離心壓氣機(jī)發(fā)展研究報(bào)告

離心壓縮機(jī)發(fā)展研究匯報(bào)近些年來，伴隨科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，離心壓縮機(jī)因其可靠性高、體積小、質(zhì)量輕等諸多長處而在航空航天、能源動力、石油化工及冶金等行業(yè)日益發(fā)揮著極其重要的作用。一直以來，離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場的研究引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。1、發(fā)展歷史與現(xiàn)實(shí)狀況1.1發(fā)展歷史18世紀(jì)初期，Papin給出了最早的離心式葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)措施，在他出版的著作中簡介了離心泵的設(shè)計(jì)措施。從那后來，離心式葉輪機(jī)械開始逐漸得到發(fā)展。19世紀(jì)，離心式壓縮機(jī)伴伴隨葉輪機(jī)械理論的發(fā)展而得到了迅速的發(fā)展。在這一時期，LeonhardEular建立了葉輪機(jī)械中的基本能量方程；LazareCarnot指出在葉輪進(jìn)口流體應(yīng)光滑順利的流入葉輪，即零攻角狀態(tài)，他還指出為了獲得高效率應(yīng)減小葉輪出口動能。這一階段的標(biāo)志性成果是離心壓縮機(jī)中開始使用有葉擴(kuò)壓器。從20世紀(jì)開始至今是離心壓縮機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的時代。在這一時期，產(chǎn)生了對離心壓縮機(jī)發(fā)展具有劃時代意義的理論和措施。正是這些理論和措施的誕生，使得離心壓縮機(jī)在全世界范圍內(nèi)得到了極為廣泛的應(yīng)用。1930年，F(xiàn)rankWhittle申請了他的第一項(xiàng)專利，在國際上初次應(yīng)用了雙向進(jìn)氣單級離心壓縮機(jī)，這個離心壓縮機(jī)由軸向透平驅(qū)動。采用雙向進(jìn)氣不僅可以防止在轉(zhuǎn)子進(jìn)口葉尖產(chǎn)生超音速流動，并且可以減小軸向推力。從那時開始，F(xiàn)rankWhittle就將目的瞄準(zhǔn)單級壓比到達(dá)4，而此前單級壓比最高值只到達(dá)2.5[7]。離心壓縮機(jī)由于受旋轉(zhuǎn)、曲率及粘性等諸多原因的影響及互相作用而使其內(nèi)部流動體現(xiàn)為相稱復(fù)雜的非定常、有粘性的三維湍流流動。但在初期，由于三元理論及計(jì)算手段的缺乏，使得離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)重要采用幾何設(shè)計(jì)或二維氣動設(shè)計(jì)措施進(jìn)行。20世紀(jì)50年代，我國著名的科學(xué)家吳仲華專家提出了對離心壓縮機(jī)發(fā)展具有劃時代意義的兩簇流面理論，奠定了葉輪機(jī)械內(nèi)部三元流場求解的基礎(chǔ)。他首先提出葉輪機(jī)械葉片通道內(nèi)的三元流動可以看作是兩類相交的流面（S1、S2流面，S1流面為是從一種葉片到相鄰葉片之間的周向扭曲流面，S2流面是從輪轂導(dǎo)輪蓋的徑向扭曲流面）之和，這樣就可以把一種復(fù)雜的三元問題轉(zhuǎn)化為兩個二元問題，從而使計(jì)算簡化。伴隨吳氏三元理論的提出，離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)措施開始由幾何設(shè)計(jì)或二維氣動設(shè)計(jì)向準(zhǔn)三維氣動設(shè)計(jì)及全三維氣動設(shè)計(jì)措施轉(zhuǎn)變。許多國內(nèi)外專家學(xué)者運(yùn)用這一理論對離心壓縮機(jī)進(jìn)行了研究并獲得了許多有益的成果[8]。1.2離心壓縮機(jī)研究現(xiàn)實(shí)狀況德國宇航院（DFVLR）Krain博士基于準(zhǔn)三維氣動設(shè)計(jì)措施，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完畢了離心壓縮機(jī)后向三元葉輪的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用激光測試技術(shù)對該葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行了非常詳細(xì)地測量[9]。