十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机
阅读说明：本技术 十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机 (Mixed-flow compressor for hundred thousand-twenty thousand cubic meter grade air separation device ) 是由 王雷 李宏安 陈余平 田满洲 陈江辉 朱安安 蔺满相 周根标 祁周会 江慧敏 申 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机,以解决现有的十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机轴流段使用现有工业轴流压缩机技术,导致切线速度较低,做功能力较差,存在级数多、结构复杂、效率偏低、生产成本较高的问题。该压缩机采用三层缸结构,包括机壳、调节缸和叶片承缸,其转子上设置有4-7级动叶,叶片承缸上设置有4-7级静叶；各级动叶轮毂处的圆周速度为190-244m/s；空分装置用混流式压缩机的等级为十万立方米至二十万立方米,动叶第一级叶片入口处外径相应为0.68726m至1.08712m,动叶末级叶片出口处外径相应为0.630054m至1.01134m；静叶第零级叶片入口处内径相应为0.366633m至0.588511m,静叶末级叶片出口处内径相应为0.4797m至0.777m。(The invention relates to a mixed-flow compressor for a hundred thousand-twenty-thousand cubic meter grade air separation device, which aims to solve the problems of lower tangential speed, poorer work-doing capability, more stages, complex structure, lower efficiency and higher production cost of the existing mixed-flow compressor for the hundred thousand-twenty-thousand cubic meter grade air separation device due to the fact that the existing industrial axial flow compressor technology is used in an axial flow section of the existing mixed-flow compressor. The compressor adopts a three-layer cylinder structure and comprises a shell, an adjusting cylinder and a blade bearing cylinder, wherein a rotor of the compressor is provided with 4-7 stages of movable blades, and a blade bearing cylinder is provided with 4-7 stages of static blades; the peripheral speed of each movable impeller hub is 190-244 m/s; the mixed-flow compressor for the air separation device is of a grade of ten-thousand cubic meter to twenty-thousand cubic meter, the outer diameter of the inlet of a first-stage blade of the movable blade is 0.68726m to 1.08712m correspondingly, and the outer diameter of the outlet of a last-stage blade of the movable blade is 0.630054m to 1.01134m correspondingly; the vane zeroth stage blade inlet inner diameter is 0.366633m to 0.588511m, and the vane last stage blade outlet inner diameter is 0.4797m to 0.777 m.)
