一种轴流氢气压气机单级的设计方法

本发明涉及轴流压气机，具体涉及一种轴流氢气压气机单级的设计方法。

背景技术：

1、在未来氢被当作能源利用的情况下其应用场景和规模将远超现在，大规模氢能运输体系的建立成为发展氢经济的基础和依托，建立大规模氢能运输体系意味着氢的运输将朝着大规模、长距离的方向发展，结合可再生能源制氢，管道运输有望成为最优运输方式，对适用于大流量的氢气压气机需求将会愈发增强。

2、目前用于管道输氢的氢气压气机主要是离心式氢气压气机，其效率大都在80％左右，但伴随着流道结构复杂，加工成本较高等问题。相比于离心式，轴流式压气机更能满足大流量、大规模的运输体系，且结构简单、维护方便。在提高氢气轴流压气机增压能力的同时提高其效率，便能代替离心式压气机进行工作，大大提高了氢气加压的经济性。通常离心式压气机的流量系数较轴流式要低很多，为此需要研究低流量系数的轴流氢气压气机来替代离心式氢气压气机工作。

3、为了得到良好的气动性能，现有轴流压气机流量系数大都在0.3-0.6区间，面对特定工作状况往往以加预旋的方式提高性能，但每一级的设计都得考虑前一级气流出口角度，造成设计繁琐耗时等问题，工质也主要以空气为主，少有对低流量系数的轴流压气机和轴流氢气压气机的研究。

技术实现思路

1、为解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种新型的轴流氢气压气机单级的设计方法，用以研究低流量系数的轴流氢气压气机来替代离心式氢气压气机工作。技术方案如下：

2、一种轴流氢气压气机单级的设计方法，应用于轴流氢气压气机单级，包括：其初始设计参数采用低流量系数限定，其气动设计采用高反力度设计，提高动叶效率，且几何设计上采用串列静叶设计使氢气轴向出气；然后通过三维cfd计算，获得轴流氢气压气机在设计点与不同转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足设计要求；对气动设计和几何设计进行反复迭代，直到满足设计要求。

3、进一步的，所述流量系数小于0.3。

4、更进一步的，所述流量系数为0.2。

5、进一步的，所述初始设计包括：首先根据给定的初始条件进行气动参数选取和方案设计，以效率和压比最大化为目标对速度三角形和气流转折角进行计算评估，确定初始的叶轮几何参数。

6、进一步的，所述初始设计的初始条件包括：进口压力、进口温度、单级压比和进口流量；根据所述初始条件，采用refprop真实气体数据库查询氢气物性参数选取气动参数。

7、进一步的，所述气动设计包括：采用高反力度方式改善动叶扭曲程度，通过三维计算得到动叶效率，使整级动叶效率能达到离心式氢气压气机的标准；对动叶沿叶高各截面进行气动参数计算，将参数代入nrec软件中进行设计点准三维气动计算和流道形状优化，根据流道计算的结果确定叶轮造型。

8、进一步的，所述串列静叶的静叶数为两个。

9、本发明实现了如下技术效果：

10、1、跨出流量系数舒适区，初始设计参数以低流量系数为前提的轴流氢气压气机；

11、2、在气动设计上采用高反力度设计，可有效提高轴流氢气压气机动叶效率；

12、3、在几何设计采用串列静叶设计，确保氢气轴向出气，改善静叶流场，从而使轴流氢气压气机单级模块化，方便多级叠加。

技术特征：

1.一种轴流氢气压气机单级的设计方法，其特征在于，应用于轴流氢气压气机单级，包括：其初始设计参数采用低流量系数限定，其气动设计采用高反力度设计，提高动叶效率，且几何设计上采用串列静叶设计使氢气轴向出气；然后通过三维cfd计算，获得轴流氢气压气机在设计点与不同转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足设计要求；对气动设计和几何设计进行反复迭代，直到满足设计要求。

2.如权利要求1所述的轴流氢气压气机单级的设计方法，其特征在于：所述流量系数小于0.3。

3.如权利要求2所述的轴流氢气压气机单级的设计方法，其特征在于：所述流量系数为0.2。

4.如权利要求1所述的轴流氢气压气机单级的设计方法，其特征在于：所述初始设计包括：首先根据给定的初始条件进行气动参数选取和方案设计，以效率和压比最大化为目标对速度三角形和气流转折角进行计算评估，确定初始的叶轮几何参数。

5.如权利要求4所述的轴流氢气压气机单级的设计方法，其特征在于：所述初始设计的初始条件还包括：进口压力、进口温度、单级压比和进口流量；根据所述初始条件，采用refprop真实气体数据库查询氢气物性参数选取气动参数。

6.如权利要求1所述的轴流氢气压气机单级的设计方法，其特征在于：所述气动设计包括：采用高反力度方式改善动叶扭曲程度，通过三维计算得到动叶效率，使整级动叶效率能达到离心式氢气压气机的标准；采用高反力度的方法对动叶沿叶高各截面进行气动参数计算，将参数代入nrec软件中进行设计点准三维气动计算和流道形状优化，根据流道计算的结果确定叶轮造型。

7.如权利要求1所述的轴流氢气压气机单级的设计方法，其特征在于：所述串列静叶的静叶数为两个。

技术总结本发明涉及一种轴流氢气压气机单级的设计方法。该轴流氢气压气机单级，其初始设计参数采用低流量系数限定，其气动设计采用高反力度设计提高其动叶效率，且其几何设计中，采用串列静叶设计使氢气轴向出气及改善静叶流场，然后通过三维CFD计算，获得轴流氢气压气机在设计点与不同转速下的性能与内部流场状况，验证是否满足设计要求；最后通过反复迭代，得到满足设计要求的轴流氢气压气机单级。该设计方法可以使每个单级可以作为一个模块，方便多级叠加，有效简化轴流氢气压气机设计。技术研发人员：马婧媛,李廷可,林峰受保护的技术使用者：集美大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15