离心压缩机研究现状及展望

                             花严红  袁卫星  王  海/北京航空航天大学人机与环境工程系

 

摘要：介绍了离心压缩机的发展历史，详细阐述了国内外对离心压缩机研究的现状，指出了在离心压缩机研究中尚待解决的主要问题并对离心式制冷压缩机的研究进行了展望。

关键词：离心式压缩机  综述

中图分类号：TH452

文章编号：1006-8155（2007）03-0059-05

Current Situation and Expectation on Research of Centrifugal Compressor

Abstract: In this paper, the history of development of centrifugal compressor is introduced, and current situation on research of centrifugal compressor at home and abroad is descried in detail. The paper points the main problems to be solved on the research of centrifugal compressor, and expresses the expectation to the research of centrifugal refrigeration compressor.

Key Words: centrifugal compressor  overview

 

0  引言

近些年来，随着科学技术的飞速发展，离心压缩机因其可靠性高、体积小、质量轻等诸多优点而在航空航天、能源动力、石油化工及冶金等行业日益发挥着极其重要的作用。一直以来，离心压缩机内部流场的研究引起了国内外专家学者的关注^[1-7]。

1  发展历史与现状

1.1  发展历史

18世纪初期，Papin给出了最早的离心式叶轮机械的设计方法，在他出版的著作中介绍了离心泵的设计方法。从那以后，离心式叶轮机械开始逐步得到发展。

19世纪，离心式压缩机伴随着叶轮机械理论的发展而得到了迅速的发展。在这一时期，Leonhard Eular建立了叶轮机械中的基本能量方程；Lazare Carnot指出在叶轮进口流体应光滑顺利的流入叶轮，即零攻角状态，他还指出为了获得高效率应减小叶轮出口动能。这一阶段的标志性成果是离心压缩机中开始使用有叶扩压器^[6]。

从20世纪开始至今是离心压缩机技术迅猛发展的时代。在这一时期，产生了对离心压缩机发展具有划时代意义的理论和方法。正是这些理论和方法的诞生，使得离心压缩机在全世界范围内得到了极为广泛的应用。1930年，Frank Whittle申请了他的第一项专利，在国际上首次应用了双向进气单级离心压缩机，

这个离心压缩机由轴向透平驱动，如图1

所示。采用双向进气不但可以避免在转子

进口叶尖产生超音速流动，而且可以减小轴

向推力。从那时开始，Frank Whittle就将目标瞄准

单级压比达到4，而此前单级压比最高值只达到2.5^[7]。

            图1  Frank Whittle设计的转子

离心压缩机因为受旋转、曲率及粘性等诸多因素的影响及相互作用而使其内部流动表现为相当复杂的非定常、有粘性的三维湍流流动。但在早期，因为三元理论及计算手段的缺乏，使得离心压缩机的设计主要采用几何设计或二维气动设计方法进行。20世纪50年代，我国著名的科学家吴仲华教授提出了对离心压缩机发展具有划时代意义的两簇流面理论，奠定了叶轮机械内部三元流场求解的基础。他首先提出叶轮机械叶片通道内的三元流动可以看作是两类相交的流面（S₁、S₂流面，S₁流面为是从一个叶片到相邻叶片之间的周向扭曲流面，S₂流面是从轮毂导轮盖的径向扭曲流面）之和，这样就可以把一个复杂的三元问题转化为两个二元问题，从而使计算简化。随着吴氏三元理论的提出，离心压缩机的设计方法开始由几何设计或二维气动设计向准三维气动设计及全三维气动设计方法转变。许多国内外专家学者利用这一理论对离心压缩机进行了研究并取得了许多有益的成果^[8]。

1.2  离心压缩机研究现状    

1.2.1  大流量离心压缩机研究现状

德国宇航院（DFVLR）Krain博士基于准三维气动设计方法，通过计算机辅助设计完成了离心压缩机后向三元叶轮的设计，并应用激光测试技术对该叶轮内部流场进行了非常详细地测量^[9]。迄今为止，Krain叶轮仍然是许多研究人员校验自己设计方法的对象。

