根據(jù)相似準則原理介紹?；O(shè)計在壓氣機中的應用

1、v1.0可編輯可修改16根據(jù)相似準則原理介紹?；O(shè)計在壓氣機中的應用一、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。、原理介紹n定理:門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的無量綱參數(shù)之間在的關(guān)系。若一個方程包含了門個

2、物理量，每個物理量的量綱均有r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h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n-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:n - r個門|數(shù)組成新的方程:町二O（%13-孫）經(jīng)量綱分析后，由相互獨立的n=f（n2+n3,nr_f）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度對應相等，第

3、一級動葉進口無因次圓周速度對應相等，即：入小二常嗷，Ki二常數(shù)由氣動力學知識可知，無因次速度與無因流量q(人印)為單值函數(shù)，因此，相似條件轉(zhuǎn)換為：q(Xc1)二常數(shù)，人，二常數(shù)如果以q(£7)和入u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。ec-h箱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：q(晨J二常數(shù)，3,二常數(shù)人叱是壓氣機的無因次軸向分速度。由流量公式：無因次速度：uinndi入5=r,!-；r小RT:6O/R1T；對一臺壓氣機的兩個不同工況，相似的條件是：平=常巔上二常覺Pa*對同一臺壓氣機，可用簧”和京T作為自變量繪制壓氣機特性曲線。還可

4、使用標準流量和標準轉(zhuǎn)速：101300T：G虹二G三SJU-I3用相似多數(shù)GJT產(chǎn)/pJ/和»/%/T*.3驗制的壓氣機特電的畿壓氣機?；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?；瘻蕜t(1)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)k相等。(3)表示壓縮特性的馬赫數(shù)M相等。(4)表示粘性特性的雷諾數(shù)R在自動?；瘏^(qū)域。(5)表示氣體速度與圓周速度之比斯特魯哈爾數(shù)母相等，即流量系數(shù)力相等。?；O(shè)計中需要進行模化機的雷諾數(shù)計算，認為雷諾數(shù)大于"3X10s!時，在自動?；瘏^(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人1和人力為自變量表示

5、的，當已知流量G、壓比&:、進氣溫度T:和進氣壓力P：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e：,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: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：根據(jù)?；c的人，可以求出圓周速度和轉(zhuǎn)速：四=bltr2uiI*，得：60uii口:ndn?；禂?shù)定義為：小，ms=,di由此可以求出其他幾何尺寸。如果母型機的特性曲線是以E:=入川|和7：=引3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G.t和】江，但此時，設(shè)計壓氣機的標準流量和標準轉(zhuǎn)速必須要根據(jù)

6、q(''和人u-相等的條件得出。三、應用舉例應用舉例1:設(shè)計氫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：利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氨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，在集合相似滿足的

7、基礎(chǔ)上軸流壓氣機的相似準則為：在馬赫數(shù)Mk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?；瘏^(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)用空氣代替氨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氨氣工況轉(zhuǎn)換確定?？諝膺M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，實驗中可以選取與氨氣輪機相同的進口溫度TAirTHe空氣進口壓力：氨氣壓氣機設(shè)計工況葉弦雷諾數(shù)，各級中最低約3105左右，略大于臨街雷諾數(shù)2105,大致是空氣工質(zhì)普通規(guī)格壓氣機的四分之一到二分之一，數(shù)值較低。由于試驗中

8、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2.3105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(Vi/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11(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試騎參數(shù)的換算公式設(shè)計性熊參數(shù)空氣試驗條件下套.數(shù)換算關(guān)系flpQfm濟電y視Z %I 印日 T r 啊 _ '

9、;I KM.W- Jr m 1-W I m植I - i%齊短告Tm出打w(處)M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)進口壓力p (MPa質(zhì)量流量GM(kg/s)轉(zhuǎn)速 np (rpm)150005526壓比(3)根據(jù)以上參數(shù)進行試驗，得到的曲線如下圖所示:0.9臀0.7/0,6Q.51.6V iJL* 公1268監(jiān)包屬包流量蜃慟氮氣壓氣機特性圖如下:*案案等由于漏流、二次流和末端邊界層的影響不可避免，故空氣與氨氣條件下壓氣機的性能換算有待進一步的細化研究。應用舉例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)如下蒸汽流量G1000kg / h進口壓力p 21333pa壓比1.2效率i0.75進口溫度Ti64c母型機為一單級離心空氣壓氣機:葉輪外徑D2355 mm進口內(nèi)徑D0106mm進口外徑 D 213. 46mm葉輪進口寬度b140mm葉輪出口寬度b217. 21 mm葉輪進口構(gòu)造角B1p 38葉輪出口構(gòu)造角B2 P90葉片數(shù)Z葉片厚度20擴壓器進口直徑擴壓器出口直徑擴壓器進口寬度擴壓器出口寬度3. 62mmD3D4b3b4蝸殼出口直徑D6436. 4mm504 mm17. 6mm17. 33mm200mm(2)?；^程會遇到的問題：a.水蒸汽為實際氣體，

