重庆通用工业（集团）有限责任公司 单级高速离心鼓风机设计报告.docx

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合同号：

XECA20130401-CQGI

单级高速离心鼓风机设计报告

委托方：

重庆通用工业（集团）有限责任公司

承接方：

势加透博（北京）科技有限公司

项目负责人：

张学锋

项目实施人：

卢新根

2013年07月

PageNo.6

单级高速鼓风机设计报告

目 录

一、引言 3

二、单级高速鼓风机气动方案设计 3

三、单级高速鼓风机详细设计 8

四、单级高速鼓风机全三维气动计算 9

六、离心叶轮强度校核及振动分析 15

九、主要结论 17

附录I –单级高速鼓风机特性数据（转速18252rpm） 18

附录II–单级高速鼓风机特性数据（转速16137rpm） 20

附录III –单级高速鼓风机加工数据 22

一、引言

根据重庆通用工业（集团）有限责任公司（项目委托方）与势加透博（北京）科技有限公司签订的“单级高速离心鼓风机设计技术协议”要求，利用经过校核的离心压气机设计系统完成了拟应用于污水处理等环保设施曝气鼓风机-单级高速离心压缩机方案设计、全三维叶片造型和准三维流场分析，利用经过校核的全三维CFD软件对所设计的离心压气机进行了全三维验算；在气动性能基本满足设计指标后，建立了离心叶轮循环对称有限元模型，完成了该离心压缩机叶轮的强度校核及振动分析。

二、单级高速鼓风机气动方案设计

根据重庆通用工业（集团）有限责任公司的要求，鼓风机采用了带可调导叶和可调扩压器的单级离心式，通过改变转速（18252

rpm和16137 rpm）、进口导叶可调（IGV）和径向扩压器可调

（DGV）实现3.0和2.4两种不同压比，同时保证整个工况范围内具有较高的效率，该型鼓风机设计具体指标为：

（1）流量300m3/min，压比3.0（总静），整机多变效率（总静）不低于84.0%；

（2）流量300m3/min，压比2.4（总静），整机多变效率（总静）不低于85.0%；

（3）喘振流量不高于设计流量的70%；

（4）设计进口压力、进口温度、设计转速条件下，额定压比不变，流量调节范围为45%~100%；

（5）设计进口压力、进口温度、设计转速条件下，额定压比不变，多变效率不低于80%，流量调节范围为70%~100%。

单级高速鼓风机设计条件及具体设计指标如表1所示。

表1单级高速鼓风机设计条件及设计指标

参数

单位

量 值

进气状态

流量

m3/min

300

工质

空气

进口压力

kPa

101.325

进口温度

℃

0.0

设计压比

总静压比

2.4

3.0

设计转速

rpm

16137

18252

利用损失模型，借助ConceptsNREC软件的COMPAL模块，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，在高速离心鼓风机设计中主要遵守了以下主要原则：

（1）采用一台机器，通过变转速（级压比为3.0时设计转速

18252rpm，级压比2.4时设计转速16137rpm）、进口导叶可调

（IGV）和径向扩压器可调（DGV）实现3.0和2.4两种不同压比，实现压缩机系列化，同时保证压气机较宽的流量调节范围和较宽的效率区；

（2）从高速高压比压缩机特性来看，通常最高效率点位于90%转速附近，为了兼顾不同压比工况效率和裕度，设计选择3.0压比作为设计点，通过降低转速、可调IGV和可调DGV实现2.4压比；

