[发明专利]一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法

权利要求书

1.一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)几何相似性模化

根据原始超临界二氧化碳压缩机模型，通过几何相似性模化获得模化压缩机叶轮的结构参数；在几何相似性模化过程中，使得试验压缩机与设计压缩机具有成比例的几何关系；具体而言，试验所用空气压缩机与超临界二氧化碳压缩机应保持截面型线及叶片数一致，且叶片弦长、叶片高度、叶片厚度、轮盘直径、叶栅节距和叶顶间隙均为等比例放大或缩小，具体满足关系式如下：

n_a＝n₀

其中下标a代表空气压缩机参数，下标0代表超临界二氧化碳压缩机参数，m为几何相似比，D为压缩机几何参数；

2)流动相似性模化

根据几何相似性模化确定的压缩机结构参数以及超临界二氧化碳工质流动参数，利用超临界二氧化碳工质与空气工质之间的流动相似性原理，通过流动相似性模化获得空气工质试验的流动参数；流动相似性模化过程中，针对临界点附近超临界二氧化碳绝热指数的剧烈变化，采用压缩起点到终点的平均绝热指数作为绝热指数的替代，其定义式如下：

其中，为超临界二氧化碳平均绝热指数，P₁为叶轮进口压力，P₂为叶轮出口压力，k为绝热指数；

在流动相似模化过程中，选择切向马赫数、雷诺数、流量系数与进口马赫数乘积作为相似性准则，保证质量流量、进口总温、进口总压、轮盘直径、平均绝热指数满足下列关系：

其中，μ为动力粘度，R为气体常数，T₁^*为压缩机进口总温，P₁^*为压缩机进口总压，N为转速，d为轮盘直径，为质量流量，k为绝热指数；

在流动相似模化过程中，模型试验压缩机的进出口速度三角形将与实际工况保持相似，即：

α_1,a＝α_1,0,β_1,a＝β_1,0

α_2,a＝α_2,0,β_2,a＝β_2,0

其中，下标a代表空气压缩机参数，下标0代表超临界二氧化碳压缩机参数，α₁为静叶出口绝对速度角，β₁为静叶出口相对速度角，α₂为动叶出口绝对速度角，β₂为动叶出口绝对速度角；

3)压缩机性能转换

根据流动相似性模化确定的空气工质流动参数开展试验研究，获得空气工质试验数据，通过压缩机性能转换过程获得超临界二氧化碳压缩机性能参数；在压缩机性能转换过程中，通过性能转换准则，获得超临界二氧化碳压缩机压比、等熵效率、应力载荷以及泄漏流量等性能参数；其中压比及等熵效率关系式如下：

其中，下标a代表空气压缩机参数，下标0代表超临界二氧化碳压缩机参数，π^*为总压比，为超临界二氧化碳平均绝热指数，η为等熵效率，k为绝热指数，Ma₁为进口马赫数；

流体轴向应力、流体周向应力力以及离心应力转换关系式如下：

其中，下标a代表空气压缩机参数，下标0代表超临界二氧化碳压缩机参数，σ_z为叶轮表面轴向应力分布，σ_θ为叶轮表面周向应力分布，σ_r为叶轮所受离心应力分布，ρ_f为流体密度，U为流体特征速度，ρ_s为叶轮固体密度，N为转速，m为几何相似比；

实际泄漏流量转换关系式如下：

其中，下标a代表空气压缩机参数，下标0代表超临界二氧化碳压缩机参数，m_l为泄露流量，ρ_f为流体密度，U为流体特征速度，m为几何相似比；

4)综合性能评估

改变模化运行工况，对不同工况下压缩机综合性能进行评估，校核超临界二氧化碳压缩机的强度及气动特性；

在综合性能评估过程中，改变压缩机运行工况，通过上述相似模化试验获得变工况状态下超临界二氧化碳压缩机强度、气动性能参数，校核压缩机强度特性，使得压缩机最大等效应力满足σ_m＜σ_c，其中σ_m为压缩机叶轮最大等效应力，σ_c为材料允许最大应力，评估压缩机泄漏流量m_l、等熵效率η，满足m_l＜m_cl，η＞η_c，其中m_cl为设计允许最大泄漏流量，η_c为设计效率值。