[发明专利]流量系数0.0618轻介质高能头压缩机模型级及设计方法

权利要求书

1.一种流量系数0.0618轻介质高能头压缩机模型级，其特征在于：包括叶轮（1）、叶片扩压器（2）、弯道（3）及回流器（4），其中叶轮（1）位于模型级的入口位置，在叶轮（1）的出口设有叶片扩压器（2），所述回流器（4）位于模型级的出口位置，叶片扩压器（2）与回流器（4）之间通过弯道（3）相连通；所述模型级的机器马赫数M_a2=0.2-0.65，设计点流量系数Φ₁=0.0618，设计点能头系数τ=0.69，各马赫数下设计流量系数工况下的多变效率η_pol=0.889，能应用的流量范围为设计点的0.65~1.67；所述的流量系数0.0618轻介质高能头压缩机模型级的叶轮轮毂比ds/D₂=0.39，所述ds为轮毂直径、D₂为叶轮外径；所述叶轮（1）为闭式的三元叶轮，三元叶轮的基本参数如下：

叶轮（1）外径D₂=500 mm，叶片数Z=19，叶轮相对出口宽度b2 /D₂=0.049，b2为叶轮出口宽度，该叶轮靠近轮盖和轮盘侧叶片进口安装角β1As和β1Ah分别为16°和22°，叶轮靠近轮盖和轮盘侧的出口叶片角β2As和β2Ah均为58°；所述叶片扩压器（2）的叶片的基本参数如下：

叶片扩压器（2）入口相对位置D₃/D₂＝1.15，出口相对位置D₄/D₂＝1.38，叶片数Z=13，该叶片进口安装角α_3A为26°，该叶片出口安装角α_4A为29°，D₃为叶片扩压器进口位置的直径，D₄为叶片扩压器出口位置的直径；所述叶轮（1）的轮盖侧和轮盘侧的子午流道分别为样条曲线；所述叶片扩压器（2）进口宽度和叶轮（1）出口宽度的比b3/b2为1，同时叶片扩压器（2）出口宽度和叶片扩压器（2）进口宽度的比b4/b3为1，所述b2为叶轮出口宽度，b3为叶片扩压器进口宽度，b4为叶片扩压器出口宽度；所述弯道（3）的进出口宽度比b5/b4为1.05，所述b5为弯道出口宽度；所述回流器（4）的叶片采用全高翼型香蕉叶片，叶片数为Z=24，叶片入口相对位置D₅/D₂＝1.4，入口安装角为21.5°，叶片出口相对位置D₆/D₂＝0.7，出口安装角为95.6°，D₅为回流器叶片入口位置的直径，所述D₆为回流器叶片出口位置的直径。

2.一种设计权利要求1所述的流量系数0.0618轻介质高能头压缩机模型级中模型级的设计方法，其特征在于，包括：

步骤10、通过一维热力设计，获得子午流道宽度以及叶轮基本参数，包括叶轮叶片进口安装角β1As和β1Ah、叶轮叶片出口安装角β2As和β2Ah，以及叶轮出口宽度b2；

步骤20、根据叶轮轮毂比ds/D₂及给定的叶轮直径确定轮毂直径；

步骤30、通过进口相对速度w₁最小的原则计算叶轮进口直径D₀；

步骤40、根据进出口叶片的Beta角呈线性变化分布而获取叶片初步造型；

步骤50、将所得到的叶轮的流道三维模型进行网格划分，将生成的网格导入CFD分析软件中，采用Spalart-Allmaras湍流模型对该叶轮进行3D粘性流场分析；分析的进口边界条件为总温、总压；分析的出口边界条件为质量流量出口；

步骤60、通过对截取的叶轮流场由轮盘至轮盖方向不同截面的流速矢量图、截取的叶轮子午方向的流速矢量图及截取的叶轮压力面和吸力面的叶片的相对速度图对叶轮流场进行分析，若所得的叶轮流场满足第一设计条件，则认为设计完成；若流场不满足第一设计条件，则针对流场存在的问题进行相应的几何修正，并重复步骤50进行CFD分析，直至所得的叶轮流场满足设计条件；所述第一设计条件为：叶轮在轮盘至轮盖的高度方向10%、50%、90%截面上，流道中间的流动没有任何流动分离；叶轮的子午流道上也没有任何的流动分离；压力面和吸力面的叶片的相对速度近似呈橄榄型分布，相对速度差别最大的位置位于60%~80%叶片长度处；

步骤70、首先对叶片扩压器进行初始设计，根据步骤60中CFD计算所得到的叶轮的出口气流角β2确定叶片扩压器进口安装角α_3A，设定叶片扩压器出口安装角α_4A，确定叶片扩压器进口宽度b3和出口宽度b4等于叶轮出口宽度b2，并对叶片扩压器进行初步造型，将所得到的模型级流道三维模型进行网格划分，然后导入CFD分析软件，利用步骤60中所得到的叶轮的出口流场情况为初始条件，采用Spalart-Allmaras湍流模型对叶轮和扩压器造型进行3D连续粘性流场分析，对所得到的CFD分析的流场结果进行分析，得到叶片扩压器流道中间在轮盘至轮盖的不同高度截面上的流动速度矢量分布图、得到叶片扩压器子午流道的速度矢量分布图及叶片扩压器出口气流角分布图，并分析是否满足第二设计条件，若不满足，则对叶片扩压器几何参数进行修正，重新进行CFD分析计算；所述第二设计条件为：叶片扩压器（2）在轮盘至轮盖的高度方向10%、50%、90%截面上流道中间的流动没有任何流动分离；叶片扩压器（2）的子午流道上没有任何的流动分离；叶片扩压器（2）出口气流角度在25°到40°之间；

步骤80、根据叶片扩压器出口气流角，对弯道及回流器叶片进行初始设计，确定回流器进口安装角α_5A、出口安装角α_6A，回流器进口宽度b5、出口宽度b6、回流器进口位置直径D₅及出口位置直径D₆，并对回流器进行初步造型，导入CFD分析软件，采用Spalart-Allmaras湍流模型对叶轮、扩压器、弯道及回流器进行3D连续粘性流场分析，根据流场分析结果进行回流器叶片型线的修正，并导入CFD分析软件进行反复迭代，若所得的弯道（3）、回流器（4）流场满足第三设计条件，则设计完成；所述第三设计条件为：回流器（4）在轮盘至轮盖的高度方向10%、50%、90%截面上，流道中间的流动没有任何流动分离；弯道（3）、回流器（4）的子午流道上没有任何的流动分离。