离心压缩机设计前期思考

摘 要：离心压缩机的前期设计通常依赖于经验，尽管计算机及数值计算方法已经取得巨大的发展，大量工业离心压缩机仍然采用一维及二维设计，CFD计算机仿真流体力学三维分析方法仍然没有成为离心压缩机设计的主要工具。设计工程师的经验在很大程度上决定着设计的成功或失败，CFD工具常常用来验证或优化压缩机的结构及性能，以增强将产品推向市场的信心。叶轮是离心压缩机的关键部件之一，它的设计是离心压缩机成功的关键。选择初始参数和基本尺寸对离心压缩机的设计是非常重要的。扩压器的设计直接影响压缩机的工作范围。扩压器设计得不当将影响离心压缩机的工作范围和级间功率。涡壳的设计同样影响压缩机的性能及使用寿命。设计经验在很大程度上决定着压缩机零部件设计是否成功。本文介绍了设计工程师在离心压缩机空气动力学方面的经验，同时回顾了在公开期刊上发表的关于压缩机设计的一些学术论文，目的是为新产品开发提供一些经验数据供参考。

引言

离心压缩机是通过叶轮旋转所产生的离心力来提高静压。气流沿轴向进入压缩机，然后沿着叶轮的径向脱离，后进入带径向叶片或无叶片的扩压器。气流从扩压器中排出，通过涡壳或收集器将气流送入下一级，如图1所示。排气量在0.35~ 95m3/s的信然离心压缩机效率高、结构紧凑，在工业生产及航空发动机领域都有广泛的应用。离心压缩机的设计过程很复杂，设计人员依靠热力学模型建立设计参数、几何形状和流体力学参数之间的相互物理关系，这些参数的相互关系决定着涡轮机组的性能[1-7]。模型的建立及设计前期考虑需要设计人员在不同学科的经验。为了实现设计的先进性，进行充分的设计前期考虑并建立合适的数学模型是非常必要的。

设计必须满足制造的需要，这一理念已经推行了多年。在设计过程中需要考虑多种方案，后才能使设计达到佳水平。设计方案需要尽可能简单，使用少的零件，使装配容易。这就要求设计工程师在设计前期就仔细考虑并权衡性能与成本。设计工程师需要有经验去评估不同的制造工艺对压缩机效率的影响。尽管CFD计算机仿真流体力学分析方法已经取得相当大的进展，但它仍然不可能在一天时间内就完成流场仿真并给出各种制造工艺过程对压缩机性能的影响。某些制造工艺问题，如表面加工精度，是很难用CFD方法仿真的。这就需要对所有零部件的设计建立整套设计准则。设计准则为设计工程师提供一般的设计依据，尽可能避免重复工作，促使设计一次成功。

九十年代以前大部分研发都集中在提高压缩机的性能上[1、2]。由于CFD的发展及实验研究方法的进步[3-7]，上一世纪压缩机的效率得到很大提高。综和一维及三维设计方法[8、9]，优化了初步设计过程，可以帮助设计工程师加快设计速度。近年来，信然压缩机的设计综合考虑制造成本、机器重量、市场前景及设计工作点及非设计工作点的效率。对工业用压缩机而言，市场对新产品开发速度提出了更高的要求。虽然CFD计算机仿真流体力学分析及FEA有限元分析方法[8、9]使得压缩机的设计速度及效率大大提高，但在性能及可靠性方面仍有很大的发展空间。压缩机的设计仍然是一项非常复杂且花费时间的工作。一个全新的一级离心压缩机的开发，从空气动力学分析，到机械设计，从制造到项目管理，一般需要至少五年。CFD及FEA分析、优化，样机测试同样也是非常大的工作量。在压缩机的设计过程中，设计准则及设计经验是非常重要的。在文献中很少有关于设计考虑及经验的描述。

