备个部分作为了子程序，嵌套F主程序之中，如：叶轮入口计算子程序、叶轮出口计算了程序、滑移系数子程序等等，备部分都会通过了多次車复迭代。在对叶轮入口进行计球之前先给定一个转速初值，在通过叶轮出口计律肓对转速进行了校核调整，下次再调用叶轮入口计算子程序的时候，转速就会采用校核后的转速。如此多次的41复迭代校核，将会御到较为准确的结果。同样道理，在川轮出口计氮子程序中.计様转速用到的入口轮盘轮盖相对气流角0池，也是如此巫复迭代校核得到的。2.3滑移系数计算及

7、其对叶轮岀口参数的修正在理想流动情况下，叶轮出口气流角和叶轮叶片出口安装角相同,而实际流动情况下，气体流动和叶片Z间有滑移现彖存在.因此气流角与出口安装角不完全一致。滑移情况的存在致使叶轮出口气流切向速度减小根失增加.气体在叶轮流动中的壇压比减小.因此需要对滑移系数进行计算，并对出口参数进行核算。滑移系数定义：在实际计滋中，滑移系数主要通过实验得到的经验关系式求得.通常有两种经验公式：Stanmtz在理论分析的屣础上给出了一个滑移系数的计算公式Eckeit修任的滑移系数经验公式更为准确M：1-(1+£tan02A才COS0”计算得出滑移系数f盲.将其带入滑移系数定义式227再通过叶轮

8、出口速度三角形对叶轮出口气流角进行修正t02=tail-1tan0”+虫If)(2-30)将修正后的角代入叶轮出口计壕过程，$次迭代求解叶轮出口进行速度Cm直至收敛同时在迭代的过程中利用修正的完成对出口几何参数和气动参数的修正。2.4叶轮损失计算川轮损失主要包扌舌：摩撩损失、叶片我荷损失、叶片顶部间隙损失尊叶轮内部流动过程中产生的备项损失及轮盘存擦损失、轮缘冋流损失、以及浪漏等原因造成的各项叶轮外部损失。叶轮入口校核修正在节中提到，转速n山迭代校核计H得到，为了加快校核收敛的速度，保证计算的准确性,在对叶轮及扩压器损失计算之前先对叶轮入口的速度三角形进行修正，这次修正所用的就是在小节中计算得到

9、的转速.修正的H标参数主要为轮盘、轮盖处各自的气流速度Chi、Cm相对速度Win、W$i，"I沦浊度Uhl、U$1相对气流角0M、0曰尊摩擦损失计算悴擦损失是指芳流体流经叶轮边界面所形成的通道时.因与壁面Z间发生粘性摩擦而产生的损失。i般來说，叶轮流道的几何形状都很复杂，这给损失的计算造成了许多麻烦，所以，匸程上认为这部分损失与完全发展的湍流流过直径和长度分别等于叶轮沆道的平均水利自径和半均长度的岡管产生的损失相专，从而使计算大为简化。摩擦损失由參考文献18中的公式来进行计算(2-31)式中5为摩擦系数：g为平均水力直径：L为芳毘背的K度：帀为平均相对速度.5=0.0412Re&qu

10、ot;°ls>25叶轮流道町以X做水力光滑骨.因此(2-31)式中的摩擦系数由卜式来确定:(2-32)(231)式中的平均水力宜径用F式确定2xR222xR22COS02X4=+2nX3X4dh=2R2X5为fit管的长度由下式确定:刀XC。询竺如(2-34)平均相对速度山下式确定：(2-35)-2W2+Wd+V4叶轮叶片载荷损失计算轮是通过叶片对气体作功的.因此在叫片衣面通常存在较人速度梯度和压力梯度，此时流道内边界层的增K加剧.并且容易造成分离.从而形成所谓的叶片载荷损失。当叶轮在设计匸况下工作时叶片的栽荷损失由下面的经验公式计算【呵=0.05D2u23(2-36)弍中D为