11、將其看作理想氣體進行?；欠窈侠韇.水蒸汽的絕熱指數(shù)K=,與空氣的名熱指數(shù)K%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?；斐墒裁从绊慸.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)對應相等：CD表征氣體壓縮性的馬赫數(shù)：CpNu以及努塞爾數(shù)表征氣體粘性的雷諾數(shù)：RePr表征氣體換熱的普朗特數(shù)表征不穩(wěn)定流動影響的斯特洛哈里

12、數(shù)：Shl+/CqLC2表征地球引力作用的福雷德數(shù)：Frrl(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。在這樣一些假設(shè)條件下，可把完全相似的關(guān)系式：，i,Nif(Q,P,i,K,D2,n,Cp)(1)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)

13、速,簡化到壓氣機工程可做到的部分相似關(guān)系式:Ni iQ'i , D22u3D2u2 ,也，K)F( , Mu, Reu, K)KRT i(2)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)Ru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:Q yrtQ YR(3)NiY其中m, mRTiYRT(4)NiPi Y() r YPi1一 1),1),RT(5)(6)分別為新機和母型機工 質(zhì)的多變指數(shù)。,只要尋求合適的模這樣，

14、根據(jù)式（3）、（4）、（5）、（6）關(guān)系，利用母型壓氣機的特性化點，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6。?；`差分析:a.MuMu的影響分析:在本?；瘜嶒炛校；? ,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Mu來衡量對?；阅艿挠绊?。經(jīng)熱力計算，Mu0.40.5,叫1.011.03。MU試驗時，當Mu0.580.8,K1.1071.4范圍內(nèi)變化時，K的不同對i和沒有什么影響；當Mu0.9和1.0,在K1.1071.2范圍內(nèi)變化時，K的不同對i和上圖為不同Mu值情況下，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. KK

15、的影響：在KK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；c在該研究中，新機?；瘯r，m1.447,n-qn-1.22,根據(jù)等比容比?；瑅outvout估atKK造成的誤差在3%A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Ru有關(guān)。而大部分損失是由分離撞擊、端壁效應和二次流動引起的，這些損失則與雷諾數(shù)的關(guān)系不大。大量實驗指出，當Reu5106107時，流動處于自?；瘏^(qū)，此時Reu作為相似準則的作用已經(jīng)蛻化，故可忽略Reu對流動

16、的影響。但當Reu5106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。可根據(jù)以下公式估計:icrab(迎)CReu(7)根據(jù)本設(shè)計中的模情況，i0.8,分別取Reucr5106和3106,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

17、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烏DtM角度關(guān)系：所有角度相等轉(zhuǎn)速關(guān)系:Amn壓比關(guān)系:M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） 物理轉(zhuǎn)數(shù)：8423rpm 質(zhì)量流量：kg/s 前氣缸內(nèi)徑：m 進口環(huán)形面積：m2 葉頂線速度：m/s 葉頂相對速度：m/s 葉頂相對馬赫數(shù)： 絕熱效率：206#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

18、上再?；糯?，得到3000rpm下的大型燃氣輪機的壓氣機1、大型目標機壓比206#力口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206#的壓比為，則新的前加級組的總壓比為x12=,則3級平均級壓比為。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（這是一個國內(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)式中,絕熱指數(shù)k=由此可求得新加3級組的多變指數(shù)：n=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：n1%nmx229293rpmn1GyGm至61.835kg/s3、

19、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、質(zhì)量流量為s,則新加級后的進口面積應為：x=由此，可以求得新機相應的進口內(nèi)徑：兀X（A2-dA2）/4=d=相應的輪轂比R=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。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?；O(shè)計計算到3000rpm時的大型目標壓氣機參數(shù)：?；龋ㄅc轉(zhuǎn)速比相同）

20、：i9293/30003.0977通流外徑（與模化比成正比）：D0.7794i0.77943.0977=2.4155m（GE的9FA為）流量（與?；鹊钠椒匠烧龋篲2_2_Gy61.835i61.8353.0977593.35kg/s該值比預期目標600kg/s差，可在詳細設(shè)計時再加以考慮8。(4)加級后?；Ч念A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,機組預計能達到的參數(shù)見下表：/41以44個機活化后釬快海，的發(fā)限用卡機幀的母型系列氏比916卜1616,46A轉(zhuǎn)速17min8423929354QQ30003000流總kg/s36,661,83IS8600600相應燃I輪機的大約功率MW18-19鍬J60-70（FA>230-240價4級天然氣)300320（A級IGCC）可見，這個壓氣機有著先進的熱力性能，與SIEMENS的、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SIEMENSGE機組要強。由于原母型機絕熱效率為(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