（3）压比3.0工况下，进口可调导叶具有平均14°左右预旋，降低进口叶尖Ma，实现降噪，同时提高压缩机性能。

如图2单级高速鼓风机子午流道，主要由进口导叶、半开式离心叶轮、叶片式扩压器、无叶扩压器及蜗壳等部件组成。

图2单级高速鼓风机子午流道

表2给出了该鼓风机各级主要几何参数。

表1压缩机各级几何参数

进口可调导叶叶片数

17

叶轮叶片数Z

15

盖处进口直径DTmm）

260.0

盘处进口直径Dh（mm）

112.0

叶片出口叶片角b2A（°）

40.0

叶轮外径D2（mm）

450.0

叶轮出口宽度B2（mm）

28.0

叶片进口厚度δ1（mm）

2

叶片出口厚度δ2（mm）

2

叶片式扩压器进口直径

D3（mm）

520.0

叶片式扩压器进口宽度

B3（mm）

24.0

扩压器出口直径D4（mm）

660.0

扩压器出口宽度B4（mm）

24.0

叶片式扩压器叶片数

19

蜗壳360°截面直径（mm）

208.0

蜗壳排气管直径（mm）

300.0

表3给出了该高速离心鼓风机主要热力参数。

表3高速离心鼓风机热力参数

单级高速鼓风机设计报告

PageNo.7

进口总压（kPa）

101.325

进口总温（K）

273.0

叶轮进口叶尖相对Ma

0.80

叶轮出口线速度

（m/s）

424.0

叶轮进口静压（kPa）

90.068

叶轮进口总压（kPa）

101.104

叶轮进口总温（k）

273.0

叶轮进口静温（k）

264.1

叶轮进口速度（m/s）

130.4

叶轮出口总压（kPa）

332.88

叶轮出口总温（k）

395.4

叶轮出口静压（kPa）

214.67

叶轮出口静温（k）

349.06

叶轮出口速度（m/s）

76.2

级出口总压（kPa）

310.9

级出口总温（k）

395.4

叶轮效率

0.902

级等熵效率（总-总）

0.84

级等熵效率（总-静）

0.835

级多变效率（总-总）

0.863

PageNo.18

单级高速鼓风机设计报告

级多变效率（总-静）

0.859

标准比转速

0.73

内功率（kW）

797.5

三、单级高速鼓风机详细设计

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。

高速鼓风机离心叶轮采用了半开式全三元叶片，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后弯角

图5高速离心鼓风机三维渲染图

47度的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25度，叶轮出口采用较大的倾角以控制其内部的二次流动，如图5给出了鼓风机三维渲染图。

图6给出了该离心叶轮叶片角、倾角、包角及叶片厚度等参数分布。

图6离心叶轮叶片角、倾角、包角及厚度分布

四、单级高速鼓风机全三维气动计算

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。

为了提高离心鼓风机设计的可靠性，保证获得更好的离心鼓风机性能，必须对离心鼓风机内的三维流场有清楚的了解。

因此，在离心鼓风机设计过程中采用经过教核的全三维粘性流场分析工具，对鼓风机进行优化分析，获取流场信息，并计算其非设计点性能。

实际上，在前面给出的鼓风机几何，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。

可调导叶和可调扩压器叶片角度调节正、负定义分别如图7和图

8所示。

对于可调导叶，从轮盖朝轮盘方向看，叶片绕其积叠线顺时针旋转方向定义为正，逆时针旋转方向定义为负；而对于扩压器叶片，从离心进口朝离心叶轮出口方向看，叶片绕其旋转轴（R=275.0mm）顺时针旋转方向定义为正，逆时针旋转方向定义为负；在叶片调节过程中遵循的原则是在非设计状态下，匹配离心叶轮和扩压器进口攻角，达到改善叶片内部流场，提高高速鼓风机性能的目的。

图7导叶调节角度示意图

图8径向扩压器调节角度示意图

利用经过校核的全三维数值计算手段探讨了不同可调导叶

（IGV）和可调扩压器（DGV）对离心鼓风机性能的影响，获得了不同工况高速鼓风机性能特性，可以看出，通过调整转速（压比3对应18252rpm，压比2.4对应16137rpm），改变IGV和DGV角度，能够使得两个不同压比工况下压缩机性能满足设计指标要求，实现压缩机系列化设计，其中压比3.0鼓风机整机等熵效率为0.851，压比2.4鼓风机整机等熵效率为0.86；此外，在设计进口压力、进口温度、设计转速条件下，额定压比不变，压比3.0鼓风机流量调节范围为

42%~115%；压比2.4鼓风机流量调节范围为37%~106%；在保证整机等熵效率不低于82%的前提下，压比3.0鼓风机流量调节范围为

60%~115%，压比2.4鼓风机流量调节范围为54%~106%，完全满足设计指标要求。

（a）转速18252rpm

（b）转速16137rpm

图9不同转速、可调导叶角度及扩压器角度下鼓风机特性

依据全三维数值计算，经过反复优化，确定了IGV和DGV联合调节规律10所示

图10导叶和扩压器联合调节规律

如图11给出了利用全三维CFD计算获得的离心压缩机内部流场结构，可以看出，离心压缩机内部流动状况良好。

图11高速离心鼓风机内部流场结构

六、离心叶轮强度校核及振动分析

完成了所有的气动设计后，进一步利用NREC软件的PBFEA模块对高速鼓风机叶轮强度进行了校核。

叶轮采用了马氏体沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb（美国牌号17-4PH），该钢具有较高的强度、耐腐蚀、抗氧化和可焊性，适用于制造400℃以下工作的高强度耐腐蚀零件，该材料的主要物性参数如表4所示。

