152500Nm3h &160000Nm3h高能效单轴型空气透平压缩机设计报告Word格式.docx
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26.3℃
出口温度
≤100℃
出口压力
0.563MPa（A）
冷却水温度
32℃
级间阻力
8kpa
气动部分耗功
11,610kW
表2152500Nm3/h机组验收参数及标准
类型
项目
目标
验收标准
测试方法
验收参数
平均总对总绝
热级效率
0.865
不小于0.855
按进排气温度、压力测
试
阻塞流量∕设
计流量
1.15
不小于1.0
喘振流量∕设计流量
0.9
不大于0.92
整机功率
11,610kW
不大于
表3160000Nm3/h压缩机结构及参数特征
160,000Nm3/h（0℃、101.3kPa（A）干）
75%
98kPa（A）
30℃
0.62MPa（A）
12,490kW
表4160000Nm3/h机组验收参数及标准
203000Nm3/h机组方案蜗壳一致，机组布局示意图如图1所示；
152500Nm3/h采用现有203000Nm3/h机组的增速机，转速
5310rpm；
160000Nm3/h机组通过提升转速、切割叶轮实现。
图1152500Nm3/h压缩机组结构示意图
2.1152500Nm3/h离心压缩机组气动方案设计
利用损失模型，借助ConceptsNREC软件的COMPAL模块，分别对152500Nm3/h压缩机组4级压缩机进行优化设计，以期满足甚至超过设计要求，最终获得优化后设计点热力学计算参数如表5所
示；
四级总耗功为11483.7kW，小于11,610kW的设计要求。
表5152500Nm3/h压缩机组各级热力学性能参数
级编号
1
2
3
4
进口总压（kPa）
95
157.5
269.7
406.4
进口总温（K）
299.5
311.2
叶轮出口静压（kPa）
135.6
234.7
363.7
512.2
叶轮出口总压（kPa）
175.6
294.8
426.7
576.5
叶轮出口总温（K）
360
374.7
357
345.6
叶轮进口叶尖相对Ma
0.71
0.64
0.53
0.48
叶轮出口线速度（m/s）
322
317
277
241
蜗壳出口静压（kPa）
165
277.1
409
560
蜗壳出口总压（kPa）
167.5
281.3
415.4
564.8
蜗壳出口总温（K）
流量（kg/s）
55.9
级总总压比
1.763
1.786
1.54
1.39
级总总绝热效率
0.8665
0.8841
0.8917
0.8928
标准比转速
1.185
0.828
0.797
0.802
预留级间损失（kPa）
-
10
11.6
9
内功率（kW）
3414.5
3563.4
2574
1931.8
整机内功率（kW）
11483.7
在给定的限制条件下以效率最大化为目标对离心压缩机各个截面的主要几何参数进行筛选，确定初步得出满足设计要求的离心压气机各关键截面上的气动参数和几何尺寸。
在152500Nm3/h压缩机组设计中遵守了以下主要原则
ü
保证各段离心压缩机的长度不变以保证转子动力学特性；
保证径向尺寸基本不变以保证压缩机尺寸；
适当增加离心叶轮前后缘及最大厚度以保证离心压缩机的强度和寿命
为了减少加工制造成本，152500Nm3/h压缩机方案的蜗壳与203000Nm3/h压缩机方案的蜗壳保持一致，仅仅对离心叶轮和无叶扩压器重新设计；
a）第一级 b）第二级
c）第三级 d）第四级
图2152500Nm3/h各级压缩机子午流道
如图2给出152500Nm3/h压缩机1-4级离心压缩机的子午流道，其中第一级由5段组成，包括进口段、IGV、叶轮进口段、开式叶轮和无叶扩压器等部件；
2-4级由三段组成，主要包括了进口段、闭式叶离心叶轮、无叶扩压器等部件组成。
表6给出了该离心压缩机各级主要几何参数，其中各结构参数示意图如图3所示。
表6152500Nm3/h压缩机组各级几何参数
叶轮叶片数Z1
15
盖处进口直径DTmm）
792
694.6
583
531
盘处进口直径Dh（mm）
324
叶轮叶尖间隙（mm）
0.8
叶片出口叶片角b2A（°
）
-43
-45
-50
50
叶轮外径D2（mm）
1160
1140
1000
872
叶轮出口宽度B2（mm）
115
80.3
65.7
61
扩压器出口直径D4（mm）
970
870
840
770
扩压器出口宽度B4（mm）
100
70
60
58
IGV叶片数Z0
13
IGV机匣直径（mm）
IGV轮毂直径（mm）
270
IGV进口叶片角（°
IGV出口叶片角（°
图3压缩机结构参数示意图
2.2160000Nm3/h离心压缩机组气动方案设计
为提高机组利用效率，降低机组研发成本，160000Nm3/h压缩机组拟在152500Nm3/h压缩机组的机组上增速并加以适当切削叶轮快速研发而成，叶轮旋转速度由5310rpm增加至5450rpm，并且第一级叶轮结构不变，第二、三、四级在保证叶轮子午流道不变的前
提下进行重新设计，以确保压缩机组高效率运转，最终获得设计点热力学计算参数如表7所示；
四级总耗功为12474kW，小于12,490kW，完全满足设计要求。
表7160000Nm3/h压缩机组各级热力学性能参数
98
166.9
284
436
303.2
145
255
393
567
185
313
456
633
0.73
0.66
0.54
0.49
340
333
283
246
174.4
289
440
617
176.9
294
444
622
58.7
1.805
1.762
1.563
1.426
0.8666
0.879
0.89
0.888
10.
