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IRAN1600增压机气动设计报告

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目录

一、设计要求 1

二、设计分析 1

三、一维设计 2

三、三维详细设计 2

四、设计工况CFD分析 3

计算网格与边界条件 3

设计工况CFD计算结果 4

五、压气机性能预估 6

六、结论 7

七、附表 8

一、设计要求

一、设计要求

本项目为膨胀机增压端气动设计。该压气机压比较低，但是进气密度大，体积流量小，造成压气机计算准确性下降，设计难度相对较大。详细设计要求见表1。

表1增压机设计要求

介质

干燥空气

进口压力

PB1(Mpa)A

0.6683

进口温度

TB1(K)

289

进口流量

QB0(Nm3/h)

2500

（70%~110%）

出口压力

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：

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、设计分析等熵效率75%为工程运行保证值

二、设计分析

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。

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三、一维设计

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

mm

28.8

叶轮轴向长度

mm

18.5

叶轮出口半径

mm

46

叶轮出口宽度

mm

5.8

扩压器出口半径（蜗壳进口半径）

mm

77.5

扩压器出口宽度

mm

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。

图1叶轮三维模型

四、设计工况

四、设计工况CFD分析

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

名称

数值

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

转速

43000RPM

图2叶轮加蜗壳组合计算几何模型

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