【壓縮機(jī)網(wǎng)】壓縮機(jī)是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機(jī)械，分為容積式和透平式兩種。透平式壓縮機(jī)是一種葉片式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其中氣體壓力的提高是利用葉片和氣體的相互作用來實(shí)現(xiàn)的，按照結(jié)構(gòu)分為離心式壓縮機(jī)和軸流式壓縮機(jī)兩種。離心式壓縮機(jī)中氣體壓力的提高，是由于氣體流經(jīng)葉輪時(shí)，由于葉輪旋轉(zhuǎn)，使氣體受到離心力的作用而產(chǎn)生壓力，與此同時(shí)氣體獲得速度，而氣體流過葉輪，擴(kuò)壓器等擴(kuò)張通道時(shí)，氣體的流動(dòng)速度又逐漸減慢從而使氣體壓力得到提高。

 

　　設(shè)計(jì)一臺(tái)離心壓縮機(jī)包括多方面的內(nèi)容，主要需解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通流部分的選擇和計(jì)算，強(qiáng)度與振動(dòng)計(jì)算，工藝設(shè)計(jì)，自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，以及驅(qū)動(dòng)型式等問題。本文主要討論前兩項(xiàng)。

 

　　在離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方法上，先后出現(xiàn)了幾何設(shè)計(jì)方法，二維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，準(zhǔn)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。以這些方法為理論基礎(chǔ)，建立了離心壓縮機(jī)計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立，為高性能離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供了有效工具。

 

　　z*早用于離心壓縮機(jī)葉輪葉片的成形方法是幾何成型方法，這是一種比較簡單的成型方法。國內(nèi)增壓器研究領(lǐng)域在50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)的徑向葉片的“雙回轉(zhuǎn)中心法”是幾何成型方法中的代表，并在國內(nèi)渦輪增壓器領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該方法成型規(guī)律比較簡單，使用該方法設(shè)計(jì)前傾后彎曲線不太可能。于是產(chǎn)生了離心壓縮機(jī)葉輪的“骨架成型法”，這種方法可以彌補(bǔ)“雙補(bǔ)轉(zhuǎn)中心法”的不足。但是，成型后彎葉片時(shí)，需要數(shù)控銑床。

 

　　早期設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)葉輪時(shí)，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為葉片型線是由二次曲線組成的，如使用圓弧線，拋物線等代表葉型、輪緣、輪轂型線形狀。使用二次曲線表示的葉片型線形狀的一般表達(dá)式為：

 

 

　　式中，r為半徑，z為葉輪軸向坐標(biāo)，a,b,c,d,e,f為系數(shù)。系數(shù)決定葉輪進(jìn)口角度和葉型型線。Eckerdt即采用上式設(shè)計(jì)了Eckerdt葉輪。Whitfield等人認(rèn)為葉輪型線可由下式表示：

 

 

　　式中， φ既可代表半徑r也可代表周向角度θ。Krain提出了一個(gè)更為復(fù)雜的表達(dá)式來定義離心壓縮機(jī)葉片型線。隨著設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的進(jìn)步，離心壓縮機(jī)幾何設(shè)計(jì)中廣泛采用的一種成型方法是Bezier多項(xiàng)式法。

 

　　對于離心壓縮機(jī)葉輪的幾何成型方法，由于在葉片成型過程中沒有考慮葉片表面上載荷分布等氣動(dòng)問題，不可避免的會(huì)對離心壓縮機(jī)的性能產(chǎn)生一定的影響。使用這種方法很難設(shè)計(jì)出高性能的離心壓縮機(jī)。隨著設(shè)計(jì)人員研究的深入及技術(shù)上的進(jìn)步，離心壓縮機(jī)幾何成型方法正逐步被氣動(dòng)成型方法所代替，并相繼出現(xiàn)了二維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，準(zhǔn)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法和全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。和軸流式葉輪機(jī)械相比，徑流式葉輪機(jī)械的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法更為成熟。國外很多葉輪機(jī)械研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對離心壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究了幾十年，推出了離心壓縮機(jī)計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。目前設(shè)計(jì)的離心壓縮機(jī)大部分是借助種工具完成的。

 

　　離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)主要是葉輪葉片設(shè)計(jì)，葉輪葉片設(shè)計(jì)中不可缺少的兩個(gè)步驟是葉輪初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)一般應(yīng)包括初步設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化計(jì)算，性能仿真數(shù)學(xué)模型，葉片成型計(jì)算，葉輪應(yīng)力分析計(jì)算。各部分的具體功能如下。

 

