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摘 要：離心壓縮機(jī)的前期設(shè)計(jì)通常依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，盡管計(jì)算機(jī)及數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)取得巨大的發(fā)展，大量工業(yè)離心壓縮機(jī)仍然采用一維及二維設(shè)計(jì)，CFD計(jì)算機(jī)仿真流體力學(xué)三維分析方法仍然沒(méi)有成為離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的主要工具。設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)在很大程度上決定著設(shè)計(jì)的成功或失敗，CFD工具常常用來(lái)驗(yàn)證或優(yōu)化壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能，以增強(qiáng)將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的信心。葉輪是離心壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件之一，它的設(shè)計(jì)是離心壓縮機(jī)成功的關(guān)鍵。選擇初始參數(shù)和基本尺寸對(duì)離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是非常重要的。擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)直接影響壓縮機(jī)的工作范圍。擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)得不當(dāng)將影響離心壓縮機(jī)的工作范圍和級(jí)間功率。渦殼的設(shè)計(jì)同樣影響壓縮機(jī)的性能及使用壽命。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在很大程度上決定著壓縮機(jī)零部件設(shè)計(jì)是否成功。本文介紹了設(shè)計(jì)工程師在離心壓縮機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)回顧了在公開(kāi)期刊上發(fā)表的關(guān)于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的一些學(xué)術(shù)論文，目的是為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)供參考。

引言

離心壓縮機(jī)是通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力來(lái)提高靜壓。氣流沿軸向進(jìn)入壓縮機(jī)，然后沿著葉輪的徑向脫離，后進(jìn)入帶徑向葉片或無(wú)葉片的擴(kuò)壓器。氣流從擴(kuò)壓器中排出，通過(guò)渦殼或收集器將氣流送入下一級(jí)，如圖1所示。排氣量在0.35~ 95m3/s的信然離心壓縮機(jī)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，在工業(yè)生產(chǎn)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程很復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員依靠熱力學(xué)模型建立設(shè)計(jì)參數(shù)、幾何形狀和流體力學(xué)參數(shù)之間的相互物理關(guān)系，這些參數(shù)的相互關(guān)系決定著渦輪機(jī)組的性能[1-7]。模型的建立及設(shè)計(jì)前期考慮需要設(shè)計(jì)人員在不同學(xué)科的經(jīng)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)前期考慮并建立合適的數(shù)學(xué)模型是非常必要的。

設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足制造的需要，這一理念已經(jīng)推行了多年。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮多種方案，后才能使設(shè)計(jì)達(dá)到佳水平。設(shè)計(jì)方案需要盡可能簡(jiǎn)單，使用少的零件，使裝配容易。這就要求設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)前期就仔細(xì)考慮并權(quán)衡性能與成本。設(shè)計(jì)工程師需要有經(jīng)驗(yàn)去評(píng)估不同的制造工藝對(duì)壓縮機(jī)效率的影響。盡管CFD計(jì)算機(jī)仿真流體力學(xué)分析方法已經(jīng)取得相當(dāng)大的進(jìn)展，但它仍然不可能在一天時(shí)間內(nèi)就完成流場(chǎng)仿真并給出各種制造工藝過(guò)程對(duì)壓縮機(jī)性能的影響。某些制造工藝問(wèn)題，如表面加工精度，是很難用CFD方法仿真的。這就需要對(duì)所有零部件的設(shè)計(jì)建立整套設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為設(shè)計(jì)工程師提供一般的設(shè)計(jì)依據(jù)，盡可能避免重復(fù)工作，促使設(shè)計(jì)一次成功。

九十年代以前大部分研發(fā)都集中在提高壓縮機(jī)的性能上[1、2]。由于CFD的發(fā)展及實(shí)驗(yàn)研究方法的進(jìn)步[3-7]，上一世紀(jì)壓縮機(jī)的效率得到很大提高。綜和一維及三維設(shè)計(jì)方法[8、9]，優(yōu)化了初步設(shè)計(jì)過(guò)程，可以幫助設(shè)計(jì)工程師加快設(shè)計(jì)速度。近年來(lái)，信然壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)綜合考慮制造成本、機(jī)器重量、市場(chǎng)前景及設(shè)計(jì)工作點(diǎn)及非設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的效率。對(duì)工業(yè)用壓縮機(jī)而言，市場(chǎng)對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度提出了更高的要求。雖然CFD計(jì)算機(jī)仿真流體力學(xué)分析及FEA有限元分析方法[8、9]使得壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)速度及效率大大提高，但在性能及可靠性方面仍有很大的發(fā)展空間。壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)仍然是一項(xiàng)非常復(fù)雜且花費(fèi)時(shí)間的工作。一個(gè)全新的一級(jí)離心壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)，從空氣動(dòng)力學(xué)分析，到機(jī)械設(shè)計(jì)，從制造到項(xiàng)目管理，一般需要至少五年。CFD及FEA分析、優(yōu)化，樣機(jī)測(cè)試同樣也是非常大的工作量。在壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是非常重要的。在文獻(xiàn)中很少有關(guān)于設(shè)計(jì)考慮及經(jīng)驗(yàn)的描述。

