離心壓縮機優(yōu)化設(shè)計思路概述

壓縮機是把原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機械，分為容積式和透平式兩種。透平式壓縮機是一種葉片式旋轉(zhuǎn)機械，其中氣體壓力的提高是利用葉片和氣體的相互作用來實現(xiàn)的，按照結(jié)構(gòu)分為離心式壓縮機和軸流式壓縮機兩種。離心式壓縮機中氣體壓力的提高，是由于氣體流經(jīng)葉輪時，由于葉輪旋轉(zhuǎn)，使氣體受到離心力的作用而產(chǎn)生壓力，與此同時氣體獲得速度，而氣體流過葉輪，擴壓器等擴張通道時，氣體的流動速度又逐漸減慢從而使氣體壓力得到提高。

設(shè)計一臺離心空壓機包括多方面的內(nèi)容，主要需解決結(jié)構(gòu)設(shè)計，通流部分的選擇和計算，強度與振動計算，工藝設(shè)計，自動控制和調(diào)節(jié)，以及驅(qū)動型式等問題。本文主要討論前兩項。

在離心壓縮機設(shè)計方法上，先后出現(xiàn)了幾何設(shè)計方法，二維氣動設(shè)計方法，準三維氣動設(shè)計方法，全三維氣動設(shè)計方法。以這些方法為理論基礎(chǔ)，建立了離心壓縮機計算機輔助集成設(shè)計系統(tǒng)。這種設(shè)計系統(tǒng)的建立，為高性能離心壓縮機設(shè)計提供了有效工具。

較早用于離心壓縮機葉輪葉片的成形方法是幾何成型方法，這是一種比較簡單的成型方法。國內(nèi)增壓器研究領(lǐng)域在50年代從前蘇聯(lián)引進的徑向葉片的“雙回轉(zhuǎn)中心法”是幾何成型方法中的代表，并在國內(nèi)渦輪增壓器領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該方法成型規(guī)律比較簡單，使用該方法設(shè)計前傾后彎曲線不太可能。于是產(chǎn)生了離心壓縮機葉輪的“骨架成型法”，這種方法可以彌補“雙補轉(zhuǎn)中心法”的不足。但是，成型后彎葉片時，需要數(shù)控銑床。

早期設(shè)計離心壓縮機葉輪時，設(shè)計人員認為葉片型線是由二次曲線組成的，如使用圓弧線，拋物線等代表葉型、輪緣、輪轂型線形狀。使用二次曲線表示的葉片型線形狀的一般表達式為：

式中，r為半徑，z為葉輪軸向坐標，a,b,c,d,e,f為系數(shù)。系數(shù)決定葉輪進口角度和葉型型線。Eckerdt即采用上式設(shè)計了Eckerdt葉輪。Whitfield等人認為葉輪型線可由下式表示：

式中， φ既可代表半徑r也可代表周向角度θ。Krain提出了一個更為復(fù)雜的表達式來定義離心壓縮機葉片型線。隨著設(shè)計、制造技術(shù)的進步，離心壓縮機幾何設(shè)計中廣泛采用的一種成型方法是Bezier多項式法。

對于離心壓縮機葉輪的幾何成型方法，由于在葉片成型過程中沒有考慮葉片表面上載荷分布等氣動問題，不可避免的會對離心壓縮機的性能產(chǎn)生一定的影響。使用這種方法很難設(shè)計出高性能的離心壓縮機。隨著設(shè)計人員研究的深入及技術(shù)上的進步，離心壓縮機幾何成型方法正逐步被氣動成型方法所代替，并相繼出現(xiàn)了二維氣動設(shè)計方法，準三維氣動設(shè)計方法和全三維氣動設(shè)計方法。和軸流式葉輪機械相比，徑流式葉輪機械的氣動設(shè)計方法更為成熟。國外很多葉輪機械研究機構(gòu)已經(jīng)對離心壓縮機氣動設(shè)計研究了幾十年，推出了離心壓縮機計算機輔助集成設(shè)計系統(tǒng)。目前設(shè)計的離心壓縮機大部分是借助種工具完成的。

