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离心压气机发展研究报告

离心压缩机发展研究报告

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、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，LeonhardEular建立了叶轮机械中的基本能量方程；LazareCarnot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。

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，FrankWhittle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。

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，FrankWhittle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]。

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

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]。

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]。

叶轮叶片前缘形状对离心压气机性能的影响逐渐提上日程。

迄今为止人们对叶片前缘后掠对离心压气机性能及二次流的影响并没有太多的认识。

由于实验测量的难度大和实验费用昂贵，用数值模拟方法进行计算变得十分重要。

杨策等人采用离心压气机系统设计了叶轮叶片前缘后掠和前缘不掠的离心压气机，扩压器采用楔形扩压器。

分别对这两种压气机进行了内部流场数值计算，利用数值方法得到了前缘后掠叶轮和普通叶轮两个离心压气机的性能，对流场内极限流线和二次流进行了分析。

结果表明，前缘后掠叶轮有降低离心压气机喘振裕度的趋势；后掠对吸力面上的二次流流动方向没有影响，但是对吸力面前缘分离涡及间隙泄漏涡的大小及位置影响明显；在靠近出口截面上叶片前缘后掠对二次流产生的影响消失，两种叶轮的二次流涡分布相同；与具有23个叶片扩压器的压气机相比,带有19个叶片扩压器的离心压气机稳定工作范围更大，而两者的效率与压比没有明显变化。

高增压技术是高升功率车用内燃机的主要技术瓶颈之一,其核心难点在于高压比离心压气机内部复杂跨声速流动导致稳定运行范围窄，无法满足车用工况在高压比条件下对稳定运行工作范围的要求。

目前离心压气机扩稳流动控制的自循环机匣处理设计主要依赖于经验，且研究对象主要限于亚声速压气机。

郑新钱等人为拓宽跨声速离心压气机的稳定工作范围，利用全三维数值模拟研究了自循环机匣处理结构几何参数对压气机扩稳的作用规律及机理,并进行了相应的试验验证，试验结果表明，自循环机匣处理有效拓宽了在高压比时的稳定工作范围，在设计转速下由20.8%提高到33.6%。

高压比使压气机内部流动为跨声速，其工作过程中叶片负荷高，叶片两侧压差大，叶尖泄漏流动强，叶尖间隙高度对叶轮及扩压器内部流场结构、做功能力和流动损失影响大，从而影响压气机稳定工作范围、压比及效率，进而影响与之匹配的内燃机工况特性线。

因此，离心压气机叶尖间隙高度对性能影响的研究受到了研究者的广泛重视，已发表文献主要集中于亚声速压气机及均匀叶尖间隙高度对压气机压比和效率的影响：

文献[21-26]认为随间隙高度的增加，离心叶轮或整个压气机级压比和效率下降。

部分文献描述了轴向或径向间隙分布的影响：

文献[27]证明叶轮进口径向间隙对于无叶扩压器压比影响较小，文献[28]通过实验和数值模拟表明叶轮尾部间隙的减小使叶轮通道后部尾迹靠近吸力面。

郭宫达、郑新钱等人对进口径向和出口轴向间隙分布规律对于叶轮和扩压器压比和效率的影响展开了研究。

采用三维CFD（计算流体动力学）方法，研究了不同叶尖间隙高度弦向分布规律对跨声速离心压气机级性能的影响，分析了不同间隙高度分布叶尖间隙泄漏涡生成和耗散的机理，探讨了叶轮和扩压器压比和损失对径向间隙和轴向间隙的敏感性，评价间隙分布其对内燃机工况特性线的影响。

结果表明,叶片弦向非均匀间隙分布能拓展压气机失速边界，扩大内燃机稳定工作范围；110mm-012mm压气机效率和压比均高于012mm-110mm，燃油消耗率低约1g/（kw·h），是较为理想的间隙分布规律。

具体设计中要考虑气动性能,生产和运行等多方面的要求，正确选择叶尖间隙，实现高压比增压器与内燃机匹配性能最佳。

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[31]。

测试技术的发展必将进一步推动离心压缩机技术的发展。

2、离心压缩机研究存在的问题及展望

在离心压缩机中的主要空气动力学部件有进口涡室、进口导叶、叶轮、扩压器、弯道、回流器、出口涡室和旁流（或级间抽、加气）部件等。

经过研究人员的长期努力，所有这些部件均伴随着制造和分析方法的提高而得到了优化，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

离心压缩机技术已经接近空气动力学效率的最高极限，但人们还是可以设法进一步提高效率，并增大高效率时的流量范围。

因此，在展望未来的发展时，人们可以预测以下方面：

更加精确的叶片型线；更加不同寻常的扩压器；可动形状的导流叶片、扩压器和回流器；进一步改进的密封技术；和其它一些定子部件的增强。

所有这些均要借助于更先进的空气动力学和机械分析工具，及计算机技术对真实情况所进行更加精确的模拟。

离心压缩机的设计、制造技术已经取得了非常大的进步，其中许多是得益于在设计阶段使用的分析工具的改变。

如果无法将设计师的成果转化成合格的产品，使用再精确的分析方法也是徒劳的。

所以，离心压缩机性能的提高绝对离不开制造方法的进步。

如若制造方法不能确保加工精度达到一位小数，那么就没有意义将一个新部件设计要求到三位小数。

因此，用五轴铣制替代三件焊接、用组装加工方式替代铸造等方法，使得人们可以制造出更高质量的部件，也就获得了更高的性能。

离心压缩机的发展不会停止。

随着不断地提高能量利用效率，人们还会取得各种各样的进步。

原始设备制造商们还会不懈努力来获得更高的性能，和更宽的使用范围。

可以确信的是，我们一定可以在未来看到离心压缩机不停地在进步。

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