DB1000rt双级离心压缩机气动设计报告x.docx
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Dunham-Bush 1000rt
双级离心压缩机设计报告
Dunham-Bush1000rtTwoStagesCentrifugalCompressorDesignReport
.
势加透博（北京）科技有限公司
XecaTurboTechnologies（Beijing）Co.,Ltd.
目 录
1000rt双级离心压缩机设计报告 3
1.设计参数与技术要求 3
1.1主要技术参数 3
1.1.1空调工况 3
1.1.2热泵工况 4
1.2．非标工况的参数预测 4
1.3子午面尺寸初步规划 6
2.总性能参数设计 6
3.一维气动性能设计 6
3.1一维变工况特性 7
4.流道二维设计 8
5.三维设计 9
5.1第一级离心叶轮 10
5.2第一级扩压器及回流叶片 10
5.3第二级叶轮 11
5.4第二级扩压器及蜗壳 12
6.CFD性能验证 12
6.1计算网格 13
6.3空调工况特性计算结果 14
6.2热泵工况特性计算结果 17
7.补气条件的说明 20
8.离心叶轮强度校核及振动分析 20
9. 总结 24
10. 附件 25
94
1000rt双级离心压缩机设计报告
1.设计参数与技术要求
1.1主要技术参数
设计的双级压缩机将运行于常规空调工况（以下简称为空调工况）和蓄冰或热泵工况（以下简称为热泵工况），在空调工况，需满足制冷量和能效的要求，运行于蓄冰或热泵工况时，应满足压比得要求，进口质量流量相应减小。
样机设计参数如下：
1.1.1空调工况:
工质：
R134a，压缩机进口压力：
3.6638bar.A 进口温度:
6.5℃进口流量:
20.17kg/s；级间补气压力：
5.969bar.A,补气流量:
2.202kg/s；压缩机排气压力>9.726bar.A,耗功<576kw；推荐转速:
9000~11000rpm。
势加透博（北京）科技有限公司
XecaTurboTechnologies（Beijing）Co.,Ltd.
图1 空调工况设计循环
1.1.2热泵工况:
工质：
R134a，压缩机进口压力：
2.2875bar.A 进口温度:
-6.5℃进口流量:
13.83kg/s（取1.5%余量）；级间补气压力：
4.525bar.A,补气流量:
2.14kg/s；压缩机排气压力>8.9493bar.A,耗功<543kw；推荐转速<12000rpm。
图2 热泵工况设计循环
1.2.非标工况的参数预测
叶轮及流道设计验算完成后,应进行部分负荷、降低或升高转速的性能预测；叶轮子午面切削和径向切削后的性能曲线预测。
1.2.1设计工况下的各类性能曲线。
1.2.2转速在额定转速的96%、98%、102%、104%下的性能曲线
1.2.3保持压比和进口压力的条件下，提供进口流量在
66%、80%、93%的叶轮子午面切削型线计算和性能曲线预测。
1.2.4保持进口条件下，提供设计压比的
91%、94%、97%、103%、106%的叶轮径向切削型线计算和性能曲线预测。
1.2.5如设计采用闭式叶轮,也应按系列化设计,即保持叶片的三维坐
标不变,通过子午面和外径的变化来满足不同流量和压比的要求.叶轮子午面、径向面切削示意图如下：
图3 叶轮切削示意图
1.2.6计算需验算扩压器采用无叶扩压器和有叶扩压器的性能偏差,并提供预测性能供甲方确认最终方案.
1.2.7甲方提供一级叶轮进口导叶的尺寸及开闭角度,旋转方向,部分负荷下的可能开启角度,供一方设计参考并验算相关性能参数.
