低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟：計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)、常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的當(dāng)量擴(kuò)展角、用迭代法求取滿(mǎn)足收斂準(zhǔn)則的待求擴(kuò)壓器的出口安裝角、待求擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)，從而獲取多個(gè)不同稠度的葉形模型，再利用三維CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算確定方案。采用該方法，可大大縮短設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)周期，提高了離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及離心壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方 法，即對(duì)低稠度擴(kuò)壓器各參數(shù)的選型、計(jì)算，確定變量與不變量，降低了設(shè)計(jì)難度，方便設(shè)計(jì) 人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002] 離心壓縮機(jī)中，擴(kuò)壓器的功能是將葉輪出口氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。有資料表 明離心壓氣機(jī)出口動(dòng)能占典型條件下總輸入功的30~40%。因此，這些能量必須有效回 收，擴(kuò)壓器就是該功能的主要部件。
[0003] 常規(guī)擴(kuò)壓器葉片能夠把葉輪的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為壓力能，但是相比較無(wú)葉擴(kuò)壓 器，曲線(xiàn)范圍較窄。在一些條件苛刻的運(yùn)行工況下，常規(guī)葉片擴(kuò)壓器可能并不滿(mǎn)足該條件， 甚至出現(xiàn)壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在喘振點(diǎn)附近，對(duì)壓縮機(jī)性能、安全造成很大的影響。而無(wú)葉擴(kuò)壓 器雖然運(yùn)行范圍寬，能夠滿(mǎn)足較多的運(yùn)行工況，但是運(yùn)行效率低，能耗增加。低稠度擴(kuò)壓器 則兼顧了常規(guī)葉片擴(kuò)壓器與無(wú)葉擴(kuò)壓器的優(yōu)點(diǎn)，在保證正常運(yùn)行工況的情況下，壓縮機(jī)性 能也有一定保證。因此低稠度擴(kuò)壓器也有一定的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，為了增加離心壓縮機(jī)的運(yùn)行工況范圍，但 是必須保證一定的氣動(dòng)性能，本發(fā)明基于低稠度擴(kuò)壓器的應(yīng)用特點(diǎn)，借鑒常規(guī)葉片擴(kuò)壓器 的設(shè)計(jì)方法，提供通過(guò)確定擴(kuò)壓器的幾何參數(shù)實(shí)現(xiàn)低稠度葉片擴(kuò)壓器的葉形模型設(shè)計(jì)的低 稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法。
[0005] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法，包 括以下步驟：
[0006] 步驟1:計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C、當(dāng)量擴(kuò)展角Θ :
[0007] 步驟2:給定待求葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)變量Z'、用迭代法求取滿(mǎn)足收斂準(zhǔn)則 I <〇.〇1的待求葉片擴(kuò)壓器的出口安裝角β4Α'、待求葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C、待求 葉片擴(kuò)壓器的稠度σ '，其中Θ。為待求擴(kuò)壓器的當(dāng)量擴(kuò)展角，Θ為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的當(dāng) 量擴(kuò)展角；
[0008] 步驟3 :獲取多個(gè)不同稠度的葉形模型；
[0009] 步驟4 :對(duì)步驟3設(shè)計(jì)好的葉形模型利用三維CFD軟件根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率、性 能曲線(xiàn)進(jìn)行仿真計(jì)算，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
[0010] 所述步驟1包括以下步驟：
[0011] a.根據(jù)弦長(zhǎng)計(jì)算
計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C ;
[0012] b.將步驟a.得到的常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C代入當(dāng)量擴(kuò)展角計(jì)算公式 計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的當(dāng)量擴(kuò)展角θ;
[0013] 其中，％為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑，b 3為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口寬度，β 3Α為常規(guī) 葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角，比為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口直徑，134為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口寬度， β 4Α為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口安裝角，Z為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)。
