一種工質(zhì)微小流量高轉(zhuǎn)速一元葉輪的優(yōu)化設(shè)計

一種工質(zhì)微小流量高轉(zhuǎn)速一元葉輪的優(yōu)化設(shè)計

1初場條件設(shè)計數(shù)值計算方法：離心葉片內(nèi)流場的控制方程為三維魚雷平均n-s方程，采用k-e模型，采用耦合解算法求解基本方程，以有限體積法將空間離散，并用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂，網(wǎng)格為h型網(wǎng)格。圖紙的入口是一定的質(zhì)量流量、方向和總溫度。圖紙的出口是固定的靜壓。為殼體壁的表面提供光滑、不可穿透的涂層，使其不滑，并在不轉(zhuǎn)動的壁面上放置邊界條件。網(wǎng)格的質(zhì)量、水量和能量的損失是零。為了計算區(qū)域的周向邊界，假定邊界條件是周期性的。初始階段的條件是整個范圍的均勻靜壓。當(dāng)剩余差小于10。2葉輪程序設(shè)計參考相關(guān)文獻研究發(fā)現(xiàn),機載蒸汽壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)所需小型高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機一般應(yīng)由2級組成,現(xiàn)僅設(shè)計第1級葉輪,具體設(shè)計任務(wù)如下:總壓比為2.0,設(shè)計流量為0.3681kg/s,垂直進口進氣,進口總溫為299K,進口靜壓為550kPa,工質(zhì)為R134a。運用C++語言編制以R134a為工質(zhì)的小型高轉(zhuǎn)速徑向半開式離心壓縮機葉輪的初步設(shè)計程序,程序流程圖如圖1所示?？紤]到徑向半開式離心壓縮機葉輪的壓頭系數(shù)取值一般為0.63~0.70,設(shè)計初步選定壓頭系數(shù)為0.63,D3初步選取轉(zhuǎn)速根據(jù)Balje的分析,高效離心式壓縮機的比轉(zhuǎn)速一般在0.62~1.08,因此對于微小流量離心壓縮機來說,為使其比轉(zhuǎn)速在高效范圍內(nèi),一般均采用高轉(zhuǎn)速。故本文初步選定轉(zhuǎn)速為50000r/min?？紤]到R134a制冷劑蒸汽屬實際氣體,故在進行葉輪內(nèi)部流場數(shù)值計算時,利用物性參數(shù)表擬合并插值計算不同狀態(tài)下R134a的熱物性參數(shù)。(1)葉片形狀的確定(2)葉輪內(nèi)部流場數(shù)值模擬為優(yōu)選出合適的葉輪出口角,在保持葉輪進口葉尖直徑為φ29mm,葉輪進口葉根直徑為φ14.5mm,葉輪出口寬度為2.0mm,葉片數(shù)為12,葉輪軸向長度為16mm,葉片為1mm等厚度葉片,進口角為34°等參數(shù)不變的情況下,分別對出口角為40°、60和90°三種葉輪內(nèi)部流場在全工況范圍內(nèi)進行數(shù)值計算,計算結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?出口角為90°葉輪的總壓比明顯高于出口角為40°和60°葉輪的總壓比,這是因為隨著出口角的增大,葉輪輸出的歐拉功增加的緣故。出口角為40°的葉輪在全工況范圍內(nèi)的等熵效率均要高于出口角為60°和90°的葉輪。出口角為40°的葉輪在設(shè)計流量附近總壓比低于設(shè)計總壓比2.0;雖然出口角為90°時,設(shè)計流量下總壓比較高,但此時等熵效率較低;因此綜合總壓比及等熵效率因素考慮可選定出口角為60°;(3)葉輪進口角的確定由圖3可見,進口角為34°的葉輪在設(shè)計流量下總壓比較進口角為50°和65°的葉輪的要大,而其等熵效率僅比50°時略低,因此可初步選定進口角為34°;(4)葉片入口葉尖直徑的確定由圖4可見,當(dāng)葉輪D(5)葉根直徑的確定由圖5可見,當(dāng)葉輪輪轂比D(6)葉輪內(nèi)部流場計算為優(yōu)選出合適的葉輪出口寬度,在保持葉輪出口角為60°,進口角為34°,進口葉尖直徑為φ26.1mm,進口葉根直徑為準(zhǔn)13.6mm,葉片數(shù)為12,軸向長度為16mm,葉片為1mm等厚度葉片等參數(shù)不變的情況下,分別對出口寬度為1.5mm、2.0mm、2.5mm和3.0mm四種葉輪內(nèi)部流場在全工況范圍內(nèi)進行數(shù)值計算。計算所得的4種葉輪的性能比較如圖6所示。由圖6可見,上述4種不同的出口寬度中,出口寬度為3.0mm時,設(shè)計區(qū)域附近總壓比最大;出口寬度為1.5mm時,等熵效率最高。但出口寬度過小,將影響固定元件效率的提高,進而影響級的效率的提高,因此,綜合考慮可選定出口寬度為2.0mm。4葉輪結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)選以R134a為工質(zhì)的小型高轉(zhuǎn)速離心式壓縮機葉輪個主要參數(shù)優(yōu)選的結(jié)果,可初步確定所設(shè)計的閉式三元葉輪初步結(jié)果:葉輪外徑φ58mm,葉輪進口葉尖直徑φ29mm,葉輪進口葉根直徑為φ14.5mm,葉輪出口寬度為2.0mm,葉片數(shù)為12,進口角為34°,出口角為60°,葉輪軸向長度為16mm,葉片為1mm等厚度葉片。具體形狀如圖7所示(為清楚顯示葉片形狀,沒有表示出葉輪輪蓋)。優(yōu)選前后三元葉輪在設(shè)計條件下的性能對照如表2所示,可以看出,優(yōu)選后參數(shù)構(gòu)成的三元閉式葉輪的總壓比較優(yōu)選前的三元徑向半開式葉輪低0.09,滿足設(shè)計條件,等熵效率比優(yōu)選前增加了3%。半開式葉輪從加工角度來看要優(yōu)于閉式葉輪,但一般來講閉式葉輪的效率要好于半開式葉輪。由于小型高轉(zhuǎn)速離心式壓縮機葉輪的效率偏低,因此對于該類葉輪一般考慮選擇閉式葉輪。為具體比較2種形式三元葉輪的性能,在設(shè)計條件下分別對2種葉輪內(nèi)部流場進行了數(shù)值計算,計算結(jié)果如表1所示。由表1可以看出,閉式葉輪的性能要明顯優(yōu)于半開式葉輪,因此確定所設(shè)計的小型高轉(zhuǎn)速離心式壓縮機葉輪為閉式三元葉輪;葉輪的出口角是決定葉輪性能的重要參數(shù)之一,出口角的變化將顯著影響離心式壓縮機葉輪的性能。因為葉輪出口角在一定程度上決定葉片數(shù)、進口直徑和進口角等其他葉輪主要參數(shù)的最佳值,因此本文先進行葉輪出口角的優(yōu)選。葉輪進口角也是影響小型高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機葉輪性能的因素之一,為優(yōu)選出合適的葉輪進口角,在保持葉輪出口角為60°,葉輪進口葉尖直徑為φ29mm,葉輪進口葉根直徑為φ14.5mm,葉輪出口寬度為2.0mm,葉片數(shù)為12,葉輪軸向長度為16mm,葉片為1mm等厚度葉片等參數(shù)不變的情況下,分別對進口角為34°、50°和65°三種葉輪內(nèi)部流