IRAN1600增压机气动设计报告Word格式.docx
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PB2（Mpa）A
0.836
出口温度
TB2（K）
314.45
耗功
NiB（KW）
22.9
转速rpm
43000*
等熵效率%
75*
表中带*说明如下：
1.计算时考虑到转速随进口流量会发生改变（可参考涡轮增压器）
二、设计分析
2.等熵效率75%为工程运行保证值
该压气机用于制氧用膨胀机上面的增压端，叶轮转速由膨胀机确定。
膨胀机也是叶轮机械，在驱动压气机时，转速会随工况变化，自动达到平衡状态。
所以设计时，对转速的限制低于电机驱动的压气机，允许在小范围变化。
设计时，不用对压气机压比预留较大的余量。
该压气机是改型机组，需要保持原机型的铸件不变，所以受到较大的几何限制，子午面不允许与原机型有较大的变化。
由于只修改叶轮，蜗壳保持不变，所以需要对蜗壳进行专门分析，获得原蜗壳设计工况进气角度。
三、一维设计
通过对原蜗壳的分析发现，原蜗壳设计工况进气角度约59°
。
蜗壳进气角度大于设计值时，损失上升速度小于进气角度小于设计值的情况，所以叶轮设计时，选择了60°
的出口气流角作为设计目标。
一维设计结果见表2。
表2压气机子午面几何尺寸
名称
单位
数值
进口叶根半径
mm
14.25
进口叶尖半径
28.8
叶轮轴向长度
18.5
叶轮出口半径
46
叶轮出口宽度
5.8
扩压器出口半径（蜗壳进口半径）
77.5
扩压器出口宽度
5.5
转速
rpm
43000
叶片数
13
后弯角
50°
三、三维详细设计
一维设计完成后，结合CFD软件，对子午面型线分布和叶片角度分布进行了设计和优化。
考虑到不确定采用整体直接铣制，还是焊接轮盖，所以采用了直纹面叶片，并在三维建模软件中进行了优化，提升叶片加工质量。
为了获得较大的流量范围和高效区范围，采用了大后弯叶轮。
叶片形状见图1，叶片几何数据见电子版的叶轮三维模型和附表二。
叶轮子午面型线坐标见附表一。
9
图1叶轮三维模型
四、设计工况CFD分析
4.1计算网格与边界条件
整周叶轮加蜗壳计算几何模型见图2，网格数和设计工况边界条件见表3。
表3网格数与设计工况边界条件
叶轮网格数
5687110
蜗壳网格数
1232803
湍流模型
k-Epsilon
叶轮与扩压器表面粗糙度
Ra=3.2
蜗壳内表面粗糙度
Ra=12.5
进口总压
0.6683MPa
进口总温
289K
出口静压
0.84MPa
43000RPM
图2叶轮加蜗壳组合计算几何模型
4.2设计工况CFD计算结果
子午面静压分布见图3。
图中显示叶轮和扩压器中静压分布均匀，满足性能要求。
叶片表面静压分布见图4。
图中显示，叶片表面静压分布均匀上升，前缘位置静压分布曲线分得较开，没有出现交叉，说明叶轮处于正攻角状态。
该压气机压比较低，适宜采用相对较大的正攻角，这有利于拓宽流量范围。
图3叶轮子午面静压分布 图4叶片表面静压分布
图5、6、7分别是10%、50%、90%叶片高度回转面马赫数分布。
图中显示，叶片进口三角区马赫数低于0.6，无激波损失。
叶尖中部吸力面存在一较小的低速区，这是由于二次流堆积
引起的。
该区域范围较小，并且没有沿着叶片方向继续发展，说明二次流堆积程度不严重，属于正常现象。
图8、9、10分别是10%、50%、90%叶片高度回转面速度矢量分布，图中显示，叶片表面无气流分离，流场分布较好。
图590%叶片高度马赫数分布 图650%叶片高度马赫数分布
图710%叶片高度马赫数分布 图890%叶片高度速度矢量分布
图950%叶片高度速度矢量分布 图1010%叶片高度速度矢量分布
图11叶尖间隙泄漏流流线分布图18蜗壳流道表面静压分布
五、压气机性能预估
图11是蜗壳流道表面静压分布，图中显示蜗壳内静压分布均匀，能使机组获得较大的流量覆盖范围和高效区，说明叶轮设计满足蜗壳的要求，与蜗壳匹配较好。
图12是CFD计算的压气机性能曲线（计算结果数据见附表三）。
转速43000rpm时，压比略高于设计要求。
设计工况等熵效率接近85%。
计算时虽然考虑了表面粗糙度的影响，但是没有考虑进口轮盖密封的泄露，所以压气机实际效率比计算值低大约2%。
预计压气机设计工况效率约83%，高于设计要求值。
压气机喘振点流量约为设计流量的50%，流量范围大于设计要求，能很好的满足使用要求。
#0....