8
3792.3
3666.4
2808.9
2206
12473.6
三、离心压缩机详细设计
在详细设计阶段要进一步给出叶轮的详细子午流道，完成叶轮叶片造型，计算叶轮内部准三维流场并进行诊断，并反复修改叶片
流道、叶片角和叶片厚度的分布来获得合理的叶片表面气动载荷。
根据一维方案计算结果，利用ConceptsNREC软件的AxCent模
块进一步给出离心压缩机详细的子午流道，完成离心压缩机叶片造型，同时计算内部准三维流场并进行诊断，反复修改叶片流道、叶片角和叶片厚度的分布来获得合理的叶片表面载荷，完成离心压缩机的通流（包括叶片和流道）设计和造型，在此过程中对离心压缩机内部流场进行了详细的分析，经反复迭代最终完成了多级离心压缩机的详细设计。
除第一级离心叶轮采用开式全三元叶片外，其余各级均采用了闭式全三元叶片，为保证加工精度高和加工效率，降低加工成本，采用能用线接触的方法进行加工直纹叶片；
在综合考虑最大负荷位置、叶片包角、叶片倾斜角等因素后确定了离心叶轮叶片角分布规律，离心叶轮采用了出口较大后弯角的S型叶片，这种负荷分布能够保证离心叶轮内的扩压比较均匀，经验表明，气动性能明显优于其它类型叶片；
叶片倾角从进口0度变化到出口20度，叶轮出口采用较大的倾角以控制其内部的二次流动。
离心叶轮厚度分布主要影响到叶片的强度，对气动性能的影响相对较小，尤其是对于亚声速压气机。
本设计的压气机叶片前缘厚度（叶尖）取为6.0mm，叶轮最大20mm。
如图4～图5分别给出了第一级和第二级压缩机的三维渲染图，第三级和第四级压缩机与第二级结构类似，三维渲染图此处略去。
图4第一级离心压缩机三维渲染图
图5第二级离心压缩机三维渲染图
四、多级离心压气机全三维气动性能计算
前面分别介绍了离心压缩机的几何特征及其设计原则，压气机几何（如子午流道、叶片角度分布及叶片厚度等）对性能的影响不是孤立的，而是相互影响的。
为了提高离心压缩机设计的可靠性，保证获得更好的离心压缩机性能，必须对离心压缩机内的三维流场有清楚的了解。
因此，在离心压缩机设计过程中采用经过教核的全三维粘性流场分析工具，对压缩机进行优化分析，获取流场信息，并计算其非设计点性能。
实际上，在前面给出的压缩机几何，正是基于全三维CFD为核心分析工具，经过三维粘性程序分析和叶片修改设计的多次优化最终确定的。
数值计算采用了采用Jameson的有限体积差分格式并结合
Spallart-Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-
Stokes方程进行求解，采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，同时加入二阶和四阶人工粘性项以消除数值计算中过程中的伪数值振荡，为提高计算效率，采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施,各叶片排之间的动静干涉采用混合平面法进行信息传递。
边界条件给定如下：
进口给定总温、总压和气流角，出口给定平均静压，壁面采用了绝热无滑移边界条件，与转子叶片联结的轮毂壁、叶片壁和轮盖壁转动，而轮盖壁和轮毂壁的其它部分则定义为静止。
计算网格采用了高质量全结构化网格，图6给出了蜗壳部分的高质量结构网格展示。
图6高质量全结构化蜗壳网格
4.1152500Nm3/h离心压缩机气动性能
如图7～图10给出了利用全三维CFD计算获得的152500Nm3/h压缩机组各级离心压缩机的出口压力、等熵效率、功率特性，附录中给出了多级离心压缩机特性数据。
可以看出，各项性能指标均超过了设计要求。
（a）出口压力
（b）等熵效率特性
（c）功率特性
图7152500Nm3/h压缩机组第一级性能特性
（a）出口压力
（b）等熵效率特性
（c）功率特性
图8152500Nm3/h压缩机组第二级性能特性
图9152500Nm3/h压缩机组第三级性能特性
（b）绝热效率特性
图10152500Nm3/h压缩机组第四级性能特性
如图11～图14给出了利用全三维CFD计算获得的152500Nm3/h压缩机组设计点工况各级离心叶轮的根、中、尖三个典型截面的速度矢量分布；
由图可以清晰地看到，除叶轮尖部存在离心压气机典型的较小低速流团外，其余流动状况良好。
（a）0%叶高截面速度矢量分布图
（b）0%叶高截面速度矢量分布图
（c）0%叶高截面速度矢量分布图
图11152500Nm3/h压缩机组第一级速度矢量分布