国内在离心压缩机三元叶轮的各类反命题设计方法中，以角动量的不同分布来控制叶片几何型线的方法应用较广^[10]。角动量的分布规律直接决定叶片载荷的大小并影响流动方向、跨盘盖方向的速度分布，而速度分布对叶轮二次流的强度及叶片表面边界层的发展有决定性的影响，这必然影响到对叶轮边界层损失、分离损失和二次流损失的控制，因此合适的角动量分布是设计高性能叶轮最有效的手段。席光等人以上文提到的德国宇航院（DFVLR）Krain博士设计并试验的后向三元叶轮为研究对象，对其内部流动及气动性能进行了计算，在保留子午型线的前提下，改变角动量分布，对叶片重新设计，以研究角动量分布对叶轮内部三维流场及总体性能的影响，发展了一种以三维粘性分析为参考准则的实用设计方法，并利用CFD软件FLUENT5.4进行了数值计算，计算结果表明：角动量的不同分布对离心压缩机叶轮的压比和效率有明显的影响^[11]。

在发展以三维粘性分析为参考准则的离心压缩机三元叶轮的实用设计方法的基础上，王晓峰等人又探讨了将离心叶轮内部的三维粘性流动求解与试验设计技术以及响应面方法相结合的优化设计方法。响应面方法是试验设计与数理统计相结合的优化方法，在试验测量、经验公式或数值分析的基础上，对指定的设计点集合进行连续的试验，并在设计空间构造测定量的全局逼近，这样便可以全面观察响应变量在设计空间的变化^[12]。在详细探讨响应面优化设计方法的基础上，他们以某工业离心压缩机中间级叶轮为研究对象，采用响应面方法对其进行优化设计，结果表明：与原始叶轮相比，性能有较大改进^[13]。

为减小离心压缩机叶轮进口的冲击损失，降低叶片厚度对进气的阻塞，避免叶轮出口圆周上相邻两叶片间距过大等，目前国内外的高效率离心压缩机叶轮广泛采用了长、短叶片（分流叶片）的形式。刘瑞韬等人运用三维粘性流动数值计算程序Fine/Turbo对含分流叶片的离心压缩机级内三维粘性流场进行了数值分析，为该类叶轮的优化设计及改进研究打下了基础^[14]。在此基础上，刘瑞韬等人又对分流叶片位置对高转速离心压缩机性能的影响进行了研究，重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压缩机级

                                                          图2  分流叶片位置示意图

内三维粘性流场及整级性能的影响。计算结果表明：采用分流叶片在进口处会减少叶片阻塞；不同分流叶片起始位置时长叶片进口流场具有相同的分布规律；分流叶片越短，长叶片压力面无量纲静压载荷越大；当分流叶片长度达到某一数值后，长叶片载荷变化趋于平缓；就文献[15]中研究的叶轮来说，分流叶片起始位置位于图2所示Ⅲ位置，分流叶片与长叶片吸力面夹角为22.5°时的叶轮模型级效率最高，压缩机性能最好^[15]。

初雷哲、杜建一等人采用CFD软件对微型燃机的离心叶轮进行数值模拟，讨论了叶片数及分流叶片位置对叶轮性能的影响，并进行了流场分析。分析结果表明：叶片数增加使得性能曲线左移，单个叶片载荷减小，损失增加，叶轮效率下降，但是增压效果得到改善；分流叶片位置靠近主叶片压力面时，性能曲线右移，流通能力提高，同时会使分流叶片的载荷增大，当分流叶片位置靠近主叶片吸力面时，情况正好相反^[16]。

杨策等人开发了一套将初步设计、性能优化计算、性能预测、叶片成型和叶轮应力分析包含在内的离心式叶轮辅助设计系统，并用其设计出一种小型高转速离心压缩机，然后对其性能进行了详细地分析研究。杨策等人的研究结果表明：在进口条件和转速相同情况下，后向叶轮压比小于径向叶轮，效率高于径向叶轮，后向叶轮的流量特性曲线的斜率大于径向叶轮的流量特性曲线的斜率，后向叶轮的流量特性更接近轴流压缩机的特性；顶部间隙增大时，离心压缩机压比减小，效率下降；对于小流量的离心压缩机，叶轮进口弯曲对叶轮在设计点的绝热效率影响不大，叶轮出口弯曲对离心压缩机在设计点的效率影响很小；叶轮正弯时存在一个最高效率点，当叶轮正弯度大于或小于这个数值时效率均下降；采用前倾叶轮可以提高压缩机的效率，但降低了压缩机的压比；在较低转速下，前倾叶轮在大部分工作范围内效率高于普通叶轮，在较高转速下，前倾叶轮在全工况范围内效率都高于普通叶轮；前倾叶轮比普通叶轮有更大的喘振裕度，工作范围更宽广；前倾叶轮改善了出口的气流分离现象，能够减少掺混损失^[6]。

