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离心式压气机发展历程离心式压缩机的发展历程(一)0 引言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。提高制造方法是发展现代高性能离心压缩机的一个重要因素。如果不能精确加工出为了提高性能所设计的复杂型线,那么应用现代尖端分析和设计技术就显得意义不大。能够取得当前的高效率水平,与现在的制造方法是密不可分的。不过,这种看法最初并不被认同。在离心压缩机发展的初期阶段,设计水平在一定程度上受到了当时制造方法的限制。设备制造商在进行设计时,不得不使用当时较为有限的几种方法,包括机械加工(即车削、三轴铣制)、联接(即焊接、铆接)和铸造。机械加工技术当时只有车削和三轴铣制。这两种方法只能加工非常简单的二维型线,并被应用在大多数离心压缩机上,但是无法满足大流量和(或)高马赫数的要求。设备制造商必须使用焊接或铸造,来制造应用在较高流量场合的更复杂的型线。事实上,直到20世纪50年代末、60年代初,焊接叶轮还没有被大量的使用。因此,早期离心压缩机的叶轮主要是铸造或者是铆接的。一些最早期的铆接叶轮能够追溯到20世纪20年代。同样,定子部件也是焊接或铸造的。由于当部件相同时,重复铸造能够降低成本;当时提高性能不是考核的关键,大多数设备制造商倾向于使用铸造方法。压缩机机壳使用铸件的方式,直到20世纪50年代还较为普遍。不过铸造部件表面粗糙的特性,决定了在使用它的时候,必须牺牲一些空气动力学性能,但是并不阻碍它能够大量被应用在工艺压缩机中。当时甚至整个通流部分均能够由铸件组成。之后,通流部分部件开始较少使用铸件,而是用焊接、螺栓连接、或铆接的型式来制造。在这些早期压缩机中,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。从图中能够看出,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,能够接近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。未来的提高方向能够有下列几种:(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,不过能够预见,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%,%或1%逐渐地提高了。离心式压缩机的发展历程(二)1空气动力学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。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。下面按照它们对性能影响的重要性的顺序,从高到低地对这些部件进行详细探讨。叶轮离心压缩机获得较高的性能需要优秀的空气动力学设计,而离心式叶轮是其中最为重要的部件。由于被压缩气体所得到的全部能量均是由叶轮传递而来的,所以如果没有很好设计的叶轮,离心压缩机整机性能或每个压缩级是无法取得较高效率的。在过去几十年内,效率的提高,大多通过制造和设计手段的改进来不断完善叶轮型线而取得的。早期的叶轮是通过焊接、钎焊,铆接或铸造所制造的。每种