图12152500Nm3/h压缩机组第二级速度矢量分布
图13152500Nm3/h压缩机组第三级速度矢量分布
图14152500Nm3/h压缩机组第四级速度矢量分布
4.2160000Nm3/h离心压缩机气动性能
如图15～图18给出了利用全三维CFD计算获得的160000Nm3/h压缩机组各级离心压缩机的出口压力、等熵效率、功率特性，附录中给出了多级离心压缩机特性数据。
图15160000Nm3/h压缩机组第一级性能特性
图16160000Nm3/h压缩机组第二级性能特性
图17160000Nm3/h压缩机组第三级性能特性
图18160000Nm3/h压缩机组第四级性能特性
如图19～图22给出了利用全三维CFD计算获得的160000Nm3/h压缩机组设计点工况各级离心叶轮的根、中、尖三个典型截面的速度矢量分布；
图19160000Nm3/h压缩机组第一级速度矢量分布
图20160000Nm3/h压缩机组第二级速度矢量分布
图21160000Nm3/h压缩机组第三级速度矢量分布
图22160000Nm3/h压缩机组第四级速度矢量分布
五、主要结论
利用离心压缩机气动设计系统完成了杭州制氧透平机械有限公司152500Nm3/h&
160000Nm3/h高能效单轴型空气透平压缩机开发设计，并利用经过具有详细试验数据校核过的全三维CFD软件预测对离心压缩机的全三维气动性能进行了验算，152500Nm3/h离心压缩机组和160000Nm3/h离心压缩机组的各项性能指标均满足设计要求。
160000Nm3/h离心压缩机
组特性数据
6.1152500Nm3/h离心压缩机组4级离心压缩机性能特性数据
第一级
（m3/s）
（kPa）
功率
（kW）
等熵效率
163.8177
162.925
3513
0.8572
153.5859
167.485
3438
140.7075
172.14
3302
0.8700
134.0227
173.945
3215
0.8680
130.9941
174.61
3170
0.8658
第二级
175.9867
268.5375
3780
0.8785
166.4807
275.1053
3739
0.8818
151.1849
281.421
3536
0.8842
141.8808
285.075
3397
0.8840
136.9695
286.65
3321
0.8821
第三级
172.8326
398.8863
2672
0.8770
159.8996
409.4046
2612
0.8888
415.338
2551
0.8918
144.1181
419.9229
2498
0.8919
137.4606
423.429
2435
0.8901
第四级
178.1695
549.4528
2074
0.8860
168.9718
557.5808
2056
0.8896
158.8328
564.77408
2012
153.1985
568.51296
1979
0.8934
147.0076
572.4144
1942
0.8931
136.6967
577.088
1856
0.8897
6.2160000Nm3/h离心压缩机组4级离心压缩机性能特性数
据
170.358
171.990
3873.000
0.857
160.000
176.870
3791.800
0.867
148.552
181.790
3684.300
0.870
141.738
183.750
3590.200
0.868
138.467
184.436
3542.300
285.399
3725.100
0.869
294.011
3667.900
151.278
298.751
3548.500
0.885
143.101
301.255
3420.600
0.882
302.089
3338.000
434.520
2878.860
0.877
444.000
2806.700
0.890
151.005
450.140
2725.140
0.894
143.373
454.400
2649.900
0.892
137.649
457.240
2586.000
178.535
608.220
2311.800
0.884
614.760
2275.200
0.886
621.998
2208.400
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