離心壓縮機的設(shè)計主要是葉輪葉片設(shè)計，葉輪葉片設(shè)計中不可缺少的兩個步驟是葉輪初步設(shè)計和詳細設(shè)計。離心壓縮機設(shè)計系統(tǒng)一般應(yīng)包括初步設(shè)計及性能優(yōu)化計算，性能仿真數(shù)學(xué)模型，葉片成型計算，葉輪應(yīng)力分析計算。各部分的具體功能如下。

1.離心壓縮機葉輪初步設(shè)計及優(yōu)化部分：

采用優(yōu)化方法獲得葉輪主要性能參數(shù)及主要幾何尺寸，性能參數(shù)主要有葉輪進出口速度、進出口氣流角、葉輪旋轉(zhuǎn)速度、壓縮機效率等;結(jié)構(gòu)參數(shù)有進口輪轂、輪轂大小、葉輪軸向長度、葉輪直徑大小等。

2.離心壓縮機性能仿真部分：

使用完善的損失模型對離心壓縮機在設(shè)計工況和非設(shè)計工況下的性能進行模擬。

3.離心壓縮機葉片成型：

根據(jù)給定的葉片在輪緣、輪轂、中間流線上的載荷分布規(guī)律計算葉片在這幾個位置上的葉型角β、周向角θ，通過迭代計算獲得葉片葉型坐標。

4.葉輪內(nèi)部流場流動分析：

對成型的葉輪內(nèi)部流場進行計算，根據(jù)計算結(jié)果判定吸力面和壓力面上的速度分布和壓力分布是否合理。

5.離心壓縮機葉輪應(yīng)力分析：

采用有限元方法計算所設(shè)計葉輪的應(yīng)力分布，進行振動分析。

6.3D結(jié)構(gòu)模型：

確定葉輪幾何形狀和尺寸，進口端部幾何形狀和尺寸。

對離心壓縮機葉輪計算機輔助集成設(shè)計系統(tǒng)的基本要求是有良好用戶界面的交互式圖像系統(tǒng)。這一系統(tǒng)應(yīng)易于使用，易于掌握，并且有很好的前處理和后處理程序。計算輸入數(shù)據(jù)至好在圖形界面上以填空方式完成。這樣做的好處是非常直觀，設(shè)計人員知道輸入數(shù)據(jù)之間的幾何關(guān)系。這種方法利于設(shè)計人員對設(shè)計系統(tǒng)的正確使用，進而提高工作效率。計算獲得的葉輪幾何數(shù)據(jù)應(yīng)輸入到圖形處理軟件中，使用這一軟件完成葉輪的三維造型。后處理程序中一個很重要的功能是盡可能多的提供各個參數(shù)的計算曲線，設(shè)計人員通過這些曲線判定葉輪是否滿足設(shè)計要求。如設(shè)計人員可以根據(jù)這些曲線判斷葉片表面壓力分布是否合理，速度分布是否有突越現(xiàn)象等。同時，一個好的集成系統(tǒng)還應(yīng)具有交互性功能。設(shè)計人員可以通過改變一些參數(shù)分布來改變?nèi)~片形狀，如通過改變輸出的葉片葉型角β分布曲線或葉片周向角θ分布曲線，使系統(tǒng)重新設(shè)計葉片形狀，從而獲得新葉輪并輸出新葉輪的計算結(jié)果。

一個集成系統(tǒng)還應(yīng)具有項目管理功能，這一過程要盡可能的減少設(shè)計人員的工作，它應(yīng)該具有自動地為一個項目的輸入輸出文件命名的功能。對于任意一條曲線，設(shè)計人員通過鼠標按圖形界面上的存儲鍵，即可生成這條曲線的存儲文件，供以后設(shè)計時參考。

一些離心壓縮機葉輪計算機輔助集成設(shè)計系統(tǒng)已經(jīng)在實際中得到應(yīng)用，比較有代表性的有Bruce 和Masme介紹的集成系統(tǒng)和Nojima等人介紹的設(shè)計系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。使用這一集成系統(tǒng)，Nojima等人設(shè)計出一系列高性能離心壓縮機，其設(shè)計性能已經(jīng)得到實驗驗證。