技术领域
本发明涉及透平机械领域，具体涉及一种十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机。
背景技术
目前，市场上的十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机普遍使用现有工业轴流压缩机技术，其切线速度较低，做功能力较差，一般需要八至十级轴流才能满足工艺需求。例如，现有的十万空分混流式压缩机的轴流段使用了十级轴流压缩机的方案，并采用等内径流道和现有NACA65低速叶型技术，内径轮毂处圆周速度在170-175m/s范围，流量系数为0.7，载荷系数为0.3-0.35，单级压比为1.13，存在级数多、结构复杂、效率偏低、生产成本较高等缺陷。
随着高性能、高切线速度透平机械设计技术的发展，将定制叶型、弯、掠等三维造型技术得到的先进宽弦叶型用于现代空分装置用混流式压缩机中，能够实现在获得高级压比的同时具有更高的效率。因此，在特定的产品应用上使用高级压比的多级轴流压缩机技术，可在较少的级数下满足性能要求，大大简化现有的大型空分装置用压缩机的结构，使更大型空分装置采用单套机组成为可能。
发明内容
本发明的目的是解决十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机普遍使用现有工业轴流压缩机技术，其切线速度较低，做功能力较差，一般需要八至十级轴流才能满足工艺需求，存在级数多、结构复杂、效率偏低、生产成本较高等问题，而提供了一种十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机，采用三层缸结构，所述三层缸包括机壳、调节缸和叶片承缸，其特殊之处在于：其转子上设置有4-7级动叶；所述叶片承缸上设置有4-7级静叶；
各级动叶轮毂处的圆周速度为190-244m/s；
所述空分装置用混流式压缩机的等级为十万立方米至二十万立方米，动叶第一级叶片入口处外径相应为0.68726m至1.08712m，动叶末级叶片出口处外径相应为0.630054m至1.01134m；静叶第零级叶片入口处内径相应为0.366633m至0.588511m，静叶末级叶片出口处内径相应为0.4797m至0.777m。
进一步地，所述动叶叶型为转捩位置在8％-12％轴向弦长范围处的前转捩叶型，其前缘为曲率连续前缘；
所述静叶叶型为转捩位置在8％-12％轴向弦长范围处的前转捩叶型，其前缘为曲率连续前缘；所述静叶叶片为弓形叶片，其积叠线为三阶贝塞尔曲线造型。
进一步地，所述动叶叶型弦长范围为75-268mm，其展弦比范围为1.39-1.53；各级动叶的叶根截面最大相对厚度在12％-15％范围内；
所述静叶叶型弦长范围为40-189mm，其展弦比范围为2.05-2.2；所述静叶叶片积叠线具有如下特征：叶片上段与中间直线段的分界点在62％-70％之间，下段与中间直线段的分界点在29％-37％之间；上段积叠线的切线与径向方向的夹角范围为0°-5°，下段积叠线的切线与周向方向的夹角范围为0°-5°。
进一步地，所述动叶叶型的前缘厚度范围为0.4-2.7mm。
进一步地，所述转子上设置有6级动叶，所述叶片承缸上设置有6级静叶。
进一步地，当空分装置用混流式压缩机的等级由十万立方米向二十万立方米变化时，设计转速由4376转/分钟逐渐降低至3708转/分钟。
进一步地，第一级动叶几何参数范围如下表所示：
第一级静叶几何参数范围如下表所示：
第二级动叶几何参数范围如下表所示：
第二级静叶几何参数范围如下表所示：
第三级动叶几何参数范围如下表所示：
第三级静叶几何参数范围如下表所示：
第四级动叶几何参数范围如下表所示：
第四级静叶几何参数范围如下表所示：
第五级动叶几何参数范围如下表所示：
第五级静叶几何参数范围如下表所示：
第六级动叶几何参数范围如下表所示：
第六级静叶几何参数范围如下表所示：
进一步地，第一级动叶几何参数如下表所示：
第一级静叶几何参数如下表所示：
第二级动叶几何参数如下表所示：
第二级静叶几何参数如下表所示：
第三级动叶几何参数如下表所示：
第三级静叶几何参数如下表所示：
第四级动叶几何参数如下表所示：
第四级静叶几何参数如下表所示：
第五级动叶几何参数如下表所示：
第五级静叶几何参数如下表所示：
第六级动叶几何参数如下表所示：
第六级静叶几何参数如下表所示：
进一步地，所述动叶和静叶的材质为不锈钢材料X3CrNiMo13-4。