表40Cr17Ni4Cu4Nb材料性能数据

弹性模量

E（GPa）

强度极限

σb（MPa）

泊松比

μ

密度

ρ（kg/m3）

206.0

965.0

0.3

7780

基于模型的循环对称性，有限元计算采用一个扇区作为计算对象，建模时使用20节点6面体单元，该离心叶轮扩展后的有限元模型如图12所示，约束条件根据叶轮的装配关系确定。

图12扩展后离心叶轮循环对称有限元模型

离心叶轮所承受的负荷主要是高速旋转时的离心力，为了更加准

确地检验该离心叶轮的强度，计算中考虑了气动力及温度场的影响，气动力及温度场由MST计算结果获得。

如图13给出了高速鼓风机离心叶轮叶片和轮盘等效应力分布，可以看出，离心叶轮最大等效应力为 736MPa，不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb强度极限965MPa，因此满足强度设计要求，在离心载荷的作用下，整个叶轮的材料均处于弹性状态。

图13离心叶轮表面等效应力分布

如图14给出高速鼓风机离心叶轮坎贝尔图，考虑机匣的椭圆度、可调导流叶片和径向扩压器激励影响，设计中共考虑了1、2、3、17

和19倍频的影响，可以看出，在工作转速内离心叶轮均避开了强迫响应共振区，满足结构设计的要求。

图14离心叶轮坎贝尔图

九、主要结论

利用ConceptsNREC离心压缩机敏捷工程设计系统完成了重庆通用工业（集团）有限责任公司单级高速鼓风机设计，利用经过校核的全三维CFD软件对离心鼓风机进行全三维计算，在此基础对离心鼓风机进行优化，离心鼓风机的各项性能指标均满足设计要求。

在气动性能基本满足设计指标后，建立了离心鼓风机叶轮循环对称有限元模型，利用Concepts NREC软件PBFEA模块完成了该离心压气机叶轮的强度校核和振动分析，其结构完全满足设计要求。

