根據(jù)相似準則原理介紹?；O(shè)計在壓氣機中的應(yīng)用

1、根據(jù)相似準則原理介紹?；O(shè)計在壓氣機中的應(yīng)用、概述?；O(shè)計是發(fā)展大型新壓氣機的重要手段。通觀國內(nèi)外壓氣機發(fā)展的歷史，壓比較高的大容量壓氣機一般都是在原來性能比較優(yōu)秀但壓比較低的小容量壓氣機(我們稱之為母型 機)的基礎(chǔ)上采用前后加級等措施提高壓比和流量而得到的。由于壓氣機技術(shù)比較復雜，還有一些比較深刻的內(nèi)涵目前還不太為人們所知，取得一臺性能良好的全新壓氣機需要花很多的精力與費用，因此有了一臺母型之后，?；蛹壴O(shè)計就成為進一步發(fā)展新壓氣機的主要手 段。二、原理介紹n定理：n定理描述了任一物理過程或者物理方程所相關(guān)的有梁剛物理量與相應(yīng)的無量綱參數(shù) 之間在的關(guān)系。若一個方程包含了 ？個物理量，每個物理

2、量的量綱均有 ？個獨立的基本量綱組成，則這些物理量可以并只可以組合成 ？? ?個獨立的無量綱參數(shù)，稱為n數(shù)。選擇？個獨立的物理量為基本量，將其余？? ?個物理量作為導出量，依次同基本量作組合量綱分析，可以求得？? ?個互相獨立的n數(shù)1。設(shè)原來的方程為：?= ?(?2,?,?經(jīng)量綱分析后，由相互獨立的？? ?個口數(shù)組成新的方程：n = ?( n n3,n?-?n定理極大的減少了描述物理過程的物理量，并且在一定程度上揭示了物理過程的本質(zhì)2。流動相似原理指出：如果兩個流動的相似準則相等， 則流動就相似，對于透平機械內(nèi)的流動而言， 在幾何相 似的條件下，流動相似的條件是： 第一級動葉進口的絕對無因次速

3、度對應(yīng)相等，第一級動葉進口無因次圓周速度對應(yīng)相等，即：?1=常數(shù)，？?1=常數(shù)由氣動力學知識可知，無因次速度？?與無因流量？?(?)為單值函數(shù)，因此，相似條件轉(zhuǎn)換為：?(?)=常數(shù)，？?1=常數(shù)如果以?c?1和？?作為自變量繪制壓氣機特性，則可以得到壓氣機的通用特性曲線。?= ?(?1,?i?= ?(?),?兩個流動相似的壓氣機，速度三角形相似，所以相似條件又可以換為：?(?=常數(shù)，？?1=常數(shù)?是壓氣機的無因次軸向分速度。 由流量公式：_ ?/? ?/?(?= ? ?無因次速度：? ?1 = =-V? 60 V?對一臺壓氣機的兩個不同工況，相似的條件是:?簧常數(shù),?=常數(shù)對同一臺壓氣機，可用

4、孑和胡乍為自變量繪制壓氣機特性曲線。還可使用標準流量和標準轉(zhuǎn)速：101300,?288?= ?腳4-12閘相巖蚤魏 2仃押.* /和坐翻的提氣機特性曲蠅壓氣機?；O(shè)計要求選擇好母型機，并且要能夠繪制出母型機的特性曲線3。模化準則(i) 通流部分幾何相似，包括表面粗糙度相似。(2 )平均絕熱指數(shù)？相等。(3) 表示壓縮特性的馬赫數(shù) ?相等。(4) 表示粘性特性的雷諾數(shù) ？在自動?；瘏^(qū)域。表示氣體速度與圓周速度之比斯特魯哈爾數(shù)？?湘等，即流量系數(shù)$相等。模化設(shè)計中需要進行?；瘷C的雷諾數(shù)計算，認為雷諾數(shù)大于23 X105時，在自動模化區(qū)，小于這個數(shù)值，不滿足相似準則。假如母型壓氣機的特性曲線是由 ？

