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摘 要：離心壓縮機(jī)的前期設(shè)計通常依賴于經(jīng)驗，盡管計算機(jī)及數(shù)值計算方法已經(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，CFD計算機(jī)仿真流體力學(xué)三維分析方法仍然沒有成為離心壓縮機(jī)設(shè)計的主要工具。設(shè)計工程師的經(jīng)驗在很大程度上決定著設(shè)計的成功或失敗，CFD工具常常用來驗證或優(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)和基本尺寸對離心壓縮機(jī)的設(shè)計是非常重要的。擴(kuò)壓器的設(shè)計直接影響壓縮機(jī)的工作范圍。擴(kuò)壓器設(shè)計得不當(dāng)將影響離心壓縮機(jī)的工作范圍和級間功率。渦殼的設(shè)計同樣影響壓縮機(jī)的性能及使用壽命。設(shè)計經(jīng)驗在很大程度上決定著壓縮機(jī)零部件設(shè)計是否成功。本文介紹了設(shè)計工程師在離心壓縮機(jī)空氣動力學(xué)方面的經(jīng)驗，同時回顧了在公開期刊上發(fā)表的關(guān)于壓縮機(jī)設(shè)計的一些學(xué)術(shù)論文，目的是為新產(chǎn)品開發(fā)提供一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)供參考。

引言

離心壓縮機(jī)是通過葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力來提高靜壓。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)入帶徑向葉片或無葉片的擴(kuò)壓器。氣流從擴(kuò)壓器中排出，通過渦殼或收集器將氣流送入下一級，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)動機(jī)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。離心壓縮機(jī)的設(shè)計過程很復(fù)雜，設(shè)計人員依靠熱力學(xué)模型建立設(shè)計參數(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)計前期考慮需要設(shè)計人員在不同學(xué)科的經(jīng)驗。為了實現(xiàn)設(shè)計的先進(jìn)性，進(jìn)行充分的設(shè)計前期考慮并建立合適的數(shù)學(xué)模型是非常必要的。

設(shè)計必須滿足制造的需要，這一理念已經(jīng)推行了多年。在設(shè)計過程中需要考慮多種方案，后才能使設(shè)計達(dá)到佳水平。設(shè)計方案需要盡可能簡單，使用少的零件，使裝配容易。這就要求設(shè)計工程師在設(shè)計前期就仔細(xì)考慮并權(quán)衡性能與成本。設(shè)計工程師需要有經(jīng)驗去評估不同的制造工藝對壓縮機(jī)效率的影響。盡管CFD計算機(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間內(nèi)就完成流場仿真并給出各種制造工藝過程對壓縮機(jī)性能的影響。某些制造工藝問題，如表面加工精度，是很難用CFD方法仿真的。這就需要對所有零部件的設(shè)計建立整套設(shè)計準(zhǔn)則。設(shè)計準(zhǔn)則為設(shè)計工程師提供一般的設(shè)計依據(jù)，盡可能避免重復(fù)工作，促使設(shè)計一次成功。

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)展及實驗研究方法的進(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)計方法[8、9]，優(yōu)化了初步設(shè)計過程，可以幫助設(shè)計工程師加快設(shè)計速度。近年來，信然壓縮機(jī)的設(shè)計綜合考慮制造成本、機(jī)器重量、市場前景及設(shè)計工作點及非設(shè)計工作點的效率。對工業(yè)用壓縮機(jī)而言，市場對新產(chǎn)品開發(fā)速度提出了更高的要求。雖然CFD計算機(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)計仍然是一項非常復(fù)雜且花費(fèi)時間的工作。一個全新的一級離心壓縮機(jī)的開發(fā)，從空氣動力學(xué)分析，到機(jī)械設(shè)計，從制造到項目管理，一般需要至少五年。CFD及FEA分析、優(yōu)化，樣機(jī)測試同樣也是非常大的工作量。在壓縮機(jī)的設(shè)計過程中，設(shè)計準(zhǔn)則及設(shè)計經(jīng)驗是非常重要的。在文獻(xiàn)中很少有關(guān)于設(shè)計考慮及經(jīng)驗的描述。

