一、前言

由于齿轮组装式压缩机的结构紧凑、效率高的 优良特性,使其广泛应用于空气、氮气等一般气体压缩装置中。目前,空气、氮气等一般气体压缩机,越来越多地采用的形式是齿轮组装式结构。历经数十年的发展,各制造商对齿轮组装式压缩机不断进行系列化、标准化、模块化工作,逐渐形成了不同的标准系 列的齿轮组装式压缩机,使安装使用维护更加方便,交货期更短。

齿轮组装式压缩机多采用大齿轮轴直连驱动(动力源一般采用电动机),高速齿轮轴一般为1~3个,压缩级为1~6个,压比为1.2~60。图1所示为沈鼓开发的一种三级齿轮组装式离心压缩机机组。


                                                                                                                                                                                                                      图1 三级齿轮组装式离心压缩机


相比于单轴离心压缩机,其在提高压缩机气动性能方面有以下优势 :

(1)压缩机可实现多转速,叶轮可选择最佳转速设计;

(2)每级叶轮可实现轴向进气,有利于提高叶轮效率;

(3)气体经每级压缩后都可以冷却,通过压缩过程的变化来降低压缩机能耗;

(4)每一级都可以采用半开式叶轮,通过较高叶轮周速来提升单级压比;

(5)方便配置进口导叶,为固定转速压缩机的性能调节提供有利条件。



二、多级齿轮组装式离心压缩机组循环建模分析

通过TurboTides的循环分析模块,用户可在相关参数的约束下,如材料和转速,确定多级离心压缩机组的各机器进出口参数。

图2为三级齿轮组装式离心压缩机在TurboTides中的建模示意图,为尽可能实现等温压缩以减少压缩机组消耗的功率,该模型带两个中冷器。用户可根据实际流量,可针对不同压缩机分别设置转速。


                                                                                                                                                                                                     图2 三级齿轮组装式离心压缩机建模示意图



用户输入实际数值后,可通过TurboTides软件计算分析得机组整体性能,如表1所示。同时用户也可以在循环内部查看每一级压缩机的压比、功率以及效率等。


Property  name

Value

Unit

Suction  temperature

303.15

K

Suction  pressure

101325

Pa

Inlet  mass flow rate

6.12466

kg/s

Inlet  volume flow rate

5.26028

m^3/s

Discharge  pressure

405363

Pa

Outlet  volume flow rate

1.58114

m^3/s

Inlet  flow coefficient

0.125


Pressure  ratio

4.00062


Efficiency:  polytropic

0.848947


Efficiency:  isentropic

0.838843


Efficiency:  isothermal

0.768107


Gas  power

962073

W

Motor  power

1.05E+06

W

Bearing  power loss

61669.1

W

Efficiency:  gear

0.977964


Axial  length of all stages

0.38667

m

Axial  thrust

7694.36

N



三、一维初步计算

通过TurboTides一维中线计算,确定叶轮、扩压器以及蜗壳的基本尺寸和进出口速度三角及轴向力进行计算,如图3所示。


                                                                                                                                                                                                                                图3 一维初步评估



四、几何建模及CFD计算

使用TurboTides几何模块,构造三维几何模型。结合三维CFD计算对三维几何模型进行流场优化。初步的三维CFD结果验证了一维设计方案的可行性。


                                                                                                                                                                                                                             图4 三维几何造型


                                                                                                                                                                                                                  图5 CFD分析及流场云图



五、结束语

Turbotides作为聚焦于透平机械设计的一体化CAE研发平台,其包括总体设计、一维设计、几何造型和二维通流分析、三维CFD仿真及FEA转子动力学分析,将各个模块高度集成,数据无损传输。同时结合强大的知识库功能,可将用户的所有设计数字化、标准化。借助Turbotides平台,可实现透平机械的快速、高效一站式设计,必将助力国内透平机械技术的快速发展。


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