哈工大講課流體機械學科中科學問題與發(fā)展

1、 流體機械學科中科學問題與發(fā)展流體機械學科中科學問題與發(fā)展上海交通大學葉輪機研究所上海交通大學葉輪機研究所谷傳綱教授谷傳綱教授20082008年年8 8月月2 2日日 按我國分類，流體機械是按我國分類，流體機械是動力工程及工程熱物理動力工程及工程熱物理一一級學科下的二級學科。按美國級學科下的二級學科。按美國ASME關于轉動機械分為二關于轉動機械分為二類：類：Power Mech. Eng., Fluids Mech. Eng. 按功能轉換分類：動力機械按功能轉換分類：動力機械能轉換為機械功能轉換為機械功 流體機械流體機械機械功轉換為能機械功轉換為能 流體機械主要包含：壓縮機、鼓風機、通風機、水

2、泵、流體機械主要包含：壓縮機、鼓風機、通風機、水泵、 水輪機及工程系統(tǒng)。是軍工、石化、鋼鐵、冶金、發(fā)電、水輪機及工程系統(tǒng)。是軍工、石化、鋼鐵、冶金、發(fā)電、空調、制冷等行業(yè)中最關鍵的旋轉機械，其工作的高效性空調、制冷等行業(yè)中最關鍵的旋轉機械，其工作的高效性、可靠性與安全性，直接關系到企業(yè)的效益、可靠性與安全性，直接關系到企業(yè)的效益 。 引言引言 流體機械學科的理論基礎為葉輪機械氣動熱力學、流流體機械學科的理論基礎為葉輪機械氣動熱力學、流體力學、氣體動力學、工質熱物性、優(yōu)化設計理論、強度體力學、氣體動力學、工質熱物性、優(yōu)化設計理論、強度與轉子動力學、軸承理論、監(jiān)測與控制、密封技術、現代與轉子動力學

3、、軸承理論、監(jiān)測與控制、密封技術、現代測量技術等學科的交叉。測量技術等學科的交叉。 由于葉輪機械技術涉及軍工、航空、航天、國家重大由于葉輪機械技術涉及軍工、航空、航天、國家重大裝備如煉油、化肥、化纖、乙烯、發(fā)電領域，是一個國家裝備如煉油、化肥、化纖、乙烯、發(fā)電領域，是一個國家整體技術實力的反映，一直受到各國政府、企業(yè)、科研院整體技術實力的反映，一直受到各國政府、企業(yè)、科研院校的極大重視。校的極大重視。一一 學科的概況學科的概況流體機械分類流體機械分類從應用領域分：從應用領域分： 供能：汽輪機、燃氣輪機、水輪機供能：汽輪機、燃氣輪機、水輪機 耗能：壓縮機、風機、水泵、油泵耗能：壓縮機、風機、水泵

4、、油泵 能量回收：軸流、離心，熱泵能量回收：軸流、離心，熱泵, ,增壓器增壓器從工作原理分：從工作原理分：軸流式：大流量、低壓力軸流式：大流量、低壓力離心式：小流量、高壓力離心式：小流量、高壓力容積式容積式：( (齒輪、羅茲、螺桿、回轉、往復齒輪、羅茲、螺桿、回轉、往復) ) 更小流量、更高壓力。更小流量、更高壓力。葉輪機械葉輪機械透平機透平機壓縮機壓縮機離心式離心式軸流式軸流式大流量、低壓頭大流量、低壓頭中小流量、高壓頭中小流量、高壓頭國家重大裝備國家重大裝備中的關鍵轉動中的關鍵轉動設備之一，如設備之一，如大型石化企業(yè)大型石化企業(yè)年產值在幾十年產值在幾十億至幾百億以億至幾百億以上，壓縮機是上

