一种工质微小流量高转速一元叶轮的优化设计

一种工质微小流量高转速一元叶轮的优化设计

1初场条件设计数值计算方法：离心叶片内流场的控制方程为三维鱼雷平均n-s方程，采用k-e模型，采用耦合解算法求解基本方程，以有限体积法将空间离散，并用多重网格技术加速收敛，网格为h型网格。图纸的入口是一定的质量流量、方向和总温度。图纸的出口是固定的静压。为壳体壁的表面提供光滑、不可穿透的涂层，使其不滑，并在不转动的壁面上放置边界条件。网格的质量、水量和能量的损失是零。为了计算区域的周向边界，假定边界条件是周期性的。初始阶段的条件是整个范围的均匀静压。当剩余差小于10。2叶轮程序设计参考相关文献研究发现,机载蒸汽压缩循环制冷系统所需小型高转速离心式制冷压缩机一般应由2级组成,现仅设计第1级叶轮,具体设计任务如下:总压比为2.0,设计流量为0.3681kg/s,垂直进口进气,进口总温为299K,进口静压为550kPa,工质为R134a。运用C++语言编制以R134a为工质的小型高转速径向半开式离心压缩机叶轮的初步设计程序,程序流程图如图1所示。考虑到径向半开式离心压缩机叶轮的压头系数取值一般为0.63~0.70,设计初步选定压头系数为0.63,D3初步选取转速根据Balje的分析,高效离心式压缩机的比转速一般在0.62~1.08,因此对于微小流量离心压缩机来说,为使其比转速在高效范围内,一般均采用高转速。故本文初步选定转速为50000r/min。考虑到R134a制冷剂蒸汽属实际气体,故在进行叶轮内部流场数值计算时,利用物性参数表拟合并插值计算不同状态下R134a的热物性参数。(1)叶片形状的确定(2)叶轮内部流场数值模拟为优选出合适的叶轮出口角,在保持叶轮进口叶尖直径为φ29mm,叶轮进口叶根直径为φ14.5mm,叶轮出口宽度为2.0mm,叶片数为12,叶轮轴向长度为16mm,叶片为1mm等厚度叶片,进口角为34°等参数不变的情况下,分别对出口角为40°、60和90°三种叶轮内部流场在全工况范围内进行数值计算,计算结果如图2所示。可以看出,出口角为90°叶轮的总压比明显高于出口角为40°和60°叶轮的总压比,这是因为随着出口角的增大,叶轮输出的欧拉功增加的缘故。出口角为40°的叶轮在全工况范围内的等熵效率均要高于出口角为60°和90°的叶轮。出口角为40°的叶轮在设计流量附近总压比低于设计总压比2.0;虽然出口角为90°时,设计流量下总压比较高,但此时等熵效率较低;因此综合总压比及等熵效率因素考虑可选定出口角为60°;(3)叶轮进口角的确定由图3可见,进口角为34°的叶轮在设计流量下总压比较进口角为50°和65°的叶轮的要大,而其等熵效率仅比50°时略低,因此可初步选定进口角为34°;(4)叶片入口叶尖直径的确定由图4可见,当叶轮D(5)叶根直径的确定由图5可见,当叶轮轮毂比D(6)叶轮内部流场计算为优选出合适的叶轮出口宽度,在保持叶轮出口角为60°,进口角为34°,进口叶尖直径为φ26.1mm,进口叶根直径为准13.6mm,叶片数为12,轴向长度为16mm,叶片为1mm等厚度叶片等参数不变的情况下,分别对出口宽度为1.5mm、2.0mm、2.5mm和3.0mm四种叶轮内部流场在全工况范围内进行数值计算。计算所得的4种叶轮的性能比较如图6所示。由图6可见,上述4种不同的出口宽度中,出口宽度为3.0mm时,设计区域附近总压比最大;出口宽度为1.5mm时,等熵效率最高。但出口宽度过小,将影响固定元件效率的提高,进而影响级的效率的提高,因此,综合考虑可选定出口宽度为2.0mm。4叶轮结构形式的优选以R134a为工质的小型高转速离心式压缩机叶轮个主要参数优选的结果,可初步确定所设计的闭式三元叶轮初步结果:叶轮外径φ58mm,叶轮进口叶尖直径φ29mm,叶轮进口叶根直径为φ14.5mm,叶轮出口宽度为2.0mm,叶片数为12,进口角为34°,出口角为60°,叶轮轴向长度为16mm,叶片为1mm等厚度叶片。具体形状如图7所示(为清楚显示叶片形状,没有表示出叶轮轮盖)。优选前后三元叶轮在设计条件下的性能对照如表2所示,可以看出,优选后参数构成的三元闭式叶轮的总压比较优选前的三元径向半开式叶轮低0.09,满足设计条件,等熵效率比优选前增加了3%。半开式叶轮从加工角度来看要优于闭式叶轮,但一般来讲闭式叶轮的效率要好于半开式叶轮。由于小型高转速离心式压缩机叶轮的效率偏低,因此对于该类叶轮一般考虑选择闭式叶轮。为具体比较2种形式三元叶轮的性能,在设计条件下分别对2种叶轮内部流场进行了数值计算,计算结果如表1所示。由表1可以看出,闭式叶轮的性能要明显优于半开式叶轮,因此确定所设计的小型高转速离心式压缩机叶轮为闭式三元叶轮;叶轮的出口角是决定叶轮性能的重要参数之一,出口角的变化将显著影响离心式压缩机叶轮的性能。因为叶轮出口角在一定程度上决定叶片数、进口直径和进口角等其他叶轮主要参数的最佳值,因此本文先进行叶轮出口角的优选。叶轮进口角也是影响小型高转速离心式制冷压缩机叶轮性能的因素之一,为优选出合适的叶轮进口角,在保持叶轮出口角为60°,叶轮进口叶尖直径为φ29mm,叶轮进口叶根直径为φ14.5mm,叶轮出口宽度为2.0mm,叶片数为12,叶轮轴向长度为16mm,叶片为1mm等厚度叶片等参数不变的情况下,分别对进口角为34°、50°和65°三种叶轮内部流