術(shù)語

壓縮機(jī)設(shè)計模型

壓縮機(jī)的設(shè)計開發(fā)，要求以短的時間投入市場，同時降低成本、提高性能。為了實現(xiàn)先進(jìn)壓縮機(jī)的設(shè)計，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)計及機(jī)械加工方面的制約，限制了流體力學(xué)設(shè)計方案的考慮。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。與過去相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全系數(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)分析給了空氣動力學(xué)設(shè)計工程師更大的發(fā)揮空間，使得壓縮機(jī)零部件的重量輕、成本低。延長壓縮機(jī)的壽命不再是設(shè)計的主要目標(biāo)。根據(jù)壓縮機(jī)的使用壽命進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計是比較簡單的。效率是壓縮機(jī)設(shè)計理念的基本點，但不像過去那樣是中心。開發(fā)成本及時間同樣是壓縮機(jī)現(xiàn)代設(shè)計的重要關(guān)注點。工業(yè)壓縮機(jī)的設(shè)計要求一次就達(dá)到佳的性能，無須進(jìn)行二次設(shè)計，以降低開發(fā)成本，節(jié)約開發(fā)時間，這就要求設(shè)計工程師具備離心壓縮機(jī)方面的廣泛的知識。設(shè)計上的仔細(xì)考慮可以縮短分析及試驗研究的時間。各種各樣的設(shè)計方案向設(shè)計工程師顯示了設(shè)計領(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，幫助他們在開始設(shè)計離心壓縮機(jī)前對設(shè)計有個全面的了解。
 壓縮機(jī)開發(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)計要求在市場上獲得成功而不僅僅是實驗室的試驗。在過去，壓縮機(jī)設(shè)計工程師在開發(fā)團(tuán)隊開發(fā)出一個新型壓縮機(jī)，然后就把這個項目交付生產(chǎn)。制造團(tuán)隊來評估如何以低的成本把它制造出來。某些開發(fā)因為不能滿足市場要求而被拒絕。新的開發(fā)模式要求設(shè)計工程師為市場、制造及終端用戶而開發(fā)。近又提出了一些新的方案[10]。新的開發(fā)過程被看作是一個制造與終端用戶的集成體系。新的信然壓縮機(jī)的開發(fā)成為一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。制造成本低化的壓縮機(jī)的設(shè)計理念已經(jīng)不夠了。壓縮機(jī)的設(shè)計必須考慮制造及終端用戶的各個方面。如果“盈余”被定義為制造、終端用戶及售后市場的利潤總和，那么新的壓縮機(jī)開發(fā)就將關(guān)注在“盈余”大化上。在基于盈余價值對終方案做出決定之前，需要考慮很多方案。重要的是，設(shè)計工程師在開始進(jìn)行壓縮機(jī)的設(shè)計前一定要具備各方面的知識。

葉輪的設(shè)計

葉輪是離心壓縮機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵部件?，F(xiàn)今，離心壓縮機(jī)的效率與過去相比已經(jīng)有了引人注目的提高。例如，中小型離心機(jī)的級效率已經(jīng)從平均70%增長到了80%。新開發(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)計面臨的挑戰(zhàn)是如何保證效率達(dá)到佳狀態(tài)，同時增加壓縮機(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)計達(dá)到壓縮機(jī)的設(shè)計目標(biāo)。

寬工作范圍壓縮機(jī)的設(shè)計是非常復(fù)雜的。設(shè)計工程師不僅需要懂得喘振的物理特性而且需要將其經(jīng)驗運(yùn)用在設(shè)計過程中。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。仍然沒有任何工具可以撲捉到喘振及分離的全過程。然而，對壓縮機(jī)的設(shè)計工程師來說，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，但至今仍沒有一個研究成果可以用做設(shè)計工具。事實上，試驗過程所觀察到的旋轉(zhuǎn)分離現(xiàn)象，如圖2所示，人們至今仍然沒有完全了解。需要進(jìn)行更多的理論研究及試驗實踐，以便在設(shè)計過程中將分離現(xiàn)象考慮進(jìn)系統(tǒng)。寬范圍工作壓縮機(jī)的設(shè)計主要依賴于設(shè)計工程師對喘振及分離現(xiàn)象的理解。

不同的設(shè)計工程師可能使用不同的設(shè)計方法。采用什么樣的整體布置、曲率、速度、壓力曲線等等完全取決于設(shè)計工程師。兩種完全不同的設(shè)計理念可能產(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)計點性能非常相似。由本文作者所設(shè)計的葉輪，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)計工程師遵從一些基本的設(shè)計準(zhǔn)則，可選擇的設(shè)計方案是多種多樣的。本文中作者將著重討論一些設(shè)計的準(zhǔn)則，而不詳細(xì)討論葉輪的具體設(shè)計方法。讀者可以將這些準(zhǔn)則應(yīng)用到他們的設(shè)計過程中，獲得自己的設(shè)計經(jīng)驗，從而實現(xiàn)先進(jìn)壓縮機(jī)的設(shè)計。

圖1展示了上海信然壓縮機(jī)公司近開發(fā)的單級壓縮的離心壓縮機(jī)。圖4為六臺這款壓縮機(jī)的平均試驗性能特征曲線。曲線顯示，在設(shè)計點及非設(shè)計點壓縮機(jī)都具有良好的性能。設(shè)計滿足了低成本的要求，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。裝配了六臺機(jī)器并按照ASME PTC-10的程序進(jìn)行了測試。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%以內(nèi)。根據(jù)誤差分析[14]，系統(tǒng)總壓力、靜態(tài)壓力及溫度的測量誤差分別在±0.25%，±0.2% 及 ±0.5%。
在壓縮機(jī)設(shè)計的初始階段無須進(jìn)行計算機(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)大量時間。

葉輪的幾何外形

離心壓縮機(jī)的初始設(shè)計總是來源于客戶需要或市場要求。設(shè)計工程師基于性能要求，根據(jù)自己的經(jīng)驗，選擇基本配置，向客戶或市場提供機(jī)器的基本性能。為了使其它的工程師可以同時開展工作，有必要對壓縮機(jī)的基本外形結(jié)構(gòu)作一個較精確的估計，這樣才可以在較短的周期內(nèi)完成開發(fā)工作。例如，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子動力學(xué)及軸承的工程師都依賴于葉輪的信息才能開展工作?；編缀涡螤畹脑O(shè)計不會妨礙葉輪的優(yōu)化，但它卻可以加快設(shè)計過程，降低開發(fā)成