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1、离心式压缩机的开展历程(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，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，鼓风机也是大型的设备。虽然在功能上一样，但是以前压缩机中的根本部件如：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。提高制造方法是开展现代
2、高性能离心压缩机的一个重要因素。如果不能准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。在离心压缩机开展的初期阶段，设计水平在一定程度上受到了当时制造方法的限制。设备制造商在进展设计时，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
3、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可以追溯到 20 世纪 20 年代。同样，定子部件也是焊接或铸造的。由于当部件一样时，重复铸造可以降低本钱；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。不过铸造部件外表粗糙的特性，决定了在使用它的时候，必须牺牲一些空气动力学性能，但是并不阻碍它可以大量被应用在工艺压缩机中。当时甚至整个通流局部均可以由铸件组成。之后，通流局部部件开始较少使用铸件，而
4、是用焊接、螺栓连接、或铆接的型式来制造。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本钱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 , 压缩机最高效率的开展过程见图 1 。图中曲线表示流量系数大于 0.080 的离心压缩机根本级。当根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
5、，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，效率得到进一步开展，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，还有一些根本损失即二次流、边界效应、泄漏、气流角度偏差、轴承磨擦等在根本级中是不可防止的。根本损失会将多级离心压缩机的效率限制在90%92%。比照最初的几十年开展阶段，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
6、的投入也很难取得显著提高。未来的提高方向可以有如下几种： 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X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，在未来十年的开展中，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。离心式压缩机的开展历程(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。所有部件均
7、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，从高到低地对部件进展详细探讨。1.1 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的改良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。每种制造方法都会限制叶轮的几何形状，从而限制其性能的获得。在 20 世纪五六十年代，设备制造商开始制造焊接式叶轮。焊接叶轮主要有两种类型
8、：两件焊和三件焊。在两件焊的结构中，叶轮的叶片是被三轴铣制在轮盖或轴盘上，再以角焊缝型式与轴盘或轮盖焊接为一体；由于是三轴铣制，叶片型线实际上是二维的，即由圆形、椭圆或其它二维几何形状组成。这样的结构严重限制了空气动力学的设计，但是这就是当时三轴铣制所能够取得的。此外，为了进展角焊缝焊接，流道必须有足够的宽度来使焊具进入通常 15.25mm 或更大。因此，窄流道的小流量系数的叶轮是无法用焊接来制造，而只有通过贯穿叶片的铆接或铸造来实现，见图2。当叶轮的流量系数较大时0.040 ，叶轮的叶片进口角必须贴近非均匀分布的进口气流角才能获得较好的性能。阐述如下：大流量系数的级，叶轮进口处的圆周速度和子
9、午面速度的分布变化很大，从而使叶轮进口处从轮盖到轴盘分布的接近角的变化很大见图3。圆周速度U1x是一个由不同位置的直径所决定的参数，即大流量系数的级中，从轮盖到轴盘，直径逐渐变大，故此，U1S要比U1H大很多。此外，叶片前缘的当地曲率从轮盖到轴盘方向也在变化。子午面速度Cmx由当地的曲率所决定，所以C1S要大于C1M或C1H4。由于U1x和C1x的变化，从轮盖到轴盘方向的气流接近角也发生变化。为了使得角度能相互接近，就必须使接近角在前缘的变化是三维结构。因为用户不断要求处理更大的流量，众多压缩机制造商也曾经在大流量系数时使用了二维叶片，但是二维型线不能适应大流量时较大的气流进口角，压缩机的性能