11、扩压为r.它是将轴流式压编机叶栅的扩压因子公式加以推广人用于离心式压缩机的。下式中第项考虑了平均速度的变化.第二项考虑了叶片我荷的彫响。(2-37)24.4叶顶间隙损失计算在采用无轮盖叶轮中，挣止的机壳壁面打旋转的叶轮Z间必须保持一定的间隙，此时，由于叶片的压力面于吸力面之间有加人的压力差，所以气体将从压力面通过间隙向吸力面液漏,必然产生间隙损失。町用假设气流流经间隙时经历了两个过程：一个足突然收缩过程，一个足突然膨胀过程，然后选定这两个过程中的林帀损失系数.就可确定所产生的总间隙损失。间隙损失山文献20中提到的半经验公式求的：呱="闇圄uJ卓冃加專刁等式中5为叶轮间隙：C,2为叶轮

12、出口周向速度：为叶轮入口子午面绝对速度。尾迹混流损失计算叶片尾缘存在一定厚度,当气体流岀叶轮时,流道面积夹然增大，叶片尾部形成充满漩涡的气流，称为尾迹.尾迹的存在带来能呈损失。尾迹区内气流的流度和有效能与主流区的相差很人，它们之间相互混合最赣气流又逐渐均匀化.在混汁的过程中也产'I能tIJ-文献21-22中对尾迹区是按无流动的假设来建立计算模吃的。这类模吃的优点是对流场按理想流体计算因此比较简单。其缺点足模型本身讲也不十分恰肖，误差比较大。对尾迹混流损失一般采用经验公式來计竦：(2-39)式中旦Wd轮盘摩擦损失计算叶轮旋转式叶轮的轮盖和轮盘的外侧面及轮缘要与周阳的气体发生摩擦.1+鱼P

13、i适成损失.这种损失就是轮盘摩擦损失.又称轮阻损失通过理论推导口通常采用F式来计算:(2-40)梵中Cm摩擦系数卩4】：Re=.<3xlOJ时.流动为层流.此时8Cm=2.67rT7(2-41)lRe=l=A>3xl05Hj,流动为湍流.此时Cm=0.0622(2-42)泄漏损失计算半压力不同的两个空间之间存在缝隙时，就会出现漏气现彖。在离心压缩机中，蹣气发生时，实际流量要大于设计漁最，造成叶轮作功增加，即浪漏损失。Ah|k=(2-43)式中a为漏气系数a=漏气並/设计流址回流损失计算流出叶轮的部分气体再流入叶轮.产生能“损失这部分成为回流损失。Ahre=0.02x/cota3D2

14、Uj式中D为扩压因子由237式确定由上述各小节，即可计算叶轮中的各种损失.则叶轮效率为：Ahtl-（Ahd+Ahd+叽+轨）(2-44)(2-45)2.5无叶扩压器计算1巧丿-1(2-46)扩压器主要可以分为无叶扩压器和叶片扩压器两种。由于叶轮出口的流动鑫数分布不均，无叶扩压器段的计舜模型较为复杂。在文献25-27中对无叶扩压器的计眾有详细的介绍.为保证计粘度，将无叶扩压器段在空间上划分为多个交错网格。为了程序的通用性,流道宽度沿半径方向设变化，当扩压器宽度不变时,将变化系数设为1便可。计算分为2个迭代过程.一个是切向速度C.的迭代求解.另一个是密度p的迭代求解许先介绍的是密度的迭代求解。第1个计算节点处的了午面速度为:1-I2R2cos/?jM(2-47)式中Z为叶轮叶片数:6为叶轮叶片出口厚度。第1个计様节点处的静温为:T=1=L2'M(2-48)第个il滋节点处的需诺数为:(吗些业啤E,2,MI爲阳制(2-49)第i个计算节点处的摩擦系数为:(2-50)英中Cf=0.06.第i个计舜节点处的粘性剪切力为：心QiCGi3+C；),1=1,2.M(2-51)静压沿叶轮径向的变化率为:(2-52)第i个计算节点处的密度为:(2-53)需注意的是.在毎个节点处.先给定一个密度的初值.经过等次迭代宜至两次密度差值小于允许误差.则迭代收敛。