5、?和？?衲自變量表示的，當已知流量 ？壓比？?？進 氣溫度？?和進氣壓力？時，在保證一定效率，具有一定喘振裕度的條件下，按給定壓比？?在母型壓氣機特向上選取?；c，即可以算出壓氣機進口截面面積：?7?由于所設(shè)計的壓氣機與母型壓氣機為幾何相似，所以輪轂比相同，因此，可以求出設(shè)計壓氣機第一級進口外徑：?=海根據(jù)模化點的？?i可以求出圓周速度和轉(zhuǎn)速：? =得:60?= ?模化系數(shù)定義為:由此可以求出其他幾何尺寸。如果母型機的特性曲線是以 ?= ?機?(?1，?闕和？?= ? ?(闕1, ?_的形式給出，則 在母型機特性曲線上找到設(shè)計壓氣機的壓比，從而求出？?和？?但此時，設(shè)計壓氣機的標準流量和標準轉(zhuǎn)

6、速必須要根據(jù) ？?(莎?和？?相等的條件得出。、應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1 :設(shè)計氦氣輪機過程中利用空氣作為介質(zhì)進行工作模擬步驟簡介：第一步：根據(jù)設(shè)計馬赫數(shù)和工質(zhì)選取合適的相似準則，換算出模擬實驗條件 第二步：根據(jù)該實驗條件，得出不同轉(zhuǎn)速不同流量情況下壓氣機模型的性能曲線 第三步：禾U用相似準則之間的關(guān)系換算出壓氣機原型的實驗性能圖，與設(shè)計性能圖相比較， 對壓氣機的設(shè)計進行校核與優(yōu)化 4(1) 選取相似準則當壓氣機在氦氣和空氣條件下工作時，兩種工質(zhì)的分子量、絕熱指數(shù)k和比熱容等物性差別較大，不滿足物質(zhì)相似的條件，所以不同工質(zhì)條件下的相似分析不是完全相似的，而是簡化的近似相似分析。不同工質(zhì)條件下，在集合

7、相似滿足的基礎(chǔ)上軸流壓氣機的相似準則為： 在馬赫數(shù)M V 0.5時，保證壓氣機流量系數(shù)、多變負荷系數(shù)、雷諾數(shù)相等或者在同一自?；?區(qū)內(nèi)，即可保證壓氣機模型與原型的相似。(2) 選擇試驗參數(shù)用空氣代替氦氣做壓氣機性能試驗時，選擇空氣的進口溫度、壓力、壓比、轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量作為宏觀試驗檢測控制量，這些參數(shù)可通過上述分析的相似準則由氦氣工況轉(zhuǎn)換確定。空氣進口溫度：進口溫度的選擇范圍并無限制，為了試驗及計算的方便，實驗中可以選取與氦氣輪機相同的進口溫度TAirTHe空氣進口壓力：氦氣壓氣機設(shè)計工況葉弦雷諾數(shù)， 各級中最低約3 105左右，略大于臨街雷 諾數(shù)2 105，大致是空氣工質(zhì)普通規(guī)格壓氣機的四分之

8、一到二分之一，數(shù)值較低。由于試驗中要滿足雷諾數(shù)相等或者與圓形雷諾數(shù)在同一個自模區(qū)內(nèi)，所以進口壓力的選擇范圍較小，由雷諾數(shù)Re相等或在同一自?；瘏^(qū)內(nèi)求得模擬試驗時壓氣機入口壓力PHe，設(shè)計工況點的空氣試驗壓力為2.3 105左右5。模擬實驗壓比：又流量系數(shù)相等和連續(xù)方程可以得出原型與模型進出口比容比相等，即有(Vi / v2 ) He(w / V2) Air ,聯(lián)立理想氣體狀態(tài)方程得到原型與模型壓比關(guān)系式1 1(m)He ( m)Air，m為多變指數(shù)。模擬試驗轉(zhuǎn)速：由多變壓頭系數(shù)相等、圓周線速度及多變能量頭得到模擬實驗轉(zhuǎn)速換算關(guān)系表1試驗搟貌的換算公式還il件能卷數(shù)空氣試握條杵下養(yǎng)數(shù)換算關(guān)至Qp

