第一台工业上使用的离心压缩机是在人类迈入20 世纪时与早期的燃气轮机一同出现的。其中一些工作是由发明第一台燃气轮机的Elling在1903 年完成的。在20 世纪初期,这些压缩机也被应用在过程工业中。最早应用的是钢铁厂中的高炉鼓风机。例如,某设备制造商(OEM)将第一台7 系列的离心压缩机在1912年销售给了位于美国密苏里州圣路易斯的Scullin 钢铁公司。即使按照现在的标准衡量,这些鼓风机也是大型的设备。虽然在功能上相同,但是以前压缩机中的基本部件如:轴承、密封、叶轮和扩压器等与现在压缩机中复杂内部部件相比,还是有很大的不同。

在早期压缩机中,其主要性能指标只是简单地压缩气体,能量消耗不是主要考核点。随着高能耗所造成的高成本和设备制造商们的竞争升级,越来越有必要开发高性能的离心压缩机。

过去60 年来,压缩机最高效率的发展过程见图1。图中曲线表示流量系数Φ大于0.080 的离心压缩机基本级。当基本级流量系数较小时,由于各种损失的影响,其最高效率相对较低。从图中可以看出,在20 世纪50 年代的最高效率大多分布在70%~75%。那时的能源相对丰富,没有人在意性能相对低的离心压缩机。但是随着20 世纪70 年代中期能源危机的爆发,用户与压缩机制造商开始注重降低能量消耗,使得原动机和压缩机的性能大大提高,压缩机效率达到了80%~85%。在90 年代和本世纪初,效率得到进一步发展,可以接近90%。但是多级离心压缩机工业正在逼近由90%~92%的理论多变效率决定的效率极限。因此,想要设计出效率高于92%的多级工艺离心压缩机几乎是不可能的。显然,牛顿定律和热力学定律就决定了压缩机不可能达到100%的效率。此外,还有一些基本损失(即二次流、边界效应、泄漏、气流角度偏差、轴承磨擦等)在基本级中是不可避免的。这些基本损失会将多级离心压缩机的效率限制在90%~92%。



对比最初的几十年发展阶段,最近十几年来效率的提高幅度相对较小,显然这是由于效率已经被提高至趋于极限,即使大量的投入也很难取得显著提高。未来的提高方向可以有下列几种:(a)考虑从前被认为是次要的、忽略的性能影响因素,如泄漏通道;(b)开发更先进的空气动力学零部件;(c)融合轴流和离心技术。通过这些方法可能获得更高的级或整机效率,但是可能要牺牲一些流量范围。虽然现在所谓的理论效率极限也有可能被打破,不过可以预见,在未来十年的发展中,效率的提高不会像从前有5%或10%的提高,而只能是0.1%,0.5%或1%逐渐地提高了。

分析技术的进步是改善离心压缩机空气动力学过程中很重要的一部分,计算机技术在其中起到了直接的作用。随着计算机技术的发展,人们可以在较短时间内进行更复杂的数学计算,从而能对单个部件或整个压缩机进行更逼真的模型分析。



一维方法

最常见的一维模型是利用“速度三角形”原理。各种基于欧拉方程、伯努利方程、能量方程、角动量方程和其它经验性的模型公式,被用来解决离心机中不同关键部位的子午面方向、切向、相对速度和气流角等问题。这些公式都主要关注在各部件的气流进、出区域,而对中间过程知之甚少。虽然现在人们大多只是用它们来进行一些基本尺寸计算,但它们却是早期透平机械设计者可以使用的唯一方法。

在20世纪50年代早中期,所有设计均使用一维方法进行的,所使用的工具只有计算尺、铅笔、圆规、量角器、图板、白纸以及人类的创造力和智力。尽管当时缺乏先进的计算机和分析程序,人们还是设计了一些非常优秀的压缩机,其中对于军用飞机引擎的开发在这个过程中起到了关键作用。另外,必须反复进行设计-试验,直到试出一个能够达到性能要求的配置。这虽然不是开发压缩机的有效方法,但却是当时唯一可以使用的方法。



二维方法

二维方法在20世纪50年代末期开始被商业化应用,成为设计师开发和分析部件的空气动力学更为先进的一种手段。与一维方法不同,二维方法可以考虑到整个流道的边界条件,包括轴盘和轮盖的轮廓、叶片或导叶的角度和厚度等。

大多的二维方法使用流线曲率法。使用流线曲率准则可以将流道分成相同的质量流量的流管,通过子午面(或轴盘-轮盖)边界的当地曲率和通过流管的质量流量来计算速度。一些准则对于叶片至叶片方向的曲率的变化同样敏感。

可以根据不同的二维流线曲率准则,调整相应的建模参数。其中包括:从进口到出口的计算基点(近似正交直线)的数量、流道分解成流管的数量、损失分布、与几何特性相符的曲线及与回归结果的容差。



三维方法

三维计算流体力学(CFD)是用来计算空气动力学的最精确的分析技术。它在20世纪80年代末期开始广泛应用于工业压缩机产业中,为人们了解旋转叶轮和固定部件及其相互影响提供了大跨步的技术飞跃。

三维计算流体力学利用计算网格将流道分解成很小的多面体,从而使空气动力学分析可以象有限元分析那样进行。因此,这种方法比其它任何方法,更能反映空气动力学部件的尺寸形状的所有特征,并提供了流体物理现象的更加全面的模拟近似。且由于能识别流场中不良位置并可以将其消除或减小,故此可以获得优秀的性能。

早期计算流体力学由于受到计算时间的限制,主要用于计算单个部件,尤其是叶轮。但是到20世纪90年代的中后期,随着更先进的分析方法和计算机的出现,人们可以对包含多个部件的计算区域进行计算,甚至能进行非稳定分析,评估瞬时或随时间变化的流量、压力或温度波动如何影响部件或级的性能。这些分析方法是最接近压缩机中真实流体物理现象的。

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。





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