压比
#,##0.00;
[Re31]-#,##0....
[Re31]-#,##0. 46000
设计工况
[Re31]-#,##0. 43000
[Re31]-#,##0. 40000
82
84
80
[Re31]-#,#
36000
75
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.
流量
图12压气机MAP图
六、结论
1.在考虑叶轮和蜗壳流道表面粗糙度的情况下，压气机计算效率接近85%，考虑轮盖泄露后约83%，高于要求值；
2.喘振点流量约为设计工况的50%，小于设计要求的70%，能很好的满足使用要求。
七、附表
附表一叶轮子午面型线坐标
叶根
叶尖
Z
R
-11.6
-18.5
-11.0931
14.5535
-18.1154
28.8714
-10.5961
14.873
-17.7322
28.9505
-10.1097
15.2082
-17.3507
29.037
-9.63431
15.559
-16.971
29.1313
-9.1705
15.925
-16.5933
29.2334
-8.71875
16.3057
-16.2179
29.3437
-8.27944
16.7008
-15.8451
29.4623
-7.85295
17.1096
-15.4752
29.5894
-7.43957
17.5317
-15.1083
29.7253
-7.03953
17.9665
-14.7449
29.8701
-6.653
18.4133
-14.3852
30.0241
-6.28011
18.8716
-14.0297
30.1874
-5.9209
19.3406
-13.6788
30.3603
-5.57536
19.8199
-13.3327
30.5428
-5.24344
20.3086
-12.992
30.7351
-4.92503
20.8063
-12.6571
30.9373
-4.61998
21.3123
-12.3285
31.1495
-4.3281
21.8259
-12.0065
31.3717
-4.04917
22.3468
-11.6916
31.6039
-3.78289
22.8742
-11.3843
31.846
-3.52907
23.4077
-11.0849
32.0979
-3.28739
23.9468
-10.794
32.3594
-3.05741
24.491
-10.5118
32.6304
-2.83898
25.04
-10.2388
32.9105
-2.63168
25.5932
-9.97509
33.1995
-2.43517
26.1504
-9.72104
33.4971
-2.24913
26.7112
-9.47683
33.8027
-2.07319
27.2752
-9.24257
34.116
-1.90703
27.8422
-9.01834
34.4366
-1.7503
28.4118
-8.80417
34.764
-1.60265
28.9839
-8.6
35.0977
-1.46377
29.5582
-8.40574
35.4373
-1.33336
30.1344
-8.22125
35.7823
-1.2111
30.7124
-8.04633
36.1322
-1.09661
31.2921
-7.8808
36.4867
-0.98952
31.8731
-7.72428
36.8452
-0.88951
32.4554
-7.57635
37.2074
-0.79651
33.0388
-7.43698
37.573
-0.71055
33.6234
-7.30624
37.9417
-0.63082
34.2088
-7.18319
38.3131
-0.55689
34.795
-7.06713
38.6867
-0.48876
35.3819
-6.95808
39.0624
-0.42631
35.9694
-6.85589
39.44
-0.36923
36.5574
-6.76008
39.8194
-0.31721
37.146
-6.67018
40.2001
-0.27002
37.7349
-6.58583
40.5821
-0.22744
38.3242
-6.5067
40.9653
-0.18927
38.9138
-6.43243
41.3494
-0.15528
39.5036
-6.36269
41.7343
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