三一能源重工冷气风机设计报告.docx

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合同号：



冷气风机设计报告

委托方：

三一能源重工有限公司

承接方：

势加透博（北京）科技有限公司

项目负责人：

项目实施人：

2013年10月

PageNo.18

冷气风机设计报告

目 录

一、引言 3

二、冷气风机气动方案设计 3

三、冷气风机详细设计 6

四、冷气风机全三维气动计算 8

附录I –冷气风机特性数据（2840rpm，418.15K，493kPa） 15

附录II–冷气风机特性数据（2980rpm，418.15K，493kPa） 16

附录III –单级高速鼓风机加工数据 17

一、引言

根据三一能源重工有限公司（项目委托方）与势加透博（北京）科技有限公司签订的“冷气风机气动设计”要求，利用经过校核的离心压气机设计系统完成了冷气风机的方案设计、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叶轮进行了全三维验算。

二、冷气风机气动方案设计

根据三一能源重工有限公司的要求，本项目设计对象为某冷气风机，总体气动布局组成为进气蜗壳、闭式叶轮、无叶扩压器、出气蜗壳（叶轮采用双吸方案）。

贵司希望保持进气蜗壳、出气蜗壳、无叶扩压器等主要部件尺寸不变的情况下，兼顾制造成本，设计高效的二元叶轮或三元叶轮。

其他附加约束条件：

1）进气蜗壳为旋转进气，压损取6kPa；

2）风机为变频调速，设计转速约为2840rpm；

3）以额定工况作为设计工况，流量裕度取5‰。

2.1总体设计参数:



表1设计参数

正常工况

额定工况

工质

组分mol%

NH3

69.45%

69.45%

CO2

29.69%

29.69%

N2

0.8%

0.8%

HNCO

0.06%

0.06%

质量流量

kg/h

330000

358050

进口压力

kPa（A）

430

500

进口温度

℃

140

145

出口压力

kPa（A）

465

540

设计转速

r/min

2840

2840

2.2主要尺寸约束:

图1 叶轮主要尺寸

利用损失模型，借助ConceptsNREC软件的COMPAL模块，在给定的限制条件下获得初步子午流道参数，然后再AxCent中进行造

型分析。

如图2冷气风机子午流道，主要由进口段、闭式离心叶轮、无叶扩压器以及蜗壳等部件组成。

图2单级高速鼓风机子午流道

表2给出了该风机各级主要几何参数。

表2冷气风机的几何参数

叶轮叶片数Z

21

盖处进口直径D0,mm

514

轮毂直径d,mm

240

叶片进口处叶根半径R1h,mm

260

叶片进口处叶顶半径R1t,mm

295

叶片出口叶片角b2A（°）

46

叶轮外径D2,mm

1049

叶轮出口宽度B2,mm

106

叶片进口厚度δ1,mm

10

叶片出口厚度δ2,mm

10

三、冷气风机详细设计

根据一维方案计算结果，利用ConceptsNREC软件的AxCent模块进一步给出冷气风机详细的子午流道，完成冷气风机叶片造型，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，完成冷气风机的通流（包括叶片和流道）设计和造型，在此过程中对冷气风机内部流场进行了详细的分析，经反复迭代最终完成了冷气风机的详细设计。

图3离心叶轮三维渲染图

冷气风机离心叶轮采用了基于圆弧叶片修改而成的三元叶轮，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46度的进圆弧叶片。