1.2.8三维设计完成后，进行叶轮的强度校核，需满足设计要求。
1.3子午面尺寸初步规划
根据一维设计完成子午面尺寸后,乙方及时提供尺寸给甲方进行结构
规划,并确认结构实施的合理性和临界转速的验算,双方通过沟通协调最终确认一维流道尺寸。
2.总性能参数设计
双级压缩机两种工况要求的流量不同、压比不同、转速不同。
将两种工况的进口条件折合到相同条件下比较，可以发现两种工况的折合流量和折合转速比较接近。
虽然两种工况虽然进口流量、压力差别较大，但从气动设计角度可以选定一种工况进行设计，然后通过变转速实现另外一种工况的压力比，这种方法从空气动力学设计角度是合理的，能够保证两种工况实现平衡的气动性能。
在实际设计中，由于空调工况是该双级离心压缩机的主要工作状态，因此选用空调工况作为设计工况，通过调节转速来实现热泵工况的性能。
3.一维气动性能设计
工况
制冷
热泵
与设计要求
转速
rpm
9600
10500
OK
第一级流量
m1（kg/s）
20.17
13.801
OK
第二级流量
m2（kg/s）
22.372
15.97
OK
补气流量
Dm（kg/s）
2.202
2.169
OK
总耗功
Power（kW）
576.016
529.717
OK
出口压力
psexit（kPa）
1102.75
985.714
余量10%以上
总效率
allstage
0.866
0.845
OK
双级压缩机一维设计，首先确定两级压缩机的压比，然后根据一维气动计算确定双级压缩关键截面气动参数和基本几何尺寸。
根据设计流量，选定的设计压比、设计转速，采用compal模块进行一维气动设计，可以得到双级压缩机的基本尺寸，具体的尺寸设计如下图所示。
3.1一维变工况特性
下图给出了空调公开的离心压缩机一维变工况性能曲线。
可以证明在设计转速9600rpm工作时，双级离心出口压力达到1102kPa，超过设计要求10%以上，可以保证压缩效率。
整体一维变工况性能变化连续平缓，满足机组运行需求。
DB1000rt双级离心出口压力曲线
0.00;[Re3]（0.00）
0.00;[Re15]（0.00）
0.00;[Re29]（0.00）
0.00;[Re11]（0.00）
0.00;[Re23]（0.00）
0.00;[Re7]（0.00）
0.00;[Re19]（0.00）
96%rpm
98%rpm
100%rpm
102%rpm
104%rpm
第一级进口流量（kg/s）
总耗功（kW）
蜗壳出口压力（kPa）
DB1000RT双级离心耗功曲线
700
650
600
550
500
450
400
350
96%rpm
98%rpm
100%rpm
102%rpm
104%rpm
第一级进口流量（kg/s）
图4 一维变工况特性计算结果
4.流道二维设计
在一维计算的基础上，通过优化叶轮进出口半径、出口高度、扩压器高度、蜗壳尺寸等关键参数的基础上，获得双级离心压缩机流道的二维基本尺寸。
下图给出了压缩机流道子午视图的关键尺寸。
蜗壳采用反倾侧方式，以避开结构干涉。
蜗壳结构设计请按照附件6提供的面积数据，在保证面积连续的前提下，蜗壳截面形状可以适当调整。
图5 压缩机流道设计图
5.三维设计
在一维、二维设计基础上，采用AxCent模块进行压缩机的三维设计。
具体内容包括叶片角度、厚度设计，流道面积设计，回流器叶型设计，蜗壳360°面积变化设计等。
以下依序给出设计结果。
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5.1第一级离心叶轮
图6 第一级叶轮三维设计图
5.2第一级扩压器及回流叶片
图7 第一级扩压器流道
5.3第二级叶轮
图8 第一级回流叶片三维设计图
图9 第二级叶轮三维设计图
5.4第二级扩压器及蜗壳
图10 第二级扩压器流道
图11 蜗壳三维设计图
6.CFD性能验证
三维设计完成后，双级离心压缩机性能验证采用CFX软件进行
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计算，对叶轮全周360度流道、蜗壳、补气口进行了全面的计算验证，考虑了叶轮进口段、叶轮扩压器转静干涉、叶轮全三维壁面粗糙度
对计算结果的影响。
之前的一维预测发现，双级离心的失速边界在进口流量10kg/s附近，因此在特性三维计算过程中，为了节约计算时间，特性计算的左边界只需要计算到设计点流量的70%，计算结果表明，该计算左边界距离喘振边界还有足够流量范围。
6.1计算网格
离心叶轮流道计算网格采用turbo-grid生成，第一级转子单通道网格数45万*7流道，总计约343万网格点；第一级回流叶片总计约
310万网格点（22万*14流道）；第二级叶轮总计约297万网格点（42万*7流道）；蜗壳网格点33万。
整个全流道网格点数在967万。
每一个计算功况耗时约6.5小时。
下图给出了叶轮整个流道的网格示意图，右下图中橙色部分为补气孔位置，全周向采用16个圆形均布补气孔实现，补气孔直径
20mm，补气孔与轴向夹角45度，与周向夹角0度。
图12 CFD计算网格及计算域
6.3空调工况特性计算结果
空调工况的计算设置为：
工质R134a，压缩机进口压力：
3.6638bar.A进口温度:
6.5℃进口流量:
20.17kg/s，补气流量:
2.202kg/s。
设计转速9600rpm。
出口给定不同流量以获得变工况特性。
同时计算了
96%，98%，100%，102%，104%的压缩机全流道特性。