迄今為止，Krain葉輪仍然是許多研究人員校驗(yàn)自己設(shè)計(jì)措施的對象。國內(nèi)在離心壓縮機(jī)三元葉輪的各類反命題設(shè)計(jì)措施中，以角動量的不一樣分布來控制葉片幾何型線的措施應(yīng)用較廣[10]。角動量的分布規(guī)律直接決定葉片載荷的大小并影響流動方向、跨盤蓋方向的速度分布，而速度分布對葉輪二次流的強(qiáng)度及葉片表面邊界層的發(fā)展有決定性的影響，這必然影響到對葉輪邊界層損失、分離損失和二次流損失的控制，因此合適的角動量分布是設(shè)計(jì)高性能葉輪最有效的手段。席光等人以上文提到的德國宇航院（DFVLR）Krain博士設(shè)計(jì)并試驗(yàn)的后向三元葉輪為研究對象，對其內(nèi)部流動及氣動性能進(jìn)行了計(jì)算，在保留子午型線的前提下，變化角動量分布，對葉片重新設(shè)計(jì)，以研究角動量分布對葉輪內(nèi)部三維流場及總體性能的影響，發(fā)展了一種以三維粘性分析為參照準(zhǔn)則的實(shí)用設(shè)計(jì)措施，并運(yùn)用CFD軟件FLUENT5.4進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算成果表明：角動量的不一樣分布對離心壓縮機(jī)葉輪的壓比和效率有明顯的影響[11]。為減小離心壓縮機(jī)葉輪進(jìn)口的沖擊損失，減少葉片厚度對進(jìn)氣的阻塞，防止葉輪出口圓周上相鄰兩葉片間距過大等，目前國內(nèi)外的高效率離心壓縮機(jī)葉輪廣泛采用了長、短葉片（分流葉片）的形式。劉瑞韜等人運(yùn)用三維粘性流動數(shù)值計(jì)算程序Fine/Turbo對含分流葉片的離心壓縮機(jī)級內(nèi)三維粘性流場進(jìn)行了數(shù)值分析，為該類葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改善研究打下了基礎(chǔ)[14]。在此基礎(chǔ)上，劉瑞韜等人又對分流葉片位置對高轉(zhuǎn)速離心壓縮機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了分流葉片不一樣起始位置及不一樣周向位置對壓縮機(jī)級內(nèi)三維粘性流場及整級性能的影響。計(jì)算成果表明：采用分流葉片在進(jìn)口處會減少葉片阻塞；不一樣分流葉片起始位置時長葉片進(jìn)口流場具有相似的分布規(guī)律；分流葉片越短，長葉片壓力面無量綱靜壓載荷越大；當(dāng)分流葉片長度到達(dá)某一數(shù)值后，長葉片載荷變化趨于平緩；就文獻(xiàn)[15]中研究的葉輪來說，分流葉片與長葉片吸力面夾角為22.5°時的葉輪模型級效率最高，壓縮機(jī)性能最佳[15]。葉輪葉片前緣形狀對離心壓氣機(jī)性能的影響逐漸提上日程。迄今為止人們對葉片前緣后掠對離心壓氣機(jī)性能及二次流的影響并沒有太多的認(rèn)識。由于試驗(yàn)測量的難度大和試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，用數(shù)值模擬措施進(jìn)行計(jì)算變得十分重要。楊策等人采用離心壓氣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了葉輪葉片前緣后掠和前緣不掠的離心壓氣機(jī)，擴(kuò)壓器采用楔形擴(kuò)壓器。分別對這兩種壓氣機(jī)進(jìn)行了內(nèi)部流場數(shù)值計(jì)算，運(yùn)用數(shù)值措施得到了前緣后掠葉輪和一般葉輪兩個離心壓氣機(jī)的性能，對流場內(nèi)極限流線和二次流進(jìn)行了分析。成果表明，前緣后掠葉輪有減少離心壓氣機(jī)喘振裕度的趨勢；后掠對吸力面上的二次流流動方向沒有影響，不過對吸力面前緣分離渦及間隙泄漏渦的大小及位置影響明顯；在靠近出口截面上葉片前緣后掠對二次流產(chǎn)生的影響消失，兩種葉輪的二次流渦分布相似；與具有23個葉片擴(kuò)壓器的壓氣機(jī)相比,帶有19個葉片擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍更大，而兩者的效率與壓比沒有明顯變化。