9、fip叼1 T r,砂.-11I KMj/L fjn m(陸、鈕空氣質(zhì)量流量：體積流量與轉(zhuǎn)速成正比，再聯(lián)立理想氣體狀態(tài)方程求得空氣的質(zhì)量流量。 根據(jù)以上準則進行換算：HeAir進氣口溫度T(C)35.235.2進口壓力P ( MPa)0.65170.23質(zhì)量流量GM ( kg/s)4.76.833轉(zhuǎn)速 np (rpm )150005526壓比1.581.43(3) 根據(jù)以上參數(shù)進行試驗，得到的曲線如下圖所示:氦氣壓氣機特性圖如下:“；1i1:1i由于漏流、二次流和末端邊界層的影響不可避免，故空氣與氦氣條件下壓氣機的性能換 算有待進一步的細化研究。應(yīng)用舉例2:設(shè)計研制一臺如下性能指標和進口條件的

10、海水淡化裝置用的離心蒸汽壓氣機(1) 參數(shù)如下進口外徑 D1213.46mm擴壓器進口直徑 D3436. 4mm壓比1.2蒸汽流量G1000kg /效率i0.75進口壓力R21333Pa進口溫度Ti64C母型機為一單級離心空氣壓氣機：葉輪外徑D2355mm葉片數(shù)Z20進口內(nèi)徑Do106mm葉片厚度3. 62mm葉輪進口寬度b140mm擴壓器出口直徑D4504mm葉輪出口寬度b217. 21mm擴壓器進口寬度b317.6mm葉輪進口構(gòu)造角 B1P38擴壓器出口寬度b417.33mm葉輪出口構(gòu)造角 B2P90蝸殼出口直徑D6200mm(2) 模化過程會遇到的問題：a. 水蒸汽為實際氣體,將其看作理

11、想氣體進行?；欠窈侠恚縝. 水蒸汽的絕熱指數(shù) K=1.328，與空氣的絕熱指數(shù) K=1.4是不相等的，這會帶來怎樣的誤 差？c. 當?；窃诒ＷC進、出口截面比容比相等的條件下進行，而不可能保證所有截面上速度三角形相似，造成造成母型機和新型機的馬赫數(shù)的不等，這會對?；斐墒裁从绊?？d. 由于工質(zhì)的變更，導致氣體常數(shù)變化，使得新機的雷諾數(shù)低于臨界值，這會有什么影響?(3) 由相似理論得知，保證兩臺離心壓氣機流動相似，必須確保做到幾何相似、運動相似和動力相似。換句話 說要確保以下各相似準則數(shù)對應(yīng)相等：表征氣體壓縮性的馬赫數(shù)：M_C_KRT表征氣體粘性的雷諾數(shù)：R.CDPr表征氣體換熱的普朗特數(shù)Cp

12、Nu以及努塞爾數(shù)表征不穩(wěn)定流動影響的斯特洛哈里數(shù)：ShlC2表征地球引力作用的福雷德數(shù)：Frr l(4) 考慮到實際氣體的復雜性，在工程上引入一些假設(shè)：a. 認為氣體在壓縮過程中，與外界無熱交換，即忽略Nu數(shù)和Pr數(shù)的影響。b. 不考慮噴射冷卻和進口處水滴的降落。c. 研究的只是定常的或準定常的通流部分的流動，因而可以忽略習 Sh數(shù)的影響。d. 假定進人壓氣機的初始速度和氣流的紊流度沒有本質(zhì)上的影響。e. 認為被壓縮工質(zhì)的比熱容Cp和Cv為常數(shù)，即絕熱指數(shù)K為常數(shù)的理想氣體。(1)在這樣一些假設(shè)條件下，可把完全相似的關(guān)系式：i , Ni f (Q, P , i , K, , D2, n, ,

13、Cp)其中Ni為內(nèi)功率，丫為運動粘滯系數(shù)，為工質(zhì)導熱系數(shù)，Q為容積流量，n為葉輪轉(zhuǎn)速,簡化到壓氣機工程可做到的部分相似關(guān)系式：N iQ u2u2 D2，i,F（己,2 ,= ,K）F（ , Mu, ReU, K）（ 2）D2 U 2D2U 2 ：'KRTi上式為壓氣機工程中常用的部分?；罁?jù)的基本原理關(guān)系式。該式表明：在幾何相似的條件下，只要保持母型機和新機型相似準則：流量系數(shù)，切向馬赫數(shù)MU，工作輪出口雷諾數(shù)Reu以及比熱比k相等，則新機型和母型機的流動相似。根據(jù)式（2）考慮所采用的?；椒傻玫饺缦碌哪；P(guān)系:Ni1 Q YRTQ YRTYRT n YRTNiP(L)2 .RTR