如图3给出了冷气风机三维渲染图。

图4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4离心叶轮叶片角、倾角、包角及厚度分布

四、冷气风机全三维气动计算

前面分别介绍了冷气风机的几何特征及其设计原则，风机几何

（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。

为了提高冷气风机设计的可靠性，保证获得更好的性能，必须对冷气风机内的三维流场有清楚的了解。

因此，在冷气风机设计过程中采用经过校核的全三维粘性流场分析工具，

对风机进行优化分析，获取流场信息。

实际上，在前面给出的冷气风机，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。

由于该冷气风机的工质为真实气体，采用CFD计算时会很慢，考虑到气体进出口温度变化较低，因此采用理想气体替代真实气体，原则如下：

1、在Compal的分析模式下，固定进口质量流量，将气体工质修改为理想气体；

2、修改气体常数R保证前后体积流量一致；

3、修改比热容比k保证前后能量头一致；

4、修改粘性系数保证前后进口雷诺数一致；

5、将修正后的气体参数用于CFD计算。

对于该工质，经修正后，采用如下参数进行三维数值模拟：

R=326.8J（kg*K）;k=1.256;v=1.6121E-5kg/（m*s）

数值计算中采用了Jameson二阶中心差分格式并结合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。

边界条件给定如下：

进口给定总温、总压和气流角，出口给定

平均静压或质量流量，壁面采用了绝热无滑移边界条件，其中无叶扩压器的轮毂出口平面设置为欧拉壁面，以模拟双吸叶轮出口流场，忽略双吸叶轮出口处的流动掺混。

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。

利用全三维数值计算手段对冷气进行数值模拟，获得了不同工况下的性能特性。

由于数值模拟并没有包括蜗壳，因此根据贵公司提供的参数初步预估出蜗壳的总压损失系数，而通过进口的总压损失来考虑进气蜗壳的损失。

由于额定工况和正常工况的进口条件不一致，因此在CFD计算时，设置进口总压为493000Pa，进口总温为418.13K，其他进气条件下采用折合流量和折合转速换算。

图5-7为冷气风机在不同工况下的特性曲线（叶轮进口到蜗壳出口）。

图中

n1/√T和n2/√T分别表示在设计转速（2840rpm）和最高转速

（2980rpm）时的折合转速。

注意，图5中的额定工况点和正常工况点的进气状态假定为（494000Pa，418.13K）和

（424000Pa，413.13K）。

在设计点时的气动功率为781.55kW，小于贵方的指定值790kW。

图5不同转速下压比—流量特性

图6不同转速下的效率-流量特性

图7不同转速下的功率特性

图8给出了全三维CFD计算获得的离心压缩机内部的流场结构，可以看出，离心压缩机内部流动状况良好。

离心叶轮子午面参数分布

（标注叶高位置）

图8冷气风机内部流场结构

五、主要结论

利用ConceptsNREC离心压缩机敏捷工程设计系统完成了三一能源重工有限公司冷气风机设计，利用经过校核的全三维CFD软件对冷气风机进行全三维计算，在此基础对冷气风机进行优化，各项性能指标均满足设计要求。

附录I –冷气风机特性数据

（2840rpm，418.15K，493kPa）

扩压器出口参数

流量（kg/s）

总压比

等熵效率

功率（kW）

42

1.1238

0.9444

702.65

43

1.1227

0.9470

713.89

44

1.1218

0.9529

724.71

46

1.1198

0.9535

745.65

48

1.1175

0.9519

765.115

49.74

1.1155

0.9502

781.55

52

1.1127

0.9473

800.66

55

1.1088

0.9421

823.55

58

1.1043

0.9335

842.4

60

1.1012

0.9263

852.52

蜗壳出口参数（总压损失系数0.48）

流量（m3/s）

总压比

等熵效率

42

1.1138

0.8716

43

1.1131

0.8757

44

1.1126

0.8839

46

1.1109

0.8855

48

1.1088

0.8842

49.74

1.1070

0.8830

52

1.1043

0.8800

55

1.1007

0.8748

58

1.0965

0.8664

60

1.0935

0.8582

附录II–冷气风机特性数据

（2980rpm，418.15K，493kPa）

扩压器出口参数

流量（kg/s）

总压比

等熵效率

功率（kW）

46

1.1352

0.9517

837.1

49.74

1.131

0.9528

879.31

52

1.1282

0.9507

902.66

54

1.1256

0.9484

922

56

1.123

0.9455

939.78

60

1.117

0.9362

969.77

蜗壳出口参数（总压损失系数0.5）

流量（kg/s）

总压比

等熵效率

46

1.1244

0.8793

49.74

1.1209

0.8828

52

1.1184

0.8807

54

1.1160

0.8782

56

1.1135

0.8755

60

1.1079

0.8658

附录III –冷气风机叶轮加工数据

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（即风机的轴线），X、Y、Z直角坐标系符合右手原则，旋转方向为从进气边看逆时针，离心叶轮叶片数为21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。

图2子午流道示意图

图3子午流道尺寸

表2离心叶轮叶片坐标（单位：

mm）

压力面叶尖

压力面叶根

XP

YP

ZP

XS

YS

ZS

1

171.81

255.84

-149.36

188.95

199.72

0.00

2

170.56

259.43

-148.90

187.63

204.56

0.00

3

169.30

263.01

-148.44

186.31

209.33

0.00

4

168.02

266.56

-147.97

184.96

214.03

0.00

5