術(shù)語(yǔ)

壓縮機(jī)設(shè)計(jì)模型

壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，要求以短的時(shí)間投入市場(chǎng)，同時(shí)降低成本、提高性能。為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，需要充分考慮壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)以達(dá)到合適的壽命。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械加工方面的制約，限制了流體力學(xué)設(shè)計(jì)方案的考慮。結(jié)構(gòu)分析的目的是為了使所有的壓縮機(jī)零部件能夠承受空氣動(dòng)力學(xué)及離心力，避免機(jī)組的特征頻率與主要激振頻率重合疊加，從而使其達(dá)到一定的使用壽命。與過(guò)去相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)大大減小。由于FEA有限元分析工具的成熟及材料性能的提高，現(xiàn)代工業(yè)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)通常取7~12%安全系數(shù)。更加精確的結(jié)構(gòu)分析給了空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)工程師更大的發(fā)揮空間，使得壓縮機(jī)零部件的重量輕、成本低。延長(zhǎng)壓縮機(jī)的壽命不再是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。根據(jù)壓縮機(jī)的使用壽命進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單的。效率是壓縮機(jī)設(shè)計(jì)理念的基本點(diǎn)，但不像過(guò)去那樣是中心。開(kāi)發(fā)成本及時(shí)間同樣是壓縮機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的重要關(guān)注點(diǎn)。工業(yè)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)要求一次就達(dá)到佳的性能，無(wú)須進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，以降低開(kāi)發(fā)成本，節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間，這就要求設(shè)計(jì)工程師具備離心壓縮機(jī)方面的廣泛的知識(shí)。設(shè)計(jì)上的仔細(xì)考慮可以縮短分析及試驗(yàn)研究的時(shí)間。各種各樣的設(shè)計(jì)方案向設(shè)計(jì)工程師顯示了設(shè)計(jì)領(lǐng)域的復(fù)雜性。本文的目的是給新的工程師提供一些信息，幫助他們?cè)陂_(kāi)始設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)前對(duì)設(shè)計(jì)有個(gè)全面的了解。
 壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)模式與幾十年前相比已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。工業(yè)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)要求在市場(chǎng)上獲得成功而不僅僅是實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)。在過(guò)去，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工程師在開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一個(gè)新型壓縮機(jī)，然后就把這個(gè)項(xiàng)目交付生產(chǎn)。制造團(tuán)隊(duì)來(lái)評(píng)估如何以低的成本把它制造出來(lái)。某些開(kāi)發(fā)因?yàn)椴荒軡M(mǎn)足市場(chǎng)要求而被拒絕。新的開(kāi)發(fā)模式要求設(shè)計(jì)工程師為市場(chǎng)、制造及終端用戶(hù)而開(kāi)發(fā)。近又提出了一些新的方案[10]。新的開(kāi)發(fā)過(guò)程被看作是一個(gè)制造與終端用戶(hù)的集成體系。新的信然壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)成為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。制造成本低化的壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不夠了。壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)必須考慮制造及終端用戶(hù)的各個(gè)方面。如果“盈余”被定義為制造、終端用戶(hù)及售后市場(chǎng)的利潤(rùn)總和，那么新的壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)就將關(guān)注在“盈余”大化上。在基于盈余價(jià)值對(duì)終方案做出決定之前，需要考慮很多方案。重要的是，設(shè)計(jì)工程師在開(kāi)始進(jìn)行壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)前一定要具備各方面的知識(shí)。

葉輪的設(shè)計(jì)

葉輪是離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件?，F(xiàn)今，離心壓縮機(jī)的效率與過(guò)去相比已經(jīng)有了引人注目的提高。例如，中小型離心機(jī)的級(jí)效率已經(jīng)從平均70%增長(zhǎng)到了80%。新開(kāi)發(fā)的低比壓的信然離心壓縮機(jī)的效率已經(jīng)達(dá)到了機(jī)器可能達(dá)到的極限，但中高比壓的離心壓縮機(jī)效率與機(jī)器可能達(dá)到的水平還有一定的距離。近，離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)是如何保證效率達(dá)到佳狀態(tài)，同時(shí)增加壓縮機(jī)的工作范圍[5、11]。增加壓縮機(jī)的工作范圍而又不降低其效率是很難做到的。方案上的仔細(xì)考慮將有助于減少反復(fù)，而使得終設(shè)計(jì)達(dá)到壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