14、 Y , RT（3）（5）（6），只要尋求合適的?；c,有足夠的喘振裕度，具有較高效率，又能滿足新機流量和壓比的要求，則可以實施?；O(shè)計1),Y其中1),m，m分別為新機和母型機工 質(zhì)的多變指數(shù)。這樣，根據(jù)式（3 ）、（ 4 ）、（ 5）、（ 6）關(guān)系，利用母型壓氣機的特性6（5）?；`差分析：a. MUMU的影響分析：在本模化實驗中，模化比1，新機型和母型機通流部分的尺寸基本一致，而且，因而可以用 Mj來衡量對模化性能的影響。經(jīng)熱力計算，Mu0. 4 0. 5，i和 沒有什么影響；當 MU0.9和1.0，在K 1. 107 1.2范圍內(nèi)變化時，K的不同對i和沒有什么影響。上圖為不同MU值情況

15、下，具有軸向進氣，葉片擴壓器和徑向出口葉輪級的特性曲線。b.K K的影響：在K K的情況下，僅能保證壓氣機進出口截面上保持速度三角形的相似，而其余各通流截面上的速度三角形不可能保持相似，因而造成?；`差。vv在該研究中，新機?；瘯r，m1.447,也匚 1.22，根據(jù)等比容比?；繴 outV out計K K造成的誤差在3%以內(nèi)。c.Reu低于臨界值的影響：由流體力學和壓氣機原理可知，離心壓氣機氣通流部分的能量損失，只有一部分因摩擦而起，這部分損失與Reu有關(guān)。而大部分損失是由分離撞擊、 端壁效應(yīng)和二次流動引起的， 這些損失則與雷諾數(shù)的關(guān)系不大。大量實驗指出，當艮口 5 106 107時，流動

16、處于自模化區(qū)，此時 艮口作為相似準則的作用已經(jīng)蛻化，故可忽略Reu對流動的影響。但當&u5 106時，由于氣體的粘性而產(chǎn)生的摩擦損失的影響將明顯地表現(xiàn)出來，此時Reu低于臨界值對壓氣機效率的影響就必須考慮?？筛鶕?jù)以下公式估計:icrb(ReucrReu根據(jù)本設(shè)計中的模情況，i 0.8,分別取Reucr5 106和3 106，計算可得到由于雷諾數(shù)處于非自?；瘏^(qū)而產(chǎn)生的誤差小于3%。應(yīng)用舉例3 :大型燃機的壓氣機加級?；O(shè)計(1) 基本理論與方法?；ㄊ且韵嗨评碚摓榛A(chǔ)開發(fā)各種壓縮機的主要方法。軸流壓縮機中，一般流速都較大，Re 一般都大于臨界值,因此,在幾何相似、進氣條件相似以及氣體成分

17、相同的前提下 ， 只要求馬赫數(shù)相等就可以了 ，如果發(fā)現(xiàn)?；蟮膲嚎s機的 Re小于臨界值,再根據(jù)Re數(shù)影響 的試驗數(shù)據(jù)加以修正7。幾何尺寸關(guān)系：幾何?；禂?shù)：Kl 旦DtM角度關(guān)系：所有角度相等轉(zhuǎn)速關(guān)系：nMn質(zhì)量流量關(guān)系:1Kl2壓比關(guān)系:效率關(guān)系:adMadpol ,Mpol(2) 母型機206#哈爾濱汽輪機廠優(yōu)秀母型機206y#206y#的基本參數(shù)：級數(shù)：14級壓比：9(本次計算可以保守取為 8.8)物理轉(zhuǎn)數(shù)：8423 rpm質(zhì)量流量：36.6 kg/s前氣缸內(nèi)徑：0.7462 m 進口環(huán)形面積：0.2394 m2葉頂線速度：328.6 m/s葉頂相對速度：274.9 m/s葉頂相對馬赫數(shù)