有實例如下所述，使用上文介紹的離心壓縮機葉輪計算機輔助集成設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計一個離心壓縮機葉輪。這個葉輪設(shè)計參數(shù)如下：質(zhì)量流量為19kg/s，葉輪轉(zhuǎn)速為10000r/min，入口旋度為零，出口旋度為178㎡/s,另一出口旋度為183㎡/s，入口滯止壓力為98kPa，入口滯止溫度為303K，葉片數(shù)目為15，葉片前緣傾角為零，葉片尾緣傾角為30°，給定葉片輪緣、輪轂型線形狀。計算中使用40個直線元定義葉片中型面形狀，每次設(shè)計計算中規(guī)定對流線位置計算的迭代次數(shù)較大為20次，規(guī)定在葉片弦長65%處出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。終獲得的葉輪主要尺寸是入口輪緣直徑為0.542m，入口輪轂直徑為0.26m，葉輪直徑為0.976m，設(shè)計效率為0.82，設(shè)計壓比為2.8。

圖2和圖3分別是吸力面和壓力面上的相對速度分布等值線圖的計算結(jié)果。從圖2吸力面上相對速度的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)輪緣處相對速度均大于相同位置上輪轂處速度，未發(fā)現(xiàn)葉輪出口會出現(xiàn)“射流-尾跡”流動現(xiàn)象，這主要是由于采用的流場計算方法比較粗糙所造成的。這種流場計算方法無法獲得真實的葉輪槽道內(nèi)流動現(xiàn)象，這是今后應(yīng)該改進的。

圖4在葉片出口分別為前傾(30°)不傾(0°)和后傾(-30°)三種情況下，保持輪緣型線不變，改變輪轂型線位置情況下葉輪葉片中型面的設(shè)計結(jié)果，以這種方式設(shè)計的葉輪可以更容易比較葉輪載荷分布的變化情況。圖5和圖6分別給出了三種葉片出口傾角下葉片在輪緣和輪轂處速度分布的計算結(jié)果，從圖中可以看出，葉片表面速度分布變化不大，葉片在輪緣輪轂處的載荷分布基本相同。上述結(jié)論還有待于進一步進行大量的計算進行驗證。

在近十年里，徑流式葉輪機械全三維反問題設(shè)計方法取得了飛速的發(fā)展，相繼有一些學(xué)者發(fā)表文章論述這個問題。他們采用規(guī)定葉片表面環(huán)量rCθ分布方法。這一方法的大致過程是：在葉片表面各個點的環(huán)量獲得后，流體速度被分解為平均速度(按葉片節(jié)距平均，下同)和周期速度，這樣可采用Stokes流函數(shù)方法求得軸向和徑向平均速度，三個方向上的周期速度采用Clebsch公式計算。開始計算葉片型線前，除了規(guī)定葉片環(huán)量分布外，還規(guī)定輪緣、輪轂型線形狀，葉片數(shù)目，葉片前緣和葉片尾緣坐標，葉片疊加位置，葉片旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，葉片型線通過迭代計算完成。第一次迭代計算前首先給定初始葉片形狀，接著計算流場，根據(jù)計算的流場重新計算葉片型線。這個過程一直進行下去，直至獲得收斂的計算結(jié)果。結(jié)束的計算結(jié)果不僅給出了葉片形狀，而且還規(guī)除了葉片表面壓力分布和整個內(nèi)部流場速度分布。