通常，燃气轮机压缩机级压比高、级数少，使得压缩机更短。但在工业应用领域不能直接使用高单级压比的燃气轮机压缩机技术，原因是：1、燃气轮机压缩机前面2级为跨音速设计，导致运行范围较窄；2、设计时仅考虑在燃气轮机共同工作线附近运行，接近阻塞和喘振时，可能会发生颤振和高强迫响应现象且效率会显著降低；3、因为燃气轮机燃烧室的容腔较小，针对小喘振容腔设计的叶片较薄较细，抵抗喘振的能力较差。
相比之下，本发明针对流道和叶片的设计结合了工业压缩机运行范围宽与燃气轮机压缩机功率密度大、级压比高的优点，称之为混合概念叶片，以追求燃气轮机压缩机技术和传统工业压缩机技术的最优结合。工业压缩机对运行范围和非设计点效率要求较高，一般气动载荷不能太高，因此新型叶片设计的气动载荷与传统工业压缩机相比几乎保持不变。不同于传统的增大能头系数提高级压比的方法，在气动载荷几乎不变的条件下，通过提高圆周速度约30％的方法以获得更高的级压比，从而得到更紧凑、轴向长度更短的压缩机，同时减小叶片流量系数以补偿转速增高时马赫数的增大。
本发明相比现有技术的有益效果是：
(1)本发明提出的十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机，相比现有的大型空分装置用轴流压缩机，其级数减少约35％-45％，单级压比平均提升9％，圆周速度提升30％，增加了转子动力学稳定性和获得更高整机压比的可能性；该压缩机的轴流段轴向长度减少25％，宽度减小16％，高度减小7％，压缩机总重量减小24％，最大检修件重量减小35％，转子重量减小33％，具有级数少、结构紧凑、重量轻、制造成本低的特点。
(2)该混流式压缩机基于自主开发的高级压比轴流压缩机气动设计和分析体系，设计具有高级压比、高效率和高可靠性的新型叶片，仅采用四至七级(优选六级)即可实现传统轴流压缩机十级的压比水平，大大降低了空分装置的运行成本和制造成本。
附图说明
图1是本发明十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机的结构示意图；
图2是本发明中流道及叶片轮廓的示意图；
图3是本发明中叶型结构与现有技术的叶型结构对比示意图；
图4是本发明中叶型前缘与现有技术的叶型前缘对比示意图，其中，a为现有技术-圆弧前缘示意图，b为现有技术-椭圆前缘示意图，c为本发明-曲率连续前缘示意图；
图5是本发明中叶型前缘及现有技术的叶型前缘的压力系数分布图，其中，虚线代表圆弧前缘，实线代表椭圆前缘，双点划线代表曲率连续前缘；
图6是本发明中叶型及现有技术的叶型表面马赫数分布图；
图7是本发明中叶型及现有技术的叶型损失-进口气流角分布图；
图8是本发明中静叶叶片的外形示意图；
图9是本发明中静叶叶片的三阶贝塞尔积叠线图；
图10是本发明实施例10％叶展的相对马赫数云图；
图11是本发明实施例50％叶展的相对马赫数云图；
图12是本发明实施例90％叶展的相对马赫数云图。
图中，1-机壳，2-调节缸，3-叶片承缸，4-转子，5-流道内径，6-流道外径，7-动叶叶片，8-静叶叶片。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机作进一步详细说明。
本实施例提供的十万-二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机，如图1所示，包括机壳1、调节缸2和叶片承缸3的三层缸结构以及转子4。转子4和叶片承缸3构成压缩机通流部分的内外径。转子4上设置有6级动叶，叶片承缸3上设置有6级静叶。
空分装置用混流式压缩机的等级为十万立方米至二十万立方米，则动叶第一级叶片入口处外径相应为0.68726m至1.08712m，动叶末级叶片出口处外径相应为0.630054m至1.01134m；静叶第零级叶片入口处内径相应为0.366633m至0.588511m，静叶末级叶片出口处内径相应为0.4797m至0.777m。由此，十万立方米等级空分装置用混流式压缩机通流部分内径变化趋势为0.366633m至0.5863m，外径变化趋势为0.84055m至0.62244m；二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机通流部分内径变化趋势为0.48151m至0.77m，外径变化趋势为1.10393m至0.81747m。
十五万、二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机的流道由十万立方米等级空分装置用混流式压缩机的流道相似放大生成。
具体来说，十万立方米等级空分装置用混流式压缩机的流道径向尺寸如下表所示(单位：m)：