[0014] 所述步驟2包括以下步驟：
[0015] a.對(duì)迭代變量β4Α'賦初值，并將β4Α'代入弦長(zhǎng)計(jì)算公式
計(jì) 算待求葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C';
[0016] b.將迭代變量β4Α'初值、步驟a.計(jì)算得到的弦長(zhǎng)C'、以及給定的葉片數(shù)變量 Z'代入當(dāng)量擴(kuò)展角計(jì)算
-計(jì)算待求葉片擴(kuò) 壓器的當(dāng)量擴(kuò)展角Θ。，若I I >〇.〇1時(shí)，則增大β4Α'，重新回到步驟2的a.計(jì)算Θ。， 迭代直至I θθ I < ο. οι停止計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果：待求葉片擴(kuò)壓器的出口安裝角β 4/、 待求葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)c';
[0017] c.將給定的待求葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)變量Z'、以及步驟2的b.計(jì)算得到的待求 擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C'代入葉片稠度計(jì)算公式〇 =CZA π D3)計(jì)算出待求葉片擴(kuò)壓器的稠度 〇 r ;
[0018] 其中，待求葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)變量Z'為正整數(shù)且可根據(jù)設(shè)計(jì)要求的變化賦值； 以下參數(shù)為不變量=D 3為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑，133為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口寬度，β 3A為 常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角，D4為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口直徑，b4為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口寬 度。
[0019] 所述步驟3根據(jù)步驟2計(jì)算出的最終計(jì)算結(jié)果β4Α'、C'、σ '以及已知常規(guī)葉 片擴(kuò)壓器的幾何參數(shù)〇3、133、|^、〇4、13 4作為待求低稠度擴(kuò)壓器的幾何參數(shù)，用造型軟件~1^ 設(shè)計(jì)出多個(gè)不同稠度的葉片擴(kuò)壓器的葉形模型。
[0020] 所述低稠度葉片擴(kuò)壓器的中弧線(xiàn)為單元弧或者拋物線(xiàn)型。
[0021] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0022] 1.根據(jù)已有的常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變量取為葉片數(shù)，而中間控制變量， 即收斂準(zhǔn)則為葉片擴(kuò)展角，即保證了一定的擴(kuò)壓器性能，同時(shí)擴(kuò)展了壓縮機(jī)的曲線(xiàn)范圍；
[0023] 2.本發(fā)明的設(shè)計(jì)流程可編制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，可大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì) 者效率，可進(jìn)行快速三維仿真模擬，評(píng)估方案優(yōu)劣，進(jìn)行優(yōu)化。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0025] 圖2為擴(kuò)壓器尺寸標(biāo)注示意圖；
[0026] 圖3為葉片數(shù)Z = 23、稠度σ = 2. 17時(shí)的某常規(guī)葉片擴(kuò)壓器；
[0027] 圖4為按照本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的稠度〇 '= 1. 92時(shí)的葉片擴(kuò)壓器；
[0028] 圖5為按照本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的稠度〇 ' = I. 74時(shí)的葉片擴(kuò)壓器；
[0029] 圖6為按照本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的稠度〇 '= 1. 21時(shí)的葉片擴(kuò)壓器。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，常規(guī)葉片擴(kuò)壓器是相對(duì)于無(wú)葉擴(kuò)壓器而言的，即，在無(wú)葉擴(kuò)壓 器壁面沿圓周均布一定數(shù)量的葉片，使得氣流按照葉片的型線(xiàn)流動(dòng)，流動(dòng)情況較好，流動(dòng)損 失小。但是在小流量情況下，葉片擴(kuò)壓器容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離，引起喘振。低稠度擴(kuò)壓器的引 入正是為了減小常規(guī)葉片擴(kuò)壓器對(duì)于小流量情況的敏感性。