综上所述，国内研究人员对离心压缩机的研究主要是通过数值计算来进行，一般是先用自己开发的计算程序或应用软件计算国外文献提到的有详细试验结果的离心压缩机或叶轮（一般多用前文提及的德国宇航院（DFVLR）Krain博士研究的叶轮），经过验证可行后，再用于自己的研发。

一直以来，国内外在采用先进技术进行离心压缩机流场测试方面的研究较之设计方法的研究则稍显滞后。运行中的离心压缩机内部流场测试技术的重大突破是伴随着激光速度测量学的成功发展而实现的。1970年，Eckardt运用Schodld的2倍焦距激光测速计（Laser-2focus-Velocimeter）对压比为3的压缩机内部流场进行了研究。在20世纪60年代初出现的激光多普勒测速技术和2倍焦距激光测速技术几乎同时被应用于离心压缩机内部流场的测量^[7]。

国内上海交通大学的缪俊、谷传纲等人研究了激光相位多普勒测速技术（PDA）在离心压缩机叶轮内部流场测量中的应用，他们采用PDA技术对试验用离心压缩机在小流量工况下叶轮内部的流动进行了测量，对如何在原有适合粒子图像速度场仪（PIV）测量的试验台上进行PDA测量，并提出了改进意见，分析了小流量工况下流道内气流速度矢量的变化趋势等流动特性^[17]。测试技术的发展必将进一步推动离心压缩机技术的发展。

1.2.2  小流量离心压缩机研究现状

前述国内外研究人员在各自的研究过程中基本都针对的是较大流量的离心压缩机，所提及的杨策等人研究的一种小型高转速离心压缩机其流量也是0.２１５kg/s，难以完全说明小流量（0.１kg/s以下）下的情形。

F.Gui et al进行了高速小流量离心压缩机的设计和试验研究。在他的文献里介绍了一种小流量高转速的离心压缩机的研究结果，结果表明：小流量高转速离心压缩机在几何特征与整机性能上与大型离心压缩机存在区别，小流量高转速的离心压缩机在进口处轮盖与轮毂的直径比较大，叶轮外径与进口轮盖直径之比及叶尖间隙与叶片高度之比比大型离心压缩机大许多；在设计范围内，大型离心压缩机的流量－压比曲线要比小流量高转速离心压缩机的流量－压比曲线平坦得多，这也暗示着小流量高转速离心压缩机与大型离心压缩机的设计是有区别的，大型离心压缩机设计的经验方法不能完全应用于小流量高转速离心压缩机的设计。F.Gui et al设计了一个叶轮直径仅为63mm的小流量高转速离心压缩机，其效率可达84％，这个数值较之从20世纪50年代起一直未有太大提高的60%左右的效率则是有了相当大的进步，这也表明：设计一个用于飞行器空气循环制冷系统和小型蒸汽压缩制冷系统用的小流量高转速离心压缩机是可以实现的^[18]。

2  离心压缩机研究存在的问题及展望

经过研究人员的长期努力，对离心压缩机的研究，无论是设计理论、方法还是试验手段都取得了巨大的进步，但因为三维流场本身的复杂性及相关技术发展的限制，使得仍有一些问题有待完善和解决。

2.1  存在的主要问题

叶轮和扩压器是离心压缩机的关键部件，叶轮设计与制造的好坏及其与扩压器的匹配情况将对压缩机的性能产生决定性的影响。作为整个压缩机来说，轴承的性能及润滑、密封情况也将会对压缩机性能产生影响。