十五万立方米等级空分装置用混流式压缩机的流道径向尺寸如下表所示(单位：m)：
二十万立方米等级空分装置用混流式压缩机的流道径向尺寸如下表所示(单位：m)：
该混流式压缩机6级轴流段流道及叶片轮廓如图2所示，图中流道内径5从入口处至出口处逐渐变大，流道外径6从入口处至出口处逐渐变小，流道内径5和流道外径6之间的黑色线条为动叶叶片7的轮廓，灰色线条为静叶叶片8的轮廓。该混流式压缩机具有以下特征：六级压比分别为1.31、1.29、1.265、1.23、1.195和1.19，六级平均压比为1.24，总压比为3.75，法兰至法兰处峰值多变效率为92％。设计转速根据空分装置的大小，从十万空分的4376转/分钟，逐渐降低至二十万空分的3708转/分钟，设计点喘振压力裕度大于20％。轮毂切线速度在190-244m/s范围内。
动叶叶型为转捩位置在8％-12％轴向弦长范围处的前转捩叶型，其前缘为曲率连续前缘，前缘厚度范围为0.4-2.7mm；动叶叶型弦长范围为75-268mm，相比传统叶片弦长增大40％-50％，其展弦比范围为1.39-1.53；尾缘厚度增大230％达到3.2mm，可避免侵蚀产生的裂缝扩展；各级动叶的叶根截面最大相对厚度在12％-15％范围内，相比传统叶片增大20％。
静叶叶型为转捩位置在8％-12％轴向弦长范围处的前转捩叶型，其前缘为曲率连续前缘，其弦长范围为40-189mm，其展弦比范围为2.05-2.2；静叶叶片为弓形叶片，其积叠线具有三阶贝塞尔曲线造型特点：叶片上段与中间直线段的分界点在62％-70％之间，下段与中间直线段的分界点在29％-37％之间；上段积叠线的切线与径向方向的夹角范围为0°-5°，下段积叠线的切线与周向方向的夹角范围为0°-5°。
各级动叶和静叶几何参数范围如下：
第一级动叶几何参数范围如下表所示：
第一级静叶几何参数范围如下表所示：
第二级动叶几何参数范围如下表所示：
第二级静叶几何参数范围如下表所示：
第三级动叶几何参数范围如下表所示：
第三级静叶几何参数范围如下表所示：
第四级动叶几何参数范围如下表所示：
第四级静叶几何参数范围如下表所示：
第五级动叶几何参数范围如下表所示：
第五级静叶几何参数范围如下表所示：
第六级动叶几何参数范围如下表所示：
第六级静叶几何参数范围如下表所示：
优选地，第一级动叶几何参数如下表所示：
第一级静叶几何参数如下表所示：
第二级动叶几何参数如下表所示：
第二级静叶几何参数如下表所示：
第三级动叶几何参数如下表所示：
第三级静叶几何参数如下表所示：
第四级动叶几何参数如下表所示：
第四级静叶几何参数如下表所示：
第五级动叶几何参数如下表所示：
第五级静叶几何参数如下表所示：
第六级动叶几何参数如下表所示：
第六级静叶几何参数如下表所示：
如图3所示，本发明的叶型结构采用宽弦长，每级动叶和静叶的二维叶型截面均根据局部流动特点定制设计，动叶叶型和静叶叶型各个截面参数随叶型高度而变化。如图4、图5所示，现有工业压缩机采用的圆弧前缘叶型、椭圆前缘叶型均存在曲率不连续的缺陷，造成前缘存在较大的压力突尖，增大了气动损失，而本发明的叶型结构采用曲率连续前缘，可消除压力突尖，降低性能损失。图5中，虚线为圆弧前缘，实线为椭圆前缘，双点划线为曲率连续前缘，圆弧前缘的压力系数突尖最大，损失最高，椭圆圆弧次之，曲率连续前缘压力突尖和损失最小，可以看出，采用曲率连续前缘可减弱前缘吸力面马赫数突尖，在高亚音马赫数环境下避免气流在叶型吸力面出现大范围分离，且具有更宽广的来流攻角范围，从而在实现高增压比和做功能力下同时减少流动损失、增大工作范围，突破现有工业轴流压缩机的效率上限。
为了提升叶片抵御喘振的能力，动叶设计中采用针对大型空分压缩机中的高雷诺数流动环境定制开发的前转捩叶型，相比传统压缩机中所使用的NACA65叶型更宽更厚且气动性能更好，多变效率在各个工况点提升1-1.5％。如图6、图7所示，本发明中叶型结构为适应大型空分高雷诺数流动环境，马赫数峰值位置更加靠近叶片前缘，与转捩点位置重合，增大了叶型的低损失攻角范围，损失系数也有所降低。图6中β1为气流角，Ma1为进口马赫数。
静叶叶片的外形如图8所示，其三阶贝塞尔积叠线如图9所示，上段积叠线的切线与径向方向的夹角为B2，下段积叠线的切线与周向方向的夹角为B1，叶片上段与中间直线段分界点为P1，叶片下段与中间直线段分界点为P2。
图10、图11、图12分别为10万立方米等级空分装置用混流式压缩机6级轴流段10％、50％和90％叶展的相对马赫数云图，可以看出各级叶排流场组织良好，无导致高损失的附面层分离区。
由于轮毂圆周速度提升而导致离心力和静应力增大，现有轴流压缩机中动叶和静叶所使用的材料2Cr13由于屈服极限较低而不再适用，使用高强度不锈钢材料X3CrNiMo13-4，屈服极限达到800MPa。