10、均不是很好。随着对风机性能要求的不断提高，必须找出方法来制造三维叶片。早期的解决方案是铸造或三件组装焊接或铆接。使用铸造时，假假如前缘角度可以满足进口安装角的要求，那么三维型线可以通过复杂的模具铸造出来；三件组装中所谓的“三件就是轮盖、轴盘和一定数量的叶片。最初的三维设计，叶片型线是由锥体、圆柱体和圆环体组成的，均可以用轧制或冲压来取得。但是，型线虽然改善了安装角，但在整个叶轮流道中还是不准确。越是要求复杂的型线，那么型线就好似是可以任意变化的。由于型线不再是普通的几何形状那样可以简单复制，所以被称为自由型线。自由型线是由空间或网格中的直线元素构成的，这就需要大量的几何体生成软件模块。其中晚期
11、的软件模块至今仍在使用。叶片由模锻或者其它成型方法加工后，再将其与一个用于检查的模块进展比照，来确定其型线是正确的。不过由于弹性变形的存在，叶片还是会与想要得到的型线有偏差。叶片随后与轮盖和轴盘进展焊接或铆接，就形成了叶轮，见图4 。简单或是复杂的各种固定叶片的工具被开发出来，用于减少叶片与叶片之间的位置变化。相对位置变化在铆接叶轮中一般较小，而在焊接叶轮中因焊接与随后的热处理而较大。此外，焊接叶轮必须用喷砂来去除焊渣或焊后热处理时所形成的氧化层，来使外表可以进展着色或者磁粉等无损探伤。但是喷砂会降低外表光洁度，而使得叶轮还要被打磨、抛光或是研磨来达到所要求的光洁度。对叶片型线的准确性与外表光
12、洁度的担心，随着五轴铣制的出现而均被解决了。叶片从此不再采用模锻，而是可以用侧铣或点铣的方式，直接在一个盘型锻件上来铣制出来。叶片可以铣制在轴盘或轮盖，从而减少了一些焊接量。当然，铣制出来的叶片型线要比先前三件组装焊接或铆接的要准确的多。叶片与叶片间的更均匀的空间间隔，就可以获得更好的空气动力学性能。近些年来，制造商开始用一个锻件来加工出整体的闭式叶轮，而不再需要对叶片、轴盘和轮盖进展焊接。每个叶轮流道都是从内侧和外侧伸入后铣制出来的，内侧铣和外侧铣在流道接近中间处会合。这种“无联接结构比任何一种焊接或钎焊的结合强度都好。但很多场合，单件铣制还因其其特性而受到局限。伸入铣制时，在一些流道部位，
13、如果使用通用铣刀是无法到达的。因此，开发了专用的“棒棒糖铣刀，以便加工到难以到达的流道部位，见图 5 。所以，使用铣刀铣制窄流道时，其长径比是有一定限制的。因此，单件铣制一般用于加工大直径、大流量系数的叶轮，即0.040D2381mm。对于设备制造商，制造小流量系数的级也是艰巨的挑战。级在注气、合成气等领域是非常重要的。由于流量小，所以必须开发流道非常窄且准确制造的叶轮。角焊缝一般应用在出口宽度 15mm 以上，并不能在窄流道时使用。铆接在早期有所应用，但是随着运行速度与其引起的高应力的增加，而逐渐被淘汰。代替它的是钎焊和开槽焊，但它们在使用上都有一定的局限性。如果钎焊厚度较大，叶片与其联接的
14、部件轴盘或轮盖的间隙就大，这样就会造成钎焊的联接强度较差。钎焊一般的使用在 0.025mm0.075mm 的间隙。开槽焊会比钎焊的联接强度好一些，但是其轴盘或轮盖的母材与叶片的母材是熔融的，从而容易造成流道变形，这就使得流道宽度比预想的有所偏差，一般都会降低叶轮的性能。虽然钎焊时没有金属熔融，而是一种近似的“机械锁定，对流道宽度控制较好，但是其联接强度还是较低。为了解决以上问题，制造商开始尝试使用一种原来由飞机工业中开展而来的电子束焊接工艺。使用电子束焊接时，叶片与与其焊接的母材，虽然是与钎焊具有“机械锁定一样的特性，但都不是熔融的，所以流道宽度的精度较高。在 20 世纪 90 年代初，开发出
15、一种 EBrazeTM焊接的专利电子束焊接技术，它使用一种兼具电子束焊接和钎焊的方法将轮盖或轴盘与叶片焊接起来。该方法解决了传统电子束焊接未熔融部位应力较大的问题，从而提高了联接的疲劳强度。通过使用各种形式的电子束焊接，可以制造出更准确、更巩固的小流量系数的叶轮。其它制造小流量系数的叶轮的方法还有电火花加工 EDM 和电化学加工 ECM ，它们也可以用一个完整锻件来加工出小流量系数的叶轮。不过，方法均要求在设计小流量系数的叶轮时，就要考虑所有需要加工的部位均可以实际加工到。二维叶型可以使得流道很窄，这样从轴盘到轮盖分布的气流角差异很小。因此，小流量系数的叶轮根本都使用二维叶型。离心式压缩机的开
16、展历程(三)1.2 扩压器扩压器将叶轮压缩过的气体中的一局部动能动压转换到静压势能，并降低了气体的容积流量。离心压缩机的扩压器分：无叶扩压器和叶片扩压器。顾名思义，无叶扩压器中没有叶片；而叶片扩压器中配有叶片。通常，由于扩压器没有叶片，气流流过时就不会与叶片相互干预，故使用无叶扩压器的压缩机的运行工况会很宽。但是，无叶扩压器不能像叶片扩压器那样可以把较多的动能转化为所需的压力能，因此，使用叶片扩压器的级会比使用无叶扩压器的级效率更高，见图6。早期的离心压缩机设计较为简单，其大局部使用无叶扩压器。通过简单的车削就可以加工出组成扩压器的平行或楔形的两壁，而且车削加工可以达到高性能无叶扩压器所需要的外表光洁度。但是，有限的最