下表给出了空调工况的全流道三维特性计算结果，表中绿色的一行代表空调工况设计点性能。
从表中可以发现在设计流量工况下，压缩机排气压力达到10.717bar，满足排气压力>9.726bar.A的要求；耗功满足耗功<576kw的设计要求。
表1 空调工况三维CFD计算结果
rpm
m1
m2
dm
power
psExit
Efficiency
rpm
kg/s
kg/s
kg/s
kW
kPa
9216
22.3875
24.61
2.223
436.0
676.485
0.689
9216
20.2987
22.372
2.073
479.2
880.358
0.825
9216
18.278
20.136
1.858
483.8
1019.39
0.861
9216
16.2457
17.898
1.652
459.5
1082.92
0.856
9216
14.215
15.661
1.446
427.4
1129.56
0.837
9216
12.1185
13.424
1.306
392.0
1170.84
0.808
9216
9.78292
11.187
1.404
337.9
1174.91
0.747
势加透博（北京）科技有限公司
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9408
22.3142
24.61
2.296
504.6
817.795
0.784
9408
20.306
22.372
2.066
533.4
1002.06
0.854
9408
18.2764
20.136
1.860
521.6
1106.89
0.866
9408
16.2457
17.898
1.652
491.0
1160.37
0.854
9408
14.2156
15.661
1.445
455.4
1201.06
0.830
9408
12.7483
13.424
0.676
431.8
1246.82
0.807
9408
10.0534
11.187
1.134
362.2
1242.38
0.738
9600
22.3141
24.61
2.296
581.1
978.86
0.840
9600
20.3083
22.372
2.064
582.7
1122.41
0.871
9600
18.2774
20.136
1.859
558.3
1193.66
0.867
9600
16.2463
17.898
1.652
523.6
1240.98
0.850
9600
14.2175
15.661
1.444
484.5
1277.8
0.823
9600
11.4788
13.424
1.945
425.6
1276.7
0.756
9600
10.4098
11.187
0.777
400.7
1335.22
0.764
9792
22.3487
24.61
2.261
645.7
1124.79
0.865
9792
20.3486
22.372
2.023
628.4
1225.75
0.875
9792
18.2775
20.136
1.859
594.6
1279.73
0.863
9792
16.2459
17.898
1.652
556.9
1324
0.841
9792
14.1681
15.661
1.493
513.8
1351.4
0.812
9792
11.439
13.424
1.985
449.9
1350.59
0.749
9792
9.72315
11.187
1.464
399.6
1369.99
0.716
9984
22.3601
24.61
2.250
700.9
1254.41
0.879
9984
20.2902
22.372
2.082
673.1
1337.49
0.877
9984
18.2758
20.136
1.860
634.2
1376.41
0.859
9984
16.2314
17.898
1.667
591.1
1410.35
0.835
9984
13.7675
15.661
1.894
540.8
1434.35
0.794
9984
12.3366
13.424
1.087
499.2
1453.16
0.755
9984
9.70853
11.187
1.478
420.6
1446.22
0.710
势加透博（北京）科技有限公司
XecaTurboTechnologies（Beijing）Co.,Ltd.
（a）出口压力特性
（b）功率特性
（c）效率特性
图13 空调工况的三维CFD性能计算结果
6.2热泵工况特性计算结果
热泵工况的计算设置为：
工质R134a，压缩机进口压力：
2.2875bar.A进口温度:
-6.5℃进口流量:
13.83kg/s，补气流量:
2.14kg/s。
设计转速10500rpm。
压缩机排气压力>8.9493bar.A,耗功<543kw。
出口给定不同流量以获得变工况特性。
同时计算了96%，98%，100%，102%，104%的压缩机全流道特性。
下表给出了热泵工况的全流道三维特性计算结果，表中绿色的一行代表热泵工况设计点性能。
从表中可以发现在设计流量工况下，
压缩机排气压力达到10.435bar，满足排气压力>894.93kPa.A的要求；
耗功满足耗功<543kw的设计要求。
势加透博（北京）科技有限公司
XecaTurboTechnologies（Beijing）Co.,Ltd.