[0032] 如圖2所示，為擴(kuò)壓器尺寸標(biāo)注示意圖，其中，％為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑，b 3為 常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口寬度，β 3A為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角，D 4為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口直 徑，比為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口寬度，β 4A為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口安裝角，C為常規(guī)葉片擴(kuò)壓 器的弦長(zhǎng)。
[0033] 如圖1所示，通常來(lái)說(shuō)，低稠度葉片擴(kuò)壓器是為了使壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)變寬而替代 常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的，常規(guī)葉片擴(kuò)壓器是較優(yōu)的擴(kuò)壓器，其性能較好，低稠度擴(kuò)壓器可以以此 為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。因此待求擴(kuò)壓器的進(jìn)出口直徑D 3、D4，進(jìn)出口寬度b3、b4S本可保持不變。并 且，為了保證一定的壓縮機(jī)性能，待求擴(kuò)壓器的當(dāng)量擴(kuò)展角Θ。需保持一定，不能太大或太 小，因而按照稠度公式σ = CZA JiD3),可改變?nèi)~片數(shù)Z'，使得稠度〇 '減小此時(shí)只有葉 片數(shù)Z' -個(gè)設(shè)計(jì)變量，大大降低了低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)難度。
[0034] 具體流程為：根據(jù)不變量D3、b3、β3Α、D 4、b4、β4Α計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng) C、當(dāng)量擴(kuò)展角Θ ;給定待求葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)變量Z'、用迭代法求取滿(mǎn)足收斂準(zhǔn)則 I <0.01的待求葉片擴(kuò)壓器的出口安裝角β4Α'、待求葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C、待求 葉片擴(kuò)壓器的稠度。'；根據(jù)計(jì)算得到的04/以及不變量％、133、0^〇4、13 4，獲取多個(gè)不 同稠度的葉形模型；三維CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
[0035] 如圖3所示，某常規(guī)葉片擴(kuò)壓器葉片數(shù)為Z = 23,擴(kuò)壓器稠度〇為2. 17,考慮到 該擴(kuò)壓器性能較好，因此為保證一定的性能以及壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)不做改動(dòng)，其當(dāng)量擴(kuò)展角以及 葉片進(jìn)出口直徑、寬度尺寸保持不變。利用該方法計(jì)算后，設(shè)計(jì)出的不同稠度擴(kuò)壓器如圖4、 5、6所示。
[0036] 以稠度〇 = 1. 74的擴(kuò)壓器為例的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程如下：
[0037] 1.確定常規(guī)葉片擴(kuò)壓器幾何參數(shù)：
[0038]

[0039] 根據(jù)上述常規(guī)葉片擴(kuò)壓器幾何參數(shù)，計(jì)算出常規(guī)擴(kuò)壓器葉片弦長(zhǎng)
;再根據(jù)公式
計(jì)算 擴(kuò)壓器葉片當(dāng)量擴(kuò)展角Θ = 3.63 ;根據(jù)公式。=CzAjiD3)計(jì)算稠度。=2. 17。
[0040] 1.確定在待求擴(kuò)壓器的過(guò)程中D3、b3、D4、b 4、β3Α、Θ為不變量，變量為葉片數(shù) Z'，最后計(jì)算出待求擴(kuò)壓器出口安裝角β4Α'，待求擴(kuò)壓器葉片弦長(zhǎng)C'，待求擴(kuò)壓器稠度 σ ' 〇
[0041] 2.給定葉片數(shù)t = 18,此時(shí)給定初值β4/ = 0.01，并將β 4/代入弦長(zhǎng)
'計(jì)算待求葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C';再利用當(dāng)量擴(kuò)展角計(jì)算
計(jì)算待求擴(kuò)壓器當(dāng)量擴(kuò)展角Θ。，若 θ c- θ I >0. 01時(shí)，則增大β 4Α'，重新計(jì)算θ。，直至I θθ I彡0. 01時(shí)，迭代停止，此時(shí)計(jì) 算得待求擴(kuò)壓器出口安裝角β 4/ = 30.69。
[0042] 3.此時(shí)待求葉片擴(kuò)壓器幾何參數(shù)已經(jīng)確定，其最終結(jié)果為：
[0043]

[0044] 根據(jù)幾何參數(shù)，可用NREC等常用造型軟件設(shè)計(jì)出多個(gè)不同低稠度葉片擴(kuò)壓器的 葉形模型。
[0045] 4.最后，上述設(shè)計(jì)的3套低稠度葉片擴(kuò)壓器，通過(guò)CFD驗(yàn)證，最后確定當(dāng)稠度〇 = 1. 74時(shí)，其壓縮機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率、性能曲線(xiàn)綜合考慮最優(yōu)，因此選定該低稠度葉片擴(kuò)壓器為改 造后的葉片擴(kuò)壓器。