高增壓技術(shù)是高升功率車用內(nèi)燃機(jī)的重要技術(shù)瓶頸之一,其關(guān)鍵難點(diǎn)在于高壓比離心壓氣機(jī)內(nèi)部復(fù)雜跨聲速流動導(dǎo)致穩(wěn)定運(yùn)行范圍窄，無法滿足車用工況在高壓比條件下對穩(wěn)定運(yùn)行工作范圍的規(guī)定。目前離心壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)流動控制的自循環(huán)機(jī)匣處理設(shè)計(jì)重要依賴于經(jīng)驗(yàn)，且研究對象重要限于亞聲速壓氣機(jī)。鄭新錢等人為拓寬跨聲速離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，運(yùn)用全三維數(shù)值模擬研究了自循環(huán)機(jī)匣處理構(gòu)造幾何參數(shù)對壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)的作用規(guī)律及機(jī)理,并進(jìn)行了對應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)成果表明，自循環(huán)機(jī)匣處理有效拓寬了在高壓比時的穩(wěn)定工作范圍，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下由20.8%提高到33.6%。高壓比使壓氣機(jī)內(nèi)部流動為跨聲速，其工作過程中葉片負(fù)荷高，葉片兩側(cè)壓差大，葉尖泄漏流動強(qiáng)，葉尖間隙高度對葉輪及擴(kuò)壓器內(nèi)部流場構(gòu)造、做功能力和流動損失影響大，從而影響壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍、壓比及效率，進(jìn)而影響與之匹配的內(nèi)燃機(jī)工況特性線。因此，離心壓氣機(jī)葉尖間隙高度對性能影響的研究受到了研究者的廣泛重視，已刊登文獻(xiàn)重要集中于亞聲速壓氣機(jī)及均勻葉尖間隙高度對壓氣機(jī)壓比和效率的影響：文獻(xiàn)[21-26]認(rèn)為隨間隙高度的增長，離心葉輪或整個壓氣機(jī)級壓比和效率下降。部分文獻(xiàn)描述了軸向或徑向間隙分布的影響：文獻(xiàn)[27]證明葉輪進(jìn)口徑向間隙對于無葉擴(kuò)壓器壓比影響較小，文獻(xiàn)[28]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬表明葉輪尾部間隙的減小使葉輪通道后部尾跡靠近吸力面。郭宮達(dá)、鄭新錢等人對進(jìn)口徑向和出口軸向間隙分布規(guī)律對于葉輪和擴(kuò)壓器壓比和效率的影響展開了研究。采用三維CFD(計(jì)算流體動力學(xué))措施，研究了不一樣葉尖間隙高度弦向分布規(guī)律對跨聲速離心壓氣機(jī)級性能的影響，分析了不一樣間隙高度分布葉尖間隙泄漏渦生成和耗散的機(jī)理，探討了葉輪和擴(kuò)壓器壓比和損失對徑向間隙和軸向間隙的敏感性，評價間隙分布其對內(nèi)燃機(jī)工況特性線的影響。成果表明,葉片弦向非均勻間隙分布能拓展壓氣機(jī)失速邊界，擴(kuò)大內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工作范圍；110mm-012mm壓氣機(jī)效率和壓比均高于012mm-110mm，燃油消耗率低約1g/(kw·h)，是較為理想的間隙分布規(guī)律。詳細(xì)設(shè)計(jì)中要考慮氣動性能,生產(chǎn)和運(yùn)行等多方面的規(guī)定，對的選擇葉尖間隙，實(shí)現(xiàn)高壓比增壓器與內(nèi)燃機(jī)匹配性能最佳。綜上所述，國內(nèi)研究人員對離心壓縮機(jī)的研究重要是通過數(shù)值計(jì)算來進(jìn)行，一般是先用自己開發(fā)的計(jì)算程序或應(yīng)用軟件計(jì)算國外文獻(xiàn)提到的有詳細(xì)試驗(yàn)成果的離心壓縮機(jī)或葉輪（一般多用前文提及的德國宇航院（DFVLR）Krain博士研究的葉輪），通過驗(yàn)證可行后，再用于自己的研發(fā)。一直以來，國內(nèi)外在采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行離心壓縮機(jī)流場測試方面的研究較之設(shè)計(jì)措施的研究則稍顯滯后。