寬工作范圍壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的。設(shè)計(jì)工程師不僅需要懂得喘振的物理特性而且需要將其經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用在設(shè)計(jì)過(guò)程中。喘振是與所有零部件有關(guān)的壓縮機(jī)系統(tǒng)的表象。喘振與分離的物理特性至今還不是完全了解。仍然沒(méi)有任何工具可以撲捉到喘振及分離的全過(guò)程。然而，對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，了解喘振與分離是非常重要的。許多理論研究都集中在更好地了解這一現(xiàn)象，但至今仍沒(méi)有一個(gè)研究成果可以用做設(shè)計(jì)工具。事實(shí)上，試驗(yàn)過(guò)程所觀(guān)察到的旋轉(zhuǎn)分離現(xiàn)象，如圖2所示，人們至今仍然沒(méi)有完全了解。需要進(jìn)行更多的理論研究及試驗(yàn)實(shí)踐，以便在設(shè)計(jì)過(guò)程中將分離現(xiàn)象考慮進(jìn)系統(tǒng)。寬范圍工作壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于設(shè)計(jì)工程師對(duì)喘振及分離現(xiàn)象的理解。

不同的設(shè)計(jì)工程師可能使用不同的設(shè)計(jì)方法。采用什么樣的整體布置、曲率、速度、壓力曲線(xiàn)等等完全取決于設(shè)計(jì)工程師。兩種完全不同的設(shè)計(jì)理念可能產(chǎn)生非常相似的性能。例如，由Garret及Pratt Whitney所設(shè)計(jì)的兩種葉輪，如圖3所示，從外形上完全不同，但是它們的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能非常相似。由本文作者所設(shè)計(jì)的葉輪，如圖1所示，其外形特征與圖3也完全不同。這表明，只要設(shè)計(jì)工程師遵從一些基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可選擇的設(shè)計(jì)方案是多種多樣的。本文中作者將著重討論一些設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，而不詳細(xì)討論葉輪的具體設(shè)計(jì)方法。讀者可以將這些準(zhǔn)則應(yīng)用到他們的設(shè)計(jì)過(guò)程中，獲得自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)先進(jìn)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)。

圖1展示了上海信然壓縮機(jī)公司近開(kāi)發(fā)的單級(jí)壓縮的離心壓縮機(jī)。圖4為六臺(tái)這款壓縮機(jī)的平均試驗(yàn)性能特征曲線(xiàn)。曲線(xiàn)顯示，在設(shè)計(jì)點(diǎn)及非設(shè)計(jì)點(diǎn)壓縮機(jī)都具有良好的性能。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了低成本的要求，而且允許較大的制造公差。出口間隙很大且不敏感，使得裝配很容易。裝配了六臺(tái)機(jī)器并按照ASME PTC-10的程序進(jìn)行了測(cè)試。不同機(jī)組的絕熱效率及壓頭系數(shù)的誤差分別在±0.5%及±0.75%以?xún)?nèi)。根據(jù)誤差分析[14]，系統(tǒng)總壓力、靜態(tài)壓力及溫度的測(cè)量誤差分別在±0.25%，±0.2% 及 ±0.5%。
在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段無(wú)須進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析。選擇速度矢量及確定葉片的數(shù)量是設(shè)計(jì)上非常關(guān)鍵的步驟，如果選擇不當(dāng)，將導(dǎo)致分析工作的重復(fù)，耗費(fèi)大量時(shí)間。

葉輪的幾何外形

離心壓縮機(jī)的初始設(shè)計(jì)總是來(lái)源于客戶(hù)需要或市場(chǎng)要求。設(shè)計(jì)工程師基于性能要求，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，選擇基本配置，向客戶(hù)或市場(chǎng)提供機(jī)器的基本性能。為了使其它的工程師可以同時(shí)開(kāi)展工作，有必要對(duì)壓縮機(jī)的基本外形結(jié)構(gòu)作一個(gè)較精確的估計(jì)，這樣才可以在較短的周期內(nèi)完成開(kāi)發(fā)工作。例如，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及軸承的工程師都依賴(lài)于葉輪的信息才能開(kāi)展工作?；編缀涡螤畹脑O(shè)計(jì)不會(huì)妨礙葉輪的優(yōu)化，但它卻可以加快設(shè)計(jì)過(guò)程，降低開(kāi)發(fā)成