離心壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路概述
壓縮機(jī)是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機(jī)械，分為容積式和透平式兩種。透平式壓縮機(jī)是一種葉片式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其中氣體壓力的提高是利用葉片和氣體的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，按照結(jié)構(gòu)分為離心式壓縮機(jī)和軸流式壓縮機(jī)兩種。離心式壓縮機(jī)中氣體壓力的提高，是由于氣體流經(jīng)葉輪時(shí)，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(shí)氣體獲得速度，而氣體流過(guò)葉輪，擴(kuò)壓器等擴(kuò)張通道時(shí)，氣體的流動(dòng)速度又逐漸減慢從而使氣體壓力得到提高。
設(shè)計(jì)一臺(tái)離心空壓機(jī)包括多方面的內(nèi)容，主要需解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通流部分的選擇和計(jì)算，強(qiáng)度與振動(dòng)計(jì)算，工藝設(shè)計(jì)，自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，以及驅(qū)動(dòng)型式等問(wèn)題。本文主要討論前兩項(xiàng)。
在離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方法上，先后出現(xiàn)了幾何設(shè)計(jì)方法，二維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，準(zhǔn)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。以這些方法為理論基礎(chǔ)，建立了離心壓縮機(jī)計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立，為高性能離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供了有效工具。
較早用于離心壓縮機(jī)葉輪葉片的成形方法是幾何成型方法，這是一種比較簡(jiǎn)單的成型方法。國(guó)內(nèi)增壓器研究領(lǐng)域在50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)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(guó)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(jiǎn)單，使用該方法設(shè)計(jì)前傾后彎曲線不太可能。于是產(chǎn)生了離心壓縮機(jī)葉輪的“骨架成型法”，這種方法可以彌補(bǔ)“雙補(bǔ)轉(zhuǎn)中心法”的不足。但是，成型后彎葉片時(shí)，需要數(shù)控銑床。
早期設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)葉輪時(shí)，設(shè)計(jì)人員認(rèn)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(dá)式為：
式中，r為半徑，z為葉輪軸向坐標(biāo)，a,b,c,d,e,f為系數(shù)。系數(shù)決定葉輪進(jìn)口角度和葉型型線。Eckerdt即采用上式設(shè)計(jì)了Eckerdt葉輪。Whitfield等人認(rèn)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(gè)更為復(fù)雜的表達(dá)式來(lái)定義離心壓縮機(jī)葉片型線。隨著設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的進(jìn)步，離心壓縮機(jī)幾何設(shè)計(jì)中廣泛采用的一種成型方法是Bezier多項(xiàng)式法。
對(duì)于離心壓縮機(jī)葉輪的幾何成型方法，由于在葉片成型過(guò)程中沒(méi)有考慮葉片表面上載荷分布等氣動(dòng)問(wèn)題，不可避免的會(huì)對(duì)離心壓縮機(jī)的性能產(chǎn)生一定的影響。使用這種方法很難設(shè)計(jì)出高性能的離心壓縮機(jī)。隨著設(shè)計(jì)人員研究的深入及技術(shù)上的進(jìn)步，離心壓縮機(jī)幾何成型方法正逐步被氣動(dòng)成型方法所代替，并相繼出現(xiàn)了二維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，準(zhǔn)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法和全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。和軸流式葉輪機(jī)械相比，徑流式葉輪機(jī)械的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法更為成熟。國(guó)外很多葉輪機(jī)械研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)離心壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究了幾十年，推出了離心壓縮機(jī)計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。目前設(shè)計(jì)的離心壓縮機(jī)大部分是借助種工具完成的。
離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)主要是葉輪葉片設(shè)計(jì)，葉輪葉片設(shè)計(jì)中不可缺少的兩個(gè)步驟是葉輪初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)一般應(yīng)包括初步設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化計(jì)算，性能仿真數(shù)學(xué)模型，葉片成型計(jì)算，葉輪應(yīng)力分析計(jì)算。各部分的具體功能如下。
1.離心壓縮機(jī)葉輪初步設(shè)計(jì)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(jìn)出口速度、進(jìn)出口氣流角、葉輪旋轉(zhuǎn)速度、壓縮機(jī)效率等;結(jié)構(gòu)參數(shù)有進(jìn)口輪轂、輪轂大小、葉輪軸向長(zhǎng)度、葉輪直徑大小等。