5、，壓縮機是關鍵設備之一關鍵設備之一。機組的高效。機組的高效性與可靠性是性與可靠性是非常重要的。非常重要的。葉輪機分類葉輪機分類流體機械在工業(yè)界應用流體機械在工業(yè)界應用石化行業(yè)：離心壓縮機，少量空氣軸流壓縮機石化行業(yè)：離心壓縮機，少量空氣軸流壓縮機, ,往復式壓往復式壓縮機，能量回收透平縮機，能量回收透平電力行業(yè)：軸流與離心通風機，水泵、油泵，水輪機電力行業(yè)：軸流與離心通風機，水泵、油泵，水輪機鋼鐵、冶金、水泥、車輛、交通、采礦行業(yè)：壓縮機、風鋼鐵、冶金、水泥、車輛、交通、采礦行業(yè)：壓縮機、風機、水泵、油泵機、水泵、油泵制藥、發(fā)酵、酒精行業(yè)：壓縮機、風機、水泵制藥、發(fā)酵、酒精行業(yè)：壓縮機、風機、

6、水泵環(huán)保行業(yè)：污水處理曝氣風機、帶氣水泵、脫硫用風機環(huán)保行業(yè)：污水處理曝氣風機、帶氣水泵、脫硫用風機制冷、空調行業(yè)：批量空調風機，隧道風機，制冷壓縮機制冷、空調行業(yè)：批量空調風機，隧道風機，制冷壓縮機南水北調、西氣東輸：天然氣壓縮機、水泵南水北調、西氣東輸：天然氣壓縮機、水泵燃氣輪機中：軸流與離心壓縮機燃氣輪機中：軸流與離心壓縮機燃氣與氣體行業(yè)：軸流與離心壓縮機燃氣與氣體行業(yè)：軸流與離心壓縮機風力發(fā)電、潮汐發(fā)電、海水淡化風力發(fā)電、潮汐發(fā)電、海水淡化( (熱泵、滲透膜熱泵、滲透膜) )行業(yè)特點：行業(yè)特點：規(guī)模量大面廣規(guī)模量大面廣葉輪式壓縮機與透平的應用葉輪式壓縮機與透平的應用1)1)固定式固定式

7、( (民用壓縮機、透平、通風機、水輪機、水泵民用壓縮機、透平、通風機、水輪機、水泵) ) 煉油工業(yè)：煉化、加氫，采油用壓縮機煉油工業(yè)：煉化、加氫，采油用壓縮機 達達1000 ata1000 ata 化工過程：獲得高溫、高壓：化工過程：獲得高溫、高壓：co2 co2 壓縮機壓縮機 達幾百達幾百ataata 礦山、冶金、鋼鐵：空分裝置、能量回收透平礦山、冶金、鋼鐵：空分裝置、能量回收透平TRTTRT、氧壓機，、氧壓機， 燒結風機燒結風機 發(fā)電用燃機、汽輪機、水輪機、通風機、水泵發(fā)電用燃機、汽輪機、水輪機、通風機、水泵 空調與通風、干燥、凈化、濕化系統(tǒng)用壓縮機、通風機空調與通風、干燥、凈化、濕化系統(tǒng)

8、用壓縮機、通風機2)2)移動式移動式( (軍用軍用) ) 離心壓縮機離心壓縮機+ +向心透平向心透平 軸流、離心壓縮機軸流、離心壓縮機+ +向心透平向心透平( (軸流透平軸流透平) ) 軸流壓縮機軸流壓縮機+ +軸流透平軸流透平 噴水推進，氣墊船的氣墊與動力噴水推進，氣墊船的氣墊與動力流體機械國內外技術發(fā)展方向流體機械國內外技術發(fā)展方向先進的氣動力學、水動力學設計理論與優(yōu)化方法：先進的氣動力學、水動力學設計理論與優(yōu)化方法： 基于模型級的整機優(yōu)化基于模型級的整機優(yōu)化, , 直接優(yōu)化設計直接優(yōu)化設計強度與轉子動力學設計強度與轉子動力學設計氣固、液固耦合設計氣固、液固耦合設計先進制造技術：五座標銑床