术语

压缩机设计模型

压缩机的设计开发，要求以短的时间投入市场，同时降低成本、提高性能。为了实现先进压缩机的设计，需要充分考虑压缩机的结构以达到合适的寿命。结构设计及机械加工方面的制约，限制了流体力学设计方案的考虑。结构分析的目的是为了使所有的压缩机零部件能够承受空气动力学及离心力，避免机组的特征频率与主要激振频率重合叠加，从而使其达到一定的使用寿命。与过去相比，结构设计安全系数大大减小。由于FEA有限元分析工具的成熟及材料性能的提高，现代工业压缩机的设计通常取7~12%安全系数。更加精确的结构分析给了空气动力学设计工程师更大的发挥空间，使得压缩机零部件的重量轻、成本低。延长压缩机的寿命不再是设计的主要目标。根据压缩机的使用寿命进行结构设计是比较简单的。效率是压缩机设计理念的基本点，但不像过去那样是中心。开发成本及时间同样是压缩机现代设计的重要关注点。工业压缩机的设计要求一次就达到佳的性能，无须进行二次设计，以降低开发成本，节约开发时间，这就要求设计工程师具备离心压缩机方面的广泛的知识。设计上的仔细考虑可以缩短分析及试验研究的时间。各种各样的设计方案向设计工程师显示了设计领域的复杂性。本文的目的是给新的工程师提供一些信息，帮助他们在开始设计离心压缩机前对设计有个全面的了解。
 压缩机开发模式与几十年前相比已经发生了很大的变化。工业压缩机的设计要求在市场上获得成功而不仅仅是实验室的试验。在过去，压缩机设计工程师在开发团队开发出一个新型压缩机，然后就把这个项目交付生产。制造团队来评估如何以低的成本把它制造出来。某些开发因为不能满足市场要求而被拒绝。新的开发模式要求设计工程师为市场、制造及终端用户而开发。近又提出了一些新的方案[10]。新的开发过程被看作是一个制造与终端用户的集成体系。新的信然压缩机的开发成为一项复杂的系统工程。制造成本低化的压缩机的设计理念已经不够了。压缩机的设计必须考虑制造及终端用户的各个方面。如果“盈余”被定义为制造、终端用户及售后市场的利润总和，那么新的压缩机开发就将关注在“盈余”大化上。在基于盈余价值对终方案做出决定之前，需要考虑很多方案。重要的是，设计工程师在开始进行压缩机的设计前一定要具备各方面的知识。

叶轮的设计

叶轮是离心压缩机设计的关键部件。现今，离心压缩机的效率与过去相比已经有了引人注目的提高。例如，中小型离心机的级效率已经从平均70%增长到了80%。新开发的低比压的信然离心压缩机的效率已经达到了机器可能达到的极限，但中高比压的离心压缩机效率与机器可能达到的水平还有一定的距离。近，离心压缩机设计面临的挑战是如何保证效率达到佳状态，同时增加压缩机的工作范围[5、11]。增加压缩机的工作范围而又不降低其效率是很难做到的。方案上的仔细考虑将有助于减少反复，而使得终设计达到压缩机的设计目标。

宽工作范围压缩机的设计是非常复杂的。设计工程师不仅需要懂得喘振的物理特性而且需要将其经验运用在设计过程中。喘振是与所有零部件有关的压缩机系统的表象。喘振与分离的物理特性至今还不是完全了解。仍然没有任何工具可以扑捉到喘振及分离的全过程。然而，对压缩机的设计工程师来说，了解喘振与分离是非常重要的。许多理论研究都集中在更好地了解这一现象，但至今仍没有一个研究成果可以用做设计工具。事实上，试验过程所观察到的旋转分离现象，如图2所示，人们至今仍然没有完全了解。需要进行更多的理论研究及试验实践，以便在设计过程中将分离现象考虑进系统。宽范围工作压缩机的设计主要依赖于设计工程师对喘振及分离现象的理解。

不同的设计工程师可能使用不同的设计方法。采用什么样的整体布置、曲率、速度、压力曲线等等完全取决于设计工程师。两种完全不同的设计理念可能产生非常相似的性能。例如，由Garret及Pratt Whitney所设计的两种叶轮，如图3所示，从外形上完全不同，但是它们的设计点性能非常相似。由本文作者所设计的叶轮，如图1所示，其外形特征与图3也完全不同。这表明，只要设计工程师遵从一些基本的设计准则，可选择的设计方案是多种多样的。本文中作者将着重讨论一些设计的准则，而不详细讨论叶轮的具体设计方法。读者可以将这些准则应用到他们的设计过程中，获得自己的设计经验，从而实现先进压缩机的设计。

图1展示了上海信然压缩机公司近开发的单级压缩的离心压缩机。图4为六台这款压缩机的平均试验性能特征曲线。曲线显示，在设计点及非设计点压缩机都具有良好的性能。设计满足了低成本的要求，而且允许较大的制造公差。出口间隙很大且不敏感，使得装配很容易。装配了六台机器并按照ASME PTC-10的程序进行了测试。不同机组的绝热效率及压头系数的误差分别在±0.5%及±0.75%以内。根据误差分析[14]，系统总压力、静态压力及温度的测量误差分别在±0.25%，±0.2% 及 ±0.5%。
在压缩机设计的初始阶段无须进行计算机数值模拟分析。选择速度矢量及确定叶片的数量是设计上非常关键的步骤，如果选择不当，将导致分析工作的重复，耗费大量时间。

叶轮的几何外形

离心压缩机的初始设计总是来源于客户需要或市场要求。设计工程师基于性能要求，根据自己的经验，选择基本配置，向客户或市场提供机器的基本性能。为了使其它的工程师可以同时开展工作，有必要对压缩机的基本外形结构作一个较精确的估计，这样才可以在较短的周期内完成开发工作。例如，负责转子动力学及轴承的工程师都依赖于叶轮的信息才能开展工作。基本几何形状的设计不会妨碍叶轮的优化，但它却可以加快设计过程，降低开发成

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