18、：0.82絕熱效率：0.87206#的加級和估算達到國際先進 FA級燃氣輪機性能壓氣機：壓比16 ;空氣質(zhì)量流量 600kg/s方案構(gòu)想：a、在206y#壓氣機基礎(chǔ)上前加三級，得到新母型機b、在新母型機上再模化放大，得到3000rpm下的大型燃氣輪機的壓氣機1、大型目標機壓比206#加2或3級后，能夠達到大型目標壓氣機3000rpm時的空氣質(zhì)量流量為 600kg/s，總壓比定為16.4206#的壓比為8.8，則新的前加級組的總壓比為xi2 =16.4/8.8=1.864 ，貝V 3級平均級壓比為 1.23。2、關(guān)于206y#加級后的物理轉(zhuǎn)速和流量如新加3級組的總多變效率取為 0.905 （這是

19、一個國內(nèi)目前夠達到的數(shù)據(jù)），則根據(jù)多 變指數(shù)公式：n/（n-1）=k/（k-1） x 0.905式中，絕熱指數(shù)k=1.4由此可求得新加3級組的多變指數(shù)：n=1.34875由此可求得206y#新加3級后的得到的新壓氣機（新母型機）的物理轉(zhuǎn)速和流量：n 1nx nm X129293rpmn 1Gy Gm X1261.835 kg /s3、關(guān)于進口面積和輪轂比如進口其他參數(shù)與原來 206y#相同，則加級后新機的進口環(huán)形面積和質(zhì)量流量與加級前 的206y#的進口環(huán)形面積和質(zhì)量流量成正比，原206y#進口面積為0.2394m2、質(zhì)量流量為36.6kg/s，則新加級后的進口面積應(yīng)為：0.2394 x 61

20、.835/36.6 = 0.4045m2由此，可以求得新機相應(yīng)的進口內(nèi)徑：nX（ 0.7794A2 dA2 ） /4 = 0.4045d= 0.305m相應(yīng)的輪轂比 R=0.305/0.7794=0.391輪轂比R是反映壓氣機進口尺寸是否合理的重要指標。如果輪轂比過小。則前軸承的 設(shè)計就會與壓氣機進氣道產(chǎn)生干涉、增加進氣損失、影響壓氣機效率，一般壓氣機的進口 輪轂比R不能小于0.50。因此上述方案的輪轂比還需要進行調(diào)整。以上述新機為母型機，如果進行模化設(shè)計計算到3000 rpm時的大型目標壓氣機參數(shù)：模化比（與轉(zhuǎn)速比相同）：i 9293 / 30003.0977通流外徑（與?；瘸烧龋篋

21、0.7794 i 0.77943.0977 = 2.4155 m （ GE 的9FA 為2.489m）流量（與?；鹊钠椒匠烧龋篏y 61.835 i261.835 3.09772593.35kg/s該值比預(yù)期目標 600 kg/s 差1.1 %，可在詳細設(shè)計時再加以考慮。(4)加級后?；Ч念A(yù)測以新加級后的壓氣機為母型機，進行?；糯笤O(shè)計，加級后在此基礎(chǔ)上發(fā)展大型發(fā)電用燃 機，機組預(yù)計能達到的參數(shù)見下表：農(nóng)“ 以斷阿書枇?；畏藟蚺薚的噸電用燃機秫醐壓比916|41616.416.4轉(zhuǎn)建 r/min&423929354OC30003000流尿kg/s36.661.8318660061JO相應(yīng)燃P輪機 的丸杓功，率MW18-192EC(50-70(FAfS)23O24Q(FA級天然氣)300320IGCC)可見，這個壓氣機有著先進的熱力性能，與SIEMENS的V94.3、V94.3A和GE的9FA等燃機的壓氣機相比有許多相似之處，發(fā)展的前途也許也會非常相似。但它的通流部分很光 順，較SIEMENS GE機組要強。由于原母型機絕熱效率為0.87 (實驗測得)是在20多年前的可控渦時代的設(shè)計成果，考慮到目前國內(nèi)已有完備的氣動全三維設(shè)計能