　　1.離心壓縮機(jī)葉輪初步設(shè)計(jì)及優(yōu)化部分：

 

　　采用優(yōu)化方法獲得葉輪主要性能參數(shù)及主要幾何尺寸，性能參數(shù)主要有葉輪進(jìn)出口速度、進(jìn)出口氣流角、葉輪旋轉(zhuǎn)速度、壓縮機(jī)效率等；結(jié)構(gòu)參數(shù)有進(jìn)口輪轂、輪轂大小、葉輪軸向長度、葉輪直徑大小等。

 

　　2.離心壓縮機(jī)性能仿真部分：

 

　　使用完善的損失模型對離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的性能進(jìn)行模擬。

 

　　3.離心壓縮機(jī)葉片成型：

 

　　根據(jù)給定的葉片在輪緣、輪轂、中間流線上的載荷分布規(guī)律計(jì)算葉片在這幾個(gè)位置上的葉型角β、周向角θ，通過迭代計(jì)算獲得葉片葉型坐標(biāo)。

 

　　4.葉輪內(nèi)部流場流動(dòng)分析：

 

　　對成型的葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判定吸力面和壓力面上的速度分布和壓力分布是否合理。

 

　　5.離心壓縮機(jī)葉輪應(yīng)力分析：

 

　　采用有限元方法計(jì)算所設(shè)計(jì)葉輪的應(yīng)力分布，進(jìn)行振動(dòng)分析。

 

　　6.3D結(jié)構(gòu)模型：

 

　　確定葉輪幾何形狀和尺寸，進(jìn)口端部幾何形狀和尺寸。

 

　　對離心壓縮機(jī)葉輪計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本要求是有良好用戶界面的交互式圖像系統(tǒng)。這一系統(tǒng)應(yīng)易于使用，易于掌握，并且有很好的前處理和后處理程序。計(jì)算輸入數(shù)據(jù)z*好在圖形界面上以填空方式完成。這樣做的好處是非常直觀，設(shè)計(jì)人員知道輸入數(shù)據(jù)之間的幾何關(guān)系。這種方法利于設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確使用，進(jìn)而提高工作效率。計(jì)算獲得的葉輪幾何數(shù)據(jù)應(yīng)輸入到圖形處理軟件中，使用這一軟件完成葉輪的三維造型。后處理程序中一個(gè)很重要的功能是盡可能多的提供各個(gè)參數(shù)的計(jì)算曲線，設(shè)計(jì)人員通過這些曲線判定葉輪是否滿足設(shè)計(jì)要求。如設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些曲線判斷葉片表面壓力分布是否合理，速度分布是否有突越現(xiàn)象等。同時(shí)，一個(gè)好的集成系統(tǒng)還應(yīng)具有交互性功能。設(shè)計(jì)人員可以通過改變一些參數(shù)分布來改變?nèi)~片形狀，如通過改變輸出的葉片葉型角β分布曲線或葉片周向角θ分布曲線，使系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)葉片形狀，從而獲得新葉輪并輸出新葉輪的計(jì)算結(jié)果。

 

　　一個(gè)集成系統(tǒng)還應(yīng)具有項(xiàng)目管理功能，這一過程要盡可能的減少設(shè)計(jì)人員的工作，它應(yīng)該具有自動(dòng)地為一個(gè)項(xiàng)目的輸入輸出文件命名的功能。對于任意一條曲線，設(shè)計(jì)人員通過鼠標(biāo)按圖形界面上的存儲(chǔ)鍵，即可生成這條曲線的存儲(chǔ)文件，供以后設(shè)計(jì)時(shí)參考。

 

　　一些離心壓縮機(jī)葉輪計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用，比較有代表性的有Bruce 和Masme介紹的集成系統(tǒng)和Nojima等人介紹的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。使用這一集成系統(tǒng)，Nojima等人設(shè)計(jì)出一系列高性能離心壓縮機(jī)，其設(shè)計(jì)性能已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
 

 
 

　　有實(shí)例如下所述，使用上文介紹的離心壓縮機(jī)葉輪計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)離心壓縮機(jī)葉輪。這個(gè)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)如下：質(zhì)量流量為19kg/s，葉輪轉(zhuǎn)速為10000r/min，入口旋度為零，出口旋度為178㎡/s,另一出口旋度為183㎡/s，入口滯止壓力為98kPa，入口滯止溫度為303K，葉片數(shù)目為15，葉片前緣傾角為零，葉片尾緣傾角為30°，給定葉片輪緣、輪轂型線形狀。計(jì)算中使用40個(gè)直線元定義葉片中型面形狀，每次設(shè)計(jì)計(jì)算中規(guī)定對流線位置計(jì)算的迭代次數(shù)z*大為20次，規(guī)定在葉片弦長65%處出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。z*終獲得的葉輪主要尺寸是入口輪緣直徑為0.542m，入口輪轂直徑為0.26m，葉輪直徑為0.976m，設(shè)計(jì)效率為0.82，設(shè)計(jì)壓比為2.8。