图14 热泵工况三维CFD计算结果
rpm
m1
m2
dm
power
psExit
rpm
kg/s
kg/s
kg/s
kW
kPa
10080
15.4532
17.593
2.1398
475.898
756.912
10080
13.9118
15.97
2.0582
462.704
831.269
10080
12.5262
14.394
1.8678
438.896
871.359
10080
11.1928
12.795
1.6022
410.784
897.029
10080
9.83479
11.196
1.36121
368.784
897.306
10080
8.43994
9.596
1.15606
342.194
935.204
10080
7.40358
7.997
0.59342
300.118
927.656
10290
15.403
17.593
2.19
525.051
871.296
10290
13.9112
15.97
2.0588
498.446
912.422
10290
12.5556
14.394
1.8384
473.106
949.475
10290
11.0423
12.795
1.7527
434.365
954.742
10290
9.93246
11.196
1.26354
412.704
997.305
10290
8.21038
9.596
1.38562
360.397
986.71
10290
6.74298
7.997
1.25402
320.607
987.909
10500
15.3863
17.593
2.2067
570.06
973.773
10500
13.92
15.97
2.05
537.957
1005.99
10500
12.6576
14.394
1.7364
507.203
1028.63
10500
10.9357
12.795
1.8593
460.069
1023.57
10500
10.128
11.196
1.068
439.192
1056.4
10500
8.44659
9.596
1.14941
379.766
1027.14
10500
7.21839
7.997
0.77861
329.134
1035.9
10710
15.3689
17.593
2.2241
609.699
1073.1
10710
13.8899
15.97
2.0801
575.916
1093.83
10710
12.1037
14.394
2.2903
550.432
1117.77
10710
10.9646
12.795
1.8304
486.853
1162.62
10710
9.88438
11.196
1.31162
465.246
1153.16
10710
7.905
9.596
1.691
399.059
1108.93
10710
6.947
7.997
1.05
353.89
1128.3
10920
15.4549
17.593
2.1381
658.621
1174.62
10920
14.0118
15.97
1.9582
618.564
1196.7
10920
12.3659
14.394
2.0281
588.145
1219.84
10920
10.7278
12.795
2.0672
510.536
1236
10920
9.88438
11.196
1.31162
516.326
1230.83
10920
8.30458
9.596
1.29142
415.5
1181.83
10920
7.02388
7.997
0.97312
374.652
1162.09
（a）出口压力特性图
（b）功率特性图
图15 热泵工况三维CFD性能特性
7.补气条件的说明
下图中给出了补气孔位置，全周向采用16个圆形均布补气孔实现，补气圆孔直径16.5mm，补气孔与轴向夹角45度，与周向夹角0度，以尽量减小对第二级性能的影响。
补气流量、温度根据热循环计算确定。
补气必须保证流量，以保证第二级压缩机的性能。
补气结构根据机组的空间布置。
补气位置
图16 补气位置示意图
8.离心叶轮强度校核及振动分析
气动设计完成后，采用ConceptsNREC软件的PbFEA模块对双级离心压缩机叶轮强度进行了校核。
叶轮采用了铸铝美标C355，其许用应力δb〉295MPA，δs〉175MPA。
计算的最大转速为
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10500rpm，（该转速为热泵工况转速）。
基于模型的循环对称性，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，某典型离心叶轮（第I段第一级）循环对称有限元模型及其扩展后的有限元模型如下图所示。
边界条件根据叶轮的装配关系确定。
（a）单扇区网格模型 （b）全流道三维FEA网格示意图
图17 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，为了准确计算该离心叶轮的强度载荷，计算中考虑了气动力及温度场的影响，气动力及温度场由多流管MST计算结果获得，计算参考温度为40℃。
下图给出了压缩机离心叶轮叶片和轮盘等效应力分布，可以看出，第一、第二级离心叶轮最大等效应力分别为126MPa和
91.9MPA，等效应力在最大计算转速下小于铸铝C355的抗拉极限和抗剪切极限，具有足够的安全系数空间。
（a）第一级离心叶轮
（b）第二级离心叶轮
图18 离心叶轮表面等效应力分布
气动性能设计采用进口导叶7片和回流叶片15片。
考虑到叶轮转动时的动静
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