2.離心壓縮機(jī)性能仿真部分：
使用完善的損失模型對(duì)離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的性能進(jìn)行模擬。
3.離心壓縮機(jī)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(jì)算葉片在這幾個(gè)位置上的葉型角β、周向角θ，通過(guò)迭代計(jì)算獲得葉片葉型坐標(biāo)。
4.葉輪內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)分析：
對(duì)成型的葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)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(jī)葉輪應(yīng)力分析：
采用有限元方法計(jì)算所設(shè)計(jì)葉輪的應(yīng)力分布，進(jìn)行振動(dòng)分析。
6.3D結(jié)構(gòu)模型：
確定葉輪幾何形狀和尺寸，進(jìn)口端部幾何形狀和尺寸。
對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確使用，進(jìn)而提高工作效率。計(jì)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(gè)很重要的功能是盡可能多的提供各個(gè)參數(shù)的計(jì)算曲線，設(shè)計(jì)人員通過(guò)這些曲線判定葉輪是否滿足設(shè)計(jì)要求。如設(shè)計(jì)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(shí)，一個(gè)好的集成系統(tǒng)還應(yīng)具有交互性功能。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)改變一些參數(shù)分布來(lái)改變?nèi)~片形狀，如通過(guò)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(jì)葉片形狀，從而獲得新葉輪并輸出新葉輪的計(jì)算結(jié)果。
一個(gè)集成系統(tǒng)還應(yīng)具有項(xiàng)目管理功能，這一過(guò)程要盡可能的減少設(shè)計(jì)人員的工作，它應(yīng)該具有自動(dòng)地為一個(gè)項(xiàng)目的輸入輸出文件命名的功能。對(duì)于任意一條曲線，設(shè)計(jì)人員通過(guò)鼠標(biāo)按圖形界面上的存儲(chǔ)鍵，即可生成這條曲線的存儲(chǔ)文件，供以后設(shè)計(jì)時(shí)參考。
一些離心壓縮機(jī)葉輪計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)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(jì)系統(tǒng)。這個(gè)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(jì)出一系列高性能離心壓縮機(jī)，其設(shè)計(jì)性能已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
有實(shí)例如下所述，使用上文介紹的離心壓縮機(jī)葉輪計(jì)算機(jī)輔助集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)離心壓縮機(jī)葉輪。這個(gè)葉輪設(shè)計(jì)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(jì)算中使用40個(gè)直線元定義葉片中型面形狀，每次設(shè)計(jì)計(jì)算中規(guī)定對(duì)流線位置計(jì)算的迭代次數(shù)較大為20次，規(guī)定在葉片弦長(zhǎng)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(jì)效率為0.82，設(shè)計(jì)壓比為2.8。
圖2和圖3分別是吸力面和壓力面上的相對(duì)速度分布等值線圖的計(jì)算結(jié)果。從圖2吸力面上相對(duì)速度的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)輪緣處相對(duì)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(huì)出現(xiàn)“射流-尾跡”流動(dòng)現(xiàn)象，這主要是由于采用的流場(chǎng)計(jì)算方法比較粗糙所造成的。這種流場(chǎng)計(jì)算方法無(wú)法獲得真實(shí)的葉輪槽道內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象，這是今后應(yīng)該改進(jìn)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(jì)結(jié)果，以這種方式設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)一步進(jìn)行大量的計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。
在近十年里，徑流式葉輪機(jī)械全三維反問(wèn)題設(shè)計(jì)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(gè)問(wèn)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(guò)程是：在葉片表面各個(gè)點(diǎn)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(gè)方向上的周期速度采用Clebsch公式計(jì)算。開(kāi)始計(jì)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(biāo)，葉片疊加位置，葉片旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，葉片型線通過(guò)迭代計(jì)算完成。第一次迭代計(jì)算前首先給定初始葉片形狀，接著計(jì)算流場(chǎng)，根據(jù)計(jì)算的流場(chǎng)重新計(jì)算葉片型線。這個(gè)過(guò)程一直進(jìn)行下去，直至獲得收斂的計(jì)算結(jié)果。結(jié)束的計(jì)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(gè)內(nèi)部流場(chǎng)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(jì)了不可壓流動(dòng)情況下的環(huán)型葉柵，設(shè)計(jì)過(guò)程中認(rèn)為葉片為無(wú)限薄。