 

　　圖2和圖3分別是吸力面和壓力面上的相對速度分布等值線圖的計(jì)算結(jié)果。從圖2吸力面上相對速度的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)輪緣處相對速度均大于相同位置上輪轂處速度，未發(fā)現(xiàn)葉輪出口會(huì)出現(xiàn)“射流-尾跡”流動(dòng)現(xiàn)象，這主要是由于采用的流場計(jì)算方法比較粗糙所造成的。這種流場計(jì)算方法無法獲得真實(shí)的葉輪槽道內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象，這是今后應(yīng)該改進(jìn)的。

 

 

　　圖4在葉片出口分別為前傾（30°）不傾（0°）和后傾（-30°）三種情況下，保持輪緣型線不變，改變輪轂型線位置情況下葉輪葉片中型面的設(shè)計(jì)結(jié)果，以這種方式設(shè)計(jì)的葉輪可以更容易比較葉輪載荷分布的變化情況。圖5和圖6分別給出了三種葉片出口傾角下葉片在輪緣和輪轂處速度分布的計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，葉片表面速度分布變化不大，葉片在輪緣輪轂處的載荷分布基本相同。上述結(jié)論還有待于進(jìn)一步進(jìn)行大量的計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

 

 

　　在z*近的十年里，徑流式葉輪機(jī)械全三維反問題設(shè)計(jì)方法取得了飛速的發(fā)展，相繼有一些學(xué)者發(fā)表文章論述這個(gè)問題。他們采用規(guī)定葉片表面環(huán)量rCθ分布方法。這一方法的大致過程是：在葉片表面各個(gè)點(diǎn)的環(huán)量獲得后，流體速度被分解為平均速度（按葉片節(jié)距平均，下同）和周期速度，這樣可采用Stokes流函數(shù)方法求得軸向和徑向平均速度，三個(gè)方向上的周期速度采用Clebsch公式計(jì)算。開始計(jì)算葉片型線前，除了規(guī)定葉片環(huán)量分布外，還規(guī)定輪緣、輪轂型線形狀，葉片數(shù)目，葉片前緣和葉片尾緣坐標(biāo)，葉片疊加位置，葉片旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，葉片型線通過迭代計(jì)算完成。第一次迭代計(jì)算前s*先給定初始葉片形狀，接著計(jì)算流場，根據(jù)計(jì)算的流場重新計(jì)算葉片型線。這個(gè)過程一直進(jìn)行下去，直至獲得收斂的計(jì)算結(jié)果。z*后的計(jì)算結(jié)果不僅給出了葉片形狀，而且還規(guī)除了葉片表面壓力分布和整個(gè)內(nèi)部流場速度分布。

 

　　z*早提出這種方法的人是Tan等。他們使用這種方法設(shè)計(jì)了不可壓流動(dòng)情況下的環(huán)型葉柵，設(shè)計(jì)過程中認(rèn)為葉片為無限薄。計(jì)算過程中依靠光滑特征函數(shù)方法把三個(gè)方向上的流場變量進(jìn)行展開，其中徑向采用Bessel函數(shù)，切向使用Fourier級(jí)數(shù)，軸向使用Chebyshev多項(xiàng)式。隨后，Dang和Mccune把這種方法用于有限厚度葉片設(shè)計(jì)。Borges進(jìn)一步發(fā)展了這種方法并成功設(shè)計(jì)了一臺(tái)低速徑流渦輪，計(jì)算中采用二階精度差分格式和多重網(wǎng)格技術(shù)。通過對采用環(huán)量分布方法設(shè)計(jì)的徑流渦輪和原有渦輪的性能進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)新葉輪的性能在大部分工作范圍內(nèi)都優(yōu)于原始葉輪。Ghaly、Yang、Zangeneh和Hawthorne把環(huán)量分布方法用于高速徑流式渦輪的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，新葉輪的性能均明顯好于舊葉輪的性能。上述設(shè)計(jì)中都沒有考慮粘性影響，而在設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)葉輪時(shí)，應(yīng)盡量考慮粘性影響。Zangeneh使用有粘-無粘迭代方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)離心壓縮機(jī)葉輪，為了考慮粘性影響，在設(shè)計(jì)過程中引入了一個(gè)漩渦強(qiáng)度分量代表熵增影響。Zangeneh和GoTo等人還發(fā)展了一種抑制葉輪內(nèi)部二次流動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，他們把這種方法用于一個(gè)混流泵葉輪的設(shè)計(jì)。從試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果來看，他們設(shè)計(jì)的葉輪有效地減弱了葉輪槽道內(nèi)二次流動(dòng)現(xiàn)象，也即減輕了葉輪出口“射流-尾跡” 流動(dòng)現(xiàn)象。后來Zangeneh把這一方法用于離心泵的設(shè)計(jì)。使用全三維反問題方法設(shè)計(jì)徑流式葉輪機(jī)械的還有Yiu和Zangeneh，把優(yōu)化設(shè)計(jì)方法用于高速離心壓縮機(jī)葉輪的反設(shè)計(jì)中，Zangeneh和Tjohroaminata分別對帶有分流葉片的離心壓縮機(jī)和向心渦輪的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