单级高速鼓风机设计报告

PageNo.19

单级高速鼓风机设计报告

PageNo.20

附录I –单级高速鼓风机特性数据（转速18252rpm）

IGV=50°，DGV=10°

流量（Nm3/h）

总压比

等熵效率

155.2939

2.5333

0.6830

151.5854

2.6891

0.7230

143.7048

2.8420

0.7502

131.6521

3.0086

0.7578

127.9436

3.0478

0.7540

123.3080

3.0929

0.7465

118.6724

3.1360

0.7357

113.5732

3.1752

0.7251

IGV=40°，DGV=8°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

209.5309

2.5215

0.7318

203.9681

2.6881

0.7660

194.6968

2.8538

0.7903

177.5450

3.0194

0.7951

171.5186

3.0605

0.7908

162.2474

3.0978

0.7757

153.4397

3.1370

0.7586

143.7048

3.1752

0.7415

IGV=30°，DGV=6°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

246.1524

2.5813

0.7478

241.0532

2.7391

0.7839

232.2455

2.8988

0.8085

216.9479

3.0576

0.8192

212.3123

3.0978

0.8210

207.2131

3.1370

0.8210

200.6304

3.1762

0.8184

188.2069

3.2183

0.8026

IGV=20°，DGV=4.5°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

279.2972

2.6264

0.7588

275.3569

2.7734

0.7958

单级高速鼓风机设计报告

PageNo.21

266.5492

2.9302

0.8220

253.1059

3.0899

0.8396

248.4702

3.1272

0.8389

243.3710

3.1664

0.8395

237.4838

3.2046

0.8393

230.3913

3.2438

0.8372

IGV=10°，DGV=3°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

304.7469

2.6460

0.7696

301.3165

2.7959

0.8049

293.8995

2.9527

0.8324

280.4561

3.1095

0.8492

278.1383

3.1478

0.8523

272.1120

3.1850

0.8535

266.2711

3.2222

0.8526

259.5958

3.2614

0.8508

IGV=0°，DGV=0°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

321.2498

2.5970

0.7745

321.2498

2.7705

0.8085

317.5413

2.9400

0.8348

305.9521

3.1066

0.8512

301.3165

3.1458

0.8536

295.2902

3.1850

0.8530

282.7740

3.2203

0.8428

273.5027

3.2595

0.8361

IGV=-10°，DGV=-1.5°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

335.3885

2.5901

0.7670

335.3885

2.7636

0.7967

335.3885

2.9459

0.8275

327.2761

3.1203

0.8474

324.4947

3.1585

0.8500

315.2234

3.1968

0.8439

306.8793

3.2389

0.8401

296.6809

3.2801

0.8339

IGV=-20°，DGV=-3°

单级高速鼓风机设计报告

PageNo.22

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

344.4279

2.7567

0.7771

344.4279

2.9371

0.8036

344.4279

3.1144

0.8259

338.8652

3.1556

0.8292

330.5211

3.2046

0.8232

324.4947

3.2477

0.8204

312.9056

3.2908

0.8142

附录II–单级高速鼓风机特性数据（转速16137rpm）

IGV=-20°，DGV=-7°

流量（Nm3/h）

总压比

等熵效率

331.4482

2.0267

0.7173

331.4482

2.1413

0.7683

329.5939

2.3481

0.8132

318.9319

2.4382

0.8374

312.9056

2.4794

0.8436

305.9522

2.5186

0.8478

302.7072

2.5382

0.8490

IGV=-10°，DGV=-5°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

324.4947

2.0560

0.7468

324.4947

2.1697

0.7977

317.0777

2.3255

0.8397

302.7072

2.4500

0.8600

296.6809

2.4951

0.8644

286.4825

2.5362

0.8669

280.4561

2.5578

0.8667

IGV=-0°，DGV=-3.5°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

311.0514

2.0374

0.7591

309.6607

2.1560

0.8063

299.4623

2.3177

0.8441

280.4561

2.4762

0.8621

272.5756

2.5147

0.8654

257.2780

2.5157

0.8498

单级高速鼓风机设计报告

PageNo.23

242.9075

2.5519

0.8354

IGV=10°，DGV=-1.5°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

295.2902

2.0315

0.7581

290.1910

2.1589

0.8073

276.2841

2.3197

0.8441

258.6686

2.4382

0.8589

250.3245

2.4721

0.8582

235.0269

2.5049

0.8438

223.9014

2.5255

0.8323

IGV=20°，DGV=0.5°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

271.6484

2.0041

0.7422

265.7612

2.1449

0.7965

251.7152

2.3007

0.8323

235.0269

2.4157

0.8480

228.0734

2.4533

0.8502

212.5440

2.4892

0.8340

208.1402

2.5039

0.8311

IGV=30°，DGV=3°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

237.8083

1.9739

0.7194

231.7819

2.1197

0.7787

218.8022

2.2771

0.8179

203.3655

2.3932

0.8322

196.7829

2.4304

0.8325

189.1341

2.4696

0.8318

185.4256

2.4847

0.8290

IGV=40°，DGV=5°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

199.7960

1.9316

0.6905

193.6770

2.0874

0.7550

182.6442

2.2520

0.7923

167.8101

2.3716

0.8076

161.3202

2.4108

0.8080

152.5125

2.4500

0.7976

147.8769

2.4750

0.7900

单级高速鼓风机设计报告

PageNo.24

IGV=50°，DGV=7°

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

158.0753

1.8894

0.6533

152.3271

2.0507

0.7166

142.2214

2.2197

0.7516

127.0165

2.3451

0.7636

118.6724

2.3834

0.7493

111.2553

2.4245

0.7350

108.0104

2.4402

0.7263

PageNo.26

单级高速鼓风机设计报告

附录III –单级高速鼓风机加工数据

离心叶轮叶片坐标系如图1所示，选取叶轮的旋转中心线为Z轴（即压缩机轴线），离心叶轮出口轮毂尾缘为X轴（由中心指向外为正）；X、Y、Z直角坐标系符合右手原则，旋转方向为从进气边看顺时针，离心叶轮叶片数为15片。

图1离心叶轮叶片坐标系

（1）离心压缩机流路坐标

离心压缩机子午流道如图2所示，流道坐标如表1所示。

轮盖

轮盘

1

R

Z

R

Z

1

130.0001

-416.5595

1

56.0