計(jì)算過(guò)程中依靠光滑特征函數(shù)方法把三個(gè)方向上的流場(chǎng)變量進(jìn)行展開(kāi)，其中徑向采用Bessel函數(shù)，切向使用Fourier級(jí)數(shù)，軸向使用Chebyshev多項(xiàng)式。隨后，Dang和Mccune把這種方法用于有限厚度葉片設(shè)計(jì)。Borges進(jìn)一步發(fā)展了這種方法并成功設(shè)計(jì)了一臺(tái)低速?gòu)搅鳒u輪，計(jì)算中采用二階精度差分格式和多重網(wǎng)格技術(shù)。通過(guò)對(duì)采用環(huán)量分布方法設(shè)計(jì)的徑流渦輪和原有渦輪的性能進(jìn)行了對(duì)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?gòu)搅魇綔u輪的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(jì)中都沒(méi)有考慮粘性影響，而在設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)葉輪時(shí)，應(yīng)盡量考慮粘性影響。Zangeneh使用有粘-無(wú)粘迭代方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)離心壓縮機(jī)葉輪，為了考慮粘性影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入了一個(gè)漩渦強(qiáng)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(dòng)的設(shè)計(jì)方法，他們把這種方法用于一個(gè)混流泵葉輪的設(shè)計(jì)。從試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果來(lái)看，他們?cè)O(shè)計(jì)的葉輪有效地減弱了葉輪槽道內(nèi)二次流動(dòng)現(xiàn)象，也即減輕了葉輪出口“射流-尾跡” 流動(dòng)現(xiàn)象。后來(lái)Zangeneh把這一方法用于離心泵的設(shè)計(jì)。使用全三維反問(wèn)題方法設(shè)計(jì)徑流式葉輪機(jī)械的還有Yiu和Zangeneh，把優(yōu)化設(shè)計(jì)方法用于高速離心壓縮機(jī)葉輪的反設(shè)計(jì)中，Zangeneh和Tjohroaminata分別對(duì)帶有分流葉片的離心壓縮機(jī)和向心渦輪的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。
由以上敘述可以看出，實(shí)現(xiàn)能夠葉片表面環(huán)量分布是徑流式葉輪機(jī)械三維反設(shè)計(jì)中的一種有效方法。這種方法比較直觀，因?yàn)榄h(huán)量分布決定葉片加功量分布。 通過(guò)規(guī)定環(huán)量分布設(shè)計(jì)葉片的做法是比較合理的。
英國(guó)劍橋大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院以及兩校培養(yǎng)的博士在徑流式葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究居于國(guó)際領(lǐng)先地位。
目前，離心壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)很高水平，如有的離心壓縮機(jī)葉輪絕熱效率高達(dá)95% 。但決定離心壓縮機(jī)效率高低的因素絕不僅僅只是葉輪一個(gè)因素，而是由很多因素。這些因素包括擴(kuò)壓器、渦殼等。因此，要想進(jìn)一步改善離心壓縮機(jī)性能，除了要改進(jìn)離心壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)方法外，還要進(jìn)一步改善與壓縮機(jī)性能密切相關(guān)的一些部件的設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明，從葉輪流出的氣體，在經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓器后，即可使壓縮機(jī)效率下降9% 。普遍認(rèn)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(chǎng)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(dòng)現(xiàn)象的形成。這些氣體在進(jìn)入擴(kuò)壓器前和進(jìn)入擴(kuò)壓器后，必然會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離，從而產(chǎn)生流動(dòng)損失。可見(jiàn)，葉輪和擴(kuò)壓器之間的匹配對(duì)壓縮機(jī)效率的影響是非常大的。近年來(lái)有很多學(xué)者致力于這方面對(duì)研究，如研究擴(kuò)壓器形狀變化對(duì)離心壓縮機(jī)性能產(chǎn)生的影響，葉輪出口流場(chǎng)分布變化對(duì)擴(kuò)壓器性能的影響和對(duì)整個(gè)壓縮機(jī)性能的影響，擴(kuò)壓器進(jìn)口、擴(kuò)壓器內(nèi)部、擴(kuò)壓器出口壓力分布和速度分布的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等。對(duì)上述問(wèn)題的研究已經(jīng)取得可喜的成果。
現(xiàn)已有把葉輪、擴(kuò)壓器、渦殼三部分作為一個(gè)整體進(jìn)行研究的方法，也許這種一體化的研究方法為設(shè)計(jì)更高效率的離心壓縮機(jī)開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。
為了進(jìn)一步提高壓縮機(jī)性能，一個(gè)值得關(guān)注的課題是離心壓縮機(jī)葉尖間隙產(chǎn)生的泄漏流動(dòng)現(xiàn)象的研究。葉尖間隙泄漏流動(dòng)對(duì)離心壓縮機(jī)穩(wěn)定工作范圍和效率都有很大影響。雖說(shuō)對(duì)軸流壓縮機(jī)葉尖間隙泄漏流動(dòng)的研究已經(jīng)比較充分，但對(duì)徑流壓縮機(jī)的研究依然存在著無(wú)法克服的困難。通過(guò)對(duì)混流泵葉尖間隙泄漏流動(dòng)的研究發(fā)現(xiàn)，混流泵葉尖間隙泄漏流動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)損失是軸流葉輪機(jī)械的三倍。 可以推斷徑流壓縮機(jī)產(chǎn)生的葉尖間隙泄漏損失會(huì)更大一些。