 

　　由以上敘述可以看出，實(shí)現(xiàn)能夠葉片表面環(huán)量分布是徑流式葉輪機(jī)械三維反設(shè)計(jì)中的一種有效方法。這種方法比較直觀，因?yàn)榄h(huán)量分布決定葉片加功量分布。 通過規(guī)定環(huán)量分布設(shè)計(jì)葉片的做法是比較合理的。

 

　　英國劍橋大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院以及兩校培養(yǎng)的博士在徑流式葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究居于國際領(lǐng)先地位。

 

　　目前，離心壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)很高水平，如有的離心壓縮機(jī)葉輪絕熱效率高達(dá)95% 。但決定離心壓縮機(jī)效率高低的因素絕不僅僅只是葉輪一個(gè)因素，而是由很多因素。這些因素包括擴(kuò)壓器、渦殼等。因此，要想進(jìn)一步改善離心壓縮機(jī)性能，除了要改進(jìn)離心壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)方法外，還要進(jìn)一步改善與壓縮機(jī)性能密切相關(guān)的一些部件的設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明，從葉輪流出的氣體，在經(jīng)過擴(kuò)壓器后，即可使壓縮機(jī)效率下降9% 。普遍認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是其留在離心力和哥氏力作用下使葉輪出口流場分布很不均勻，低速氣流在輪緣和吸力面形成的角區(qū)內(nèi)聚集，導(dǎo)致“射流-尾跡”流動(dòng)現(xiàn)象的形成。這些氣體在進(jìn)入擴(kuò)壓器前和進(jìn)入擴(kuò)壓器后，必然會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離，從而產(chǎn)生流動(dòng)損失。可見，葉輪和擴(kuò)壓器之間的匹配對壓縮機(jī)效率的影響是非常大的。近年來有很多學(xué)者致力于這方面對研究，如研究擴(kuò)壓器形狀變化對離心壓縮機(jī)性能產(chǎn)生的影響，葉輪出口流場分布變化對擴(kuò)壓器性能的影響和對整個(gè)壓縮機(jī)性能的影響，擴(kuò)壓器進(jìn)口、擴(kuò)壓器內(nèi)部、擴(kuò)壓器出口壓力分布和速度分布的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量等。對上述問題的研究已經(jīng)取得可喜的成果。

 

　　現(xiàn)已有把葉輪、擴(kuò)壓器、渦殼三部分作為一個(gè)整體進(jìn)行研究的方法，也許這種一體化的研究方法為設(shè)計(jì)更高效率的離心壓縮機(jī)開辟了一個(gè)新途徑。

 

　　為了進(jìn)一步提高壓縮機(jī)性能，一個(gè)值得關(guān)注的課題是離心壓縮機(jī)葉尖間隙產(chǎn)生的泄漏流動(dòng)現(xiàn)象的研究。葉尖間隙泄漏流動(dòng)對離心壓縮機(jī)穩(wěn)定工作范圍和效率都有很大影響。雖說對軸流壓縮機(jī)葉尖間隙泄漏流動(dòng)的研究已經(jīng)比較充分，但對徑流壓縮機(jī)的研究依然存在著無法克服的困難。通過對混流泵葉尖間隙泄漏流動(dòng)的研究發(fā)現(xiàn)，混流泵葉尖間隙泄漏流動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)損失是軸流葉輪機(jī)械的三倍。 可以推斷徑流壓縮機(jī)產(chǎn)生的葉尖間隙泄漏損失會(huì)更大一些。