運(yùn)行中的離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場測試技術(shù)的重大突破是伴伴隨激光速度測量學(xué)的成功發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的。1970年，Eckardt運(yùn)用Schodld的2倍焦距激光測速計(jì)（Laser-2focus-Velocimeter）對壓比為3的壓縮機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了研究。在20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的激光多普勒測速技術(shù)和2倍焦距激光測速技術(shù)幾乎同步被應(yīng)用于離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場的測量[7]。國內(nèi)上海交通大學(xué)的繆俊、谷傳綱等人研究了激光相位多普勒測速技術(shù)（PDA）在離心壓縮機(jī)葉輪內(nèi)部流場測量中的應(yīng)用，他們采用PDA技術(shù)對試驗(yàn)用離心壓縮機(jī)在小流量工況下葉輪內(nèi)部的流動進(jìn)行了測量，對怎樣在原有適合粒子圖像速度場儀（PIV）測量的試驗(yàn)臺上進(jìn)行PDA測量，并提出了改善意見，分析了小流量工況下流道內(nèi)氣流速度矢量的變化趨勢等流動特性[31]。測試技術(shù)的發(fā)展必將深入推進(jìn)離心壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展。2、離心壓縮機(jī)研究存在的問題及展望在離心壓縮機(jī)中的重要空氣動力學(xué)部件有進(jìn)口渦室、進(jìn)口導(dǎo)葉、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、出口渦室和旁流（或級間抽、加氣）部件等。通過研究人員的長期努力，所有這些部件均伴伴隨制造和分析措施的提高而得到了優(yōu)化，對離心壓縮機(jī)的研究，無論是設(shè)計(jì)理論、措施還是試驗(yàn)手段都獲得了巨大的進(jìn)步，但由于三維流場自身的復(fù)雜性及有關(guān)技術(shù)發(fā)展的限制，使得仍有某些問題有待完善和處理。2.1存在的重要問題葉輪和擴(kuò)壓器是離心壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件，葉輪設(shè)計(jì)與制造的好壞及其與擴(kuò)壓器的匹配狀況將對壓縮機(jī)的性能產(chǎn)生決定性的影響。作為整個壓縮機(jī)來說，軸承的性能及潤滑、密封狀況也將會對壓縮機(jī)性能產(chǎn)生影響。2.1.1葉輪的設(shè)計(jì)與制造伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一批可以應(yīng)用于離心壓縮機(jī)研究的CFD應(yīng)用軟件。目前市場上較常見的有：FLUENT、NUMECA、NREC、CFX、STAR-CD等，這些軟件一般都集中了造型、網(wǎng)格生成、流場計(jì)算及后處理功能。這些軟件的發(fā)展極大地豐富了三元葉輪的設(shè)計(jì)手段，提高了工程設(shè)計(jì)的效率，為設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的三元葉輪發(fā)明了更好的條件。用三元理論設(shè)計(jì)的葉輪葉片形狀一般為空間曲面,葉片及葉輪的加工成型是制造的重點(diǎn),也是難點(diǎn)。對于三元葉輪，常用的加工措施重要有兩種：三體焊形式，也即對輪盤、葉片、輪蓋分別加工然后再焊裝；整體銑制，也就是輪盤和葉片在一起運(yùn)用多坐標(biāo)設(shè)備進(jìn)行整體銑制而得到一種半開式葉輪。為防止干涉，目前國際上對這種葉輪的加工大都是運(yùn)用價格很高的五坐標(biāo)加工中心進(jìn)行。2.1.2葉輪與擴(kuò)壓器的匹配問題在離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，葉輪與擴(kuò)壓器的匹配問題一直以來都是困擾設(shè)計(jì)人員的難題之一。影響葉輪與擴(kuò)壓器匹配的重要原因有：有葉擴(kuò)壓器的喉部面積，葉輪與擴(kuò)壓器之間的間隙，氣動葉型擴(kuò)壓器的稠度，擴(kuò)壓器葉片前緣形狀等。