[0046] 該方法大大降低了低稠度擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)難度，方便快捷。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1:計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C、當(dāng)量擴(kuò)展角0 : 步驟2:給定待求葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)變量Z'、用迭代法求取滿(mǎn)足收斂準(zhǔn)則 0。-0 I《0.01的待求葉片擴(kuò)壓器的出口安裝角04A'、待求葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C'、待求 葉片擴(kuò)壓器的稠度O '，其中0。為待求擴(kuò)壓器的當(dāng)量擴(kuò)展角，0為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的當(dāng) 量擴(kuò)展角； 步驟3 :獲取多個(gè)不同稠度的葉形模型； 步驟4 :對(duì)步驟3設(shè)計(jì)好的葉形模型利用=維CFD軟件根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率、性能曲 線(xiàn)進(jìn)行仿真計(jì)算，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟1包括 W下步驟： a. 根據(jù)弦長(zhǎng)計(jì)算公5計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C ; b. 將步驟a.得到的常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)C代入當(dāng)量擴(kuò)展角計(jì)算公式計(jì)算常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的當(dāng)量擴(kuò)展角0 ; 其中，為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑，b 3為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口寬度，0 3A為常規(guī)葉片 擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角，〇4為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口直徑，b 4為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口寬度，P 4A為 常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口安裝角，Z為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟2包括 W下步驟： a. 對(duì)迭代變量6?'賦初值，并將0 V代入弦長(zhǎng)計(jì)算公式計(jì)算待 求葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)Cf ; b. 將迭代變量04A'初值、步驟a.計(jì)算得到的弦長(zhǎng)C'、W及給定的葉片數(shù)變量Z'代 入當(dāng)量擴(kuò)展角計(jì)算公^^計(jì)算待求葉片擴(kuò)壓器 的當(dāng)量擴(kuò)展角0。，若I 0 C-0 I >0.01時(shí)，則增大P 44'，重新回到步驟2的a.計(jì)算0。，迭代 直至I 0。-0 I《0.01停止計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果：待求葉片擴(kuò)壓器的出口安裝角0?'、待求 葉片擴(kuò)壓器的弦長(zhǎng)Cf ; C.將給定的待求葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)變量Z'、W及步驟2的b.計(jì)算得到的待求擴(kuò)壓 器的弦長(zhǎng)C'代入葉片稠度計(jì)算公式O =〔2八JiDs)計(jì)算出待求葉片擴(kuò)壓器的稠度O '; 其中，待求葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)變量Z'為正整數(shù)且可根據(jù)設(shè)計(jì)要求的變化賦值；W 下參數(shù)為不變量：為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑，b 3為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口寬度，0 3A為常 規(guī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角，〇4為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口直徑，b 4為常規(guī)葉片擴(kuò)壓器出口寬度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3根 據(jù)步驟2計(jì)算出的最終計(jì)算結(jié)果04a'、C'、〇' W及已知常規(guī)葉片擴(kuò)壓器的幾何參數(shù)化、 b3、0 3A、〇4、b4作為待求低稠度擴(kuò)壓器的幾何參數(shù)，用造型軟件NREC設(shè)計(jì)出多個(gè)不同稠度的 葉片擴(kuò)壓器的葉形模型。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低稠度葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述低稠度葉 片擴(kuò)壓器的中弧線(xiàn)為單元弧或者拋物線(xiàn)型。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105987023SQ201510069973
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月10日
【發(fā)明人】李振華, 馬健峰, 王宇, 李云, 王開(kāi)宇
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)透平機(jī)械股份有限公司