較早提出這種方法的人是Tan等。他們使用這種方法設(shè)計了不可壓流動情況下的環(huán)型葉柵，設(shè)計過程中認為葉片為無限薄。計算過程中依靠光滑特征函數(shù)方法把三個方向上的流場變量進行展開，其中徑向采用Bessel函數(shù)，切向使用Fourier級數(shù)，軸向使用Chebyshev多項式。隨后，Dang和Mccune把這種方法用于有限厚度葉片設(shè)計。Borges進一步發(fā)展了這種方法并成功設(shè)計了一臺低速徑流渦輪，計算中采用二階精度差分格式和多重網(wǎng)格技術(shù)。通過對采用環(huán)量分布方法設(shè)計的徑流渦輪和原有渦輪的性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)新葉輪的性能在大部分工作范圍內(nèi)都優(yōu)于原始葉輪。Ghaly、Yang、Zangeneh和Hawthorne把環(huán)量分布方法用于高速徑流式渦輪的設(shè)計。設(shè)計結(jié)果表明，新葉輪的性能均明顯好于舊葉輪的性能。上述設(shè)計中都沒有考慮粘性影響，而在設(shè)計離心壓縮機葉輪時，應(yīng)盡量考慮粘性影響。Zangeneh使用有粘-無粘迭代方法設(shè)計了一臺離心壓縮機葉輪，為了考慮粘性影響，在設(shè)計過程中引入了一個漩渦強度分量代表熵增影響。Zangeneh和GoTo等人還發(fā)展了一種抑制葉輪內(nèi)部二次流動的設(shè)計方法，他們把這種方法用于一個混流泵葉輪的設(shè)計。從試驗結(jié)果和計算結(jié)果來看，他們設(shè)計的葉輪有效地減弱了葉輪槽道內(nèi)二次流動現(xiàn)象，也即減輕了葉輪出口“射流-尾跡” 流動現(xiàn)象。后來Zangeneh把這一方法用于離心泵的設(shè)計。使用全三維反問題方法設(shè)計徑流式葉輪機械的還有Yiu和Zangeneh，把優(yōu)化設(shè)計方法用于高速離心壓縮機葉輪的反設(shè)計中，Zangeneh和Tjohroaminata分別對帶有分流葉片的離心壓縮機和向心渦輪的設(shè)計方法進行了研究。

由以上敘述可以看出，實現(xiàn)能夠葉片表面環(huán)量分布是徑流式葉輪機械三維反設(shè)計中的一種有效方法。這種方法比較直觀，因為環(huán)量分布決定葉片加功量分布。 通過規(guī)定環(huán)量分布設(shè)計葉片的做法是比較合理的。

英國劍橋大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院以及兩校培養(yǎng)的博士在徑流式葉輪機械設(shè)計方面的研究居于國際領(lǐng)先地位。

目前，離心壓縮機葉輪設(shè)計已經(jīng)發(fā)展到了一個很高水平，如有的離心壓縮機葉輪絕熱效率高達95% 。但決定離心壓縮機效率高低的因素絕不僅僅只是葉輪一個因素，而是由很多因素。這些因素包括擴壓器、渦殼等。因此，要想進一步改善離心壓縮機性能，除了要改進離心壓縮機葉輪設(shè)計方法外，還要進一步改善與壓縮機性能密切相關(guān)的一些部件的設(shè)計方法。研究結(jié)果表明，從葉輪流出的氣體，在經(jīng)過擴壓器后，即可使壓縮機效率下降9% 。普遍認為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是其留在離心力和哥氏力作用下使葉輪出口流場分布很不均勻，低速氣流在輪緣和吸力面形成的角區(qū)內(nèi)聚集，導(dǎo)致“射流-尾跡”流動現(xiàn)象的形成。這些氣體在進入擴壓器前和進入擴壓器后，必然會發(fā)生流動分離，從而產(chǎn)生流動損失?？梢?，葉輪和擴壓器之間的匹配對壓縮機效率的影響是非常大的。近年來有很多學(xué)者致力于這方面對研究，如研究擴壓器形狀變化對離心壓縮機性能產(chǎn)生的影響，葉輪出口流場分布變化對擴壓器性能的影響和對整個壓縮機性能的影響，擴壓器進口、擴壓器內(nèi)部、擴壓器出口壓力分布和速度分布的計算和實驗測量等。對上述問題的研究已經(jīng)取得可喜的成果。

現(xiàn)已有把葉輪、擴壓器、渦殼三部分作為一個整體進行研究的方法，也許這種一體化的研究方法為設(shè)計更高效率的離心壓縮機開辟了一個新途徑。

為了進一步提高壓縮機性能，一個值得關(guān)注的課題是離心壓縮機葉尖間隙產(chǎn)生的泄漏流動現(xiàn)象的研究。葉尖間隙泄漏流動對離心壓縮機穩(wěn)定工作范圍和效率都有很大影響。雖說對軸流壓縮機葉尖間隙泄漏流動的研究已經(jīng)比較充分，但對徑流壓縮機的研究依然存在著無法克服的困難。通過對混流泵葉尖間隙泄漏流動的研究發(fā)現(xiàn)，混流泵葉尖間隙泄漏流動產(chǎn)生的流動損失是軸流葉輪機械的三倍。 可以推斷徑流壓縮機產(chǎn)生的葉尖間隙泄漏損失會更大一些。