2.1.1  叶轮的设计与制造

随着计算机技术及计算流体动力学（CFD）的发展，相继出现了一批可以应用于离心压缩机研究的CFD应用软件。目前市场上较常见的有：FLUENT、NUMECA、NREC、CFX、STAR-CD等，这些软件一般都集中了造型、网格生成、流场计算及后处理功能。这些软件的发展极大地丰富了三元叶轮的设计手段，提高了工程设计的效率，为设计性能优良的三元叶轮创造了更好的条件。

用三元理论设计的叶轮叶片形状一般为空间曲面,叶片及叶轮的加工成型是制造的重点,也是难点。对于三元叶轮，常用的加工方法主要有两种：三体焊形式，也即对轮盘、叶片、轮盖分别加工然后再焊装；整体铣制，也就是轮盘和叶片在一起利用多坐标设备进行整体铣制而得到一个半开式叶轮。为避免干涉，目前国际上对这种叶轮的加工大都是利用价格很高的五坐标加工中心进行。

2.1.2  叶轮与扩压器的匹配问题

在离心压缩机的设计过程中，叶轮与扩压器的匹配问题一直以来都是困扰设计人员的难题之一。影响叶轮与扩压器匹配的主要因素有：有叶扩压器的喉部面积，叶轮与扩压器之间的间隙，气动叶型扩压器的稠度，扩压器叶片前缘形状等。

研究发现改变有叶扩压器的喉部面积可以改变叶轮与扩压器的匹配范围。当有叶扩压器的喉部面积较大时，叶轮与扩压器在流量较大区域内匹配；当有叶扩压器的喉部面积较小时，叶轮与扩压器在流量较小区域内匹配。低稠度的气动叶型扩压器具有较宽的工作范围，能明显改善喘振边界限制。关于扩压器叶片前缘的最佳位置目前尚未有明确的答案，只是估计扩压器叶片前缘所在的半径与叶轮半径之比在1.15以上。Kenny认为：在扩压器叶片前缘采用燕尾槽的方式可以使流出叶轮的涡破碎，从而使流动更加稳定。总之，影响叶轮与扩压器匹配问题的因素仍有待进一步发现和解决^[19]。

2.1.3  轴承研发问题

离心式压缩机一般采用增速齿轮,转子转速一般都在5000r/min以上,目前一般采用滑动轴承,滑动轴承的设计也是研制离心压缩机的一个重点。

压缩机转速的增大必然要求减小轴承和轴之间的摩擦。国内在这方面的研究已有多年，静压和动压空气轴承已在许多透平机械中得到应用。文献[18]提出国外已有一种磁力轴承在被应用于离心压缩机后展示了其优良的性能。磁力轴承的一个明显的优点就是它在转轴旋转后是悬浮于轴上的，只要空气充满磁力轴承和轴之间的狭小间隙，轴就悬浮在空气（或其它工作介质）中旋转，以至于相对其它类型轴承来说，磁力轴承运转时的摩擦力是可以忽略不计的，从而转子能够真正实现在转子强度和“堵塞”限制范围内以任何速度运转。因此有必要加快磁力轴承应用技术研究。

2.2  展望

目前，国内外对于高压比（单级压比＞5）离心压缩机的应用仍然较少，这主要是因为其效率低、流动范围受限等原因所造成的。现代三维求解技术及先进测试手段（PIV、PDA等）的应用将使这些问题有望得到解决，但仍需要大量的努力，一旦在这一领域实现突破，将会使得离心压缩机的使用成本大幅下降，从而使离心压缩机得到更大范围地应用^[7]。

对于离心式制冷压缩机研究，外一个有待突破的问题即是实现其在小流量场合的应用。离心压缩机依赖于高流速实现增压，这种高流速不可避免地会带来摩擦及气动损失等流动损失。对于小流量的离心压缩机，当转速不大时，其流动损失将显著影响效率的提高。因此，对于小流量的压缩机，必须增加其转速以保证达到一定的效率。随着运用CFD及三元理论进行离心压缩机研制技术的进一步发展，高转速轴承技术的日益成熟，相信有望在这一领域实现突破。

 

 

参  考  文  献

 

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