研究發(fā)現(xiàn)變化有葉擴(kuò)壓器的喉部面積可以變化葉輪與擴(kuò)壓器的匹配范圍。當(dāng)有葉擴(kuò)壓器的喉部面積較大時，葉輪與擴(kuò)壓器在流量較大區(qū)域內(nèi)匹配；當(dāng)有葉擴(kuò)壓器的喉部面積較小時，葉輪與擴(kuò)壓壓器葉片前緣所在的半徑與葉輪半徑之比在1.15以上。Kenny認(rèn)為：在擴(kuò)壓器葉片前緣采用器在流量較小區(qū)域內(nèi)匹配。低稠度的氣動葉型擴(kuò)壓器具有較寬的工作范圍，能明顯改善喘振邊界線制。有關(guān)擴(kuò)壓器葉片前緣的最佳位置目前尚未有明確的答案，只是估計(jì)擴(kuò)燕尾槽的方式可以使流出葉輪的渦破碎，從而使流動愈加穩(wěn)定?？傊?，影響葉輪與擴(kuò)壓器匹配問題的原因仍有待深入發(fā)現(xiàn)和處理[19]。2.1.3軸承研發(fā)問題離心式壓縮機(jī)一般采用增速齒輪,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般都在5000r/min以上,目前一般采用滑動軸承,滑動軸承的設(shè)計(jì)也是研制離心壓縮機(jī)的一種重點(diǎn)。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大必然規(guī)定減小軸承和軸之間的摩擦。國內(nèi)在這方面的研究已經(jīng)有數(shù)年，靜壓和動壓空氣軸承已在許多透平機(jī)械中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[18]提出國外已經(jīng)有一種磁力軸承在被應(yīng)用于離心壓縮機(jī)后展示了其優(yōu)良的性能。磁力軸承的一種明顯的長處就是它在轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后是懸浮于軸上的，只要空氣充斥磁力軸承和軸之間的狹小間隙，軸就懸浮在空氣（或其他工作介質(zhì)）中旋轉(zhuǎn)，以至于相對其他類型軸承來說，磁力軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時的摩擦力是可以忽視不計(jì)的，從而轉(zhuǎn)子可以真正實(shí)目前轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和“堵塞”限制范圍內(nèi)以任何速度運(yùn)轉(zhuǎn)。因此有必要加緊磁力軸承應(yīng)用技術(shù)研究。2.2展望離心壓縮機(jī)技術(shù)已經(jīng)靠近空氣動力學(xué)效率的最高極限，但人們還是可以設(shè)法深入提高效率，并增大高效率時的流量范圍。因此，在展望未來的發(fā)展時，人們可以預(yù)測如下方面：愈加精確的葉片型線；愈加不一樣尋常的擴(kuò)壓器；可動形狀的導(dǎo)流葉片、擴(kuò)壓器和回流器；深入改善的密封技術(shù)；和其他某些定子部件的增強(qiáng)。所有這些均要借助于更先進(jìn)的空氣動力學(xué)和機(jī)械分析工具，及計(jì)算機(jī)技術(shù)對真實(shí)狀況所進(jìn)行愈加精確的模擬。離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已經(jīng)獲得了非常大的進(jìn)步，其中許多是得益于在設(shè)計(jì)階段使用的分析工具的變化。假如無法將設(shè)計(jì)師的成果轉(zhuǎn)化成合格的產(chǎn)品，使用再精確的分析措施也是徒勞的。因此，離心壓縮機(jī)性能的提高絕對離不開制造措施的進(jìn)步。如若制造措施不能保證加工精度到達(dá)一位小數(shù)，那么就沒故意義將一種新部件設(shè)計(jì)規(guī)定到三位小數(shù)。因此，用五軸銑制替代三件焊接、用組裝加工方式替代鑄造等措施，使得人們可以制造出更高質(zhì)量的部件，也就獲得了更高的性能。離心壓縮機(jī)的發(fā)展不會停止。伴隨不停地提高能量運(yùn)用效率，人們還會獲得多種各樣的進(jìn)步。原始設(shè)備制造商們還會不懈努力來獲得更高的性能，和更寬的使用范圍?？梢源_信的是，我們一定可以在未來看到離心壓縮機(jī)不停地在進(jìn)步。參考文獻(xiàn)[1] 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