9、、真空焊接、動平衡，軸承與密封先進制造技術：五座標銑床、真空焊接、動平衡，軸承與密封監(jiān)測與控制系統(tǒng)監(jiān)測與控制系統(tǒng)高速化、小型化、高壓比、小流量高速化、小型化、高壓比、小流量流體機械設計技術與發(fā)展流體機械設計技術與發(fā)展從一維、二維到三維流場計算從一維、二維到三維流場計算從定常設計到非定常設計從定常設計到非定常設計從以經驗與實驗數據為基礎的設計方法到三多設計從以經驗與實驗數據為基礎的設計方法到三多設計( (多多設計工況、多約束條件、多目標函數設計工況、多約束條件、多目標函數) )與二非與二非( (非定常非定常流與非穩(wěn)定流動流與非穩(wěn)定流動) )設計設計非定常流動引起軸系振動與氣固、流固耦合分析等非定

10、常流動引起軸系振動與氣固、流固耦合分析等葉輪式機械持續(xù)發(fā)展的因素葉輪式機械持續(xù)發(fā)展的因素 1 1基礎理論方面：葉輪機氣動力學，基礎理論方面：葉輪機氣動力學，N-S方程、紊流目前仍處于無解的狀態(tài)。方程、紊流目前仍處于無解的狀態(tài)。CFD軟件是在雷諾時均方程基礎上發(fā)展，有很大的缺陷。其根本的問題軟件是在雷諾時均方程基礎上發(fā)展，有很大的缺陷。其根本的問題是建立在表象法上，并非從物理上尋找本質的東西，其次是數據過多，是建立在表象法上，并非從物理上尋找本質的東西，其次是數據過多，難以分析。難以分析。要解決的實際問題很多：高溫、高壓、高效、高轉速、高推重比，寬工要解決的實際問題很多：高溫、高壓、高效、高轉速

11、、高推重比，寬工況范圍、小型化、安全可靠性的要求，對設計、材料、加工工藝、安裝況范圍、小型化、安全可靠性的要求，對設計、材料、加工工藝、安裝調試，監(jiān)測、控制提出越來越高的要求。調試，監(jiān)測、控制提出越來越高的要求。葉輪式機械持續(xù)發(fā)展的因素葉輪式機械持續(xù)發(fā)展的因素 2 2葉輪機理論并不是一個純理論。葉輪機理論并不是一個純理論。由于葉輪機牽涉到軍事工業(yè)與國家經濟命脈的行業(yè)，各大國均十分重由于葉輪機牽涉到軍事工業(yè)與國家經濟命脈的行業(yè)，各大國均十分重視。如我國視。如我國863863的投入與近年軍工投入、西氣東輸，的投入與近年軍工投入、西氣東輸，2121套發(fā)電用燃機套發(fā)電用燃機等投入。由于葉輪機是提供動力

12、與能源，所以，無論其他如生物，基等投入。由于葉輪機是提供動力與能源，所以，無論其他如生物，基因，微電子技術發(fā)展，仍不能代替葉輪機的作用。因，微電子技術發(fā)展，仍不能代替葉輪機的作用。目前大至目前大至 120120萬千瓦的單機，小至幾十毫米見方的微型燃機。很小的萬千瓦的單機，小至幾十毫米見方的微型燃機。很小的幾十微米的水泵。發(fā)展空間很大。幾十微米的水泵。發(fā)展空間很大。麻省理工開發(fā)的微型燃機移動式離心壓縮機的發(fā)展移動式離心壓縮機的發(fā)展 1 1與軸流相比，流量小，壓比高，效率較低，簡單與軸流相比，流量小，壓比高，效率較低，簡單來自航空推進技術與工業(yè)需求的動力來自航空推進技術與工業(yè)需求的動力 航空推進技

13、術的引入推動了離心壓縮機的發(fā)展。航空推進技術的引入推動了離心壓縮機的發(fā)展。英國的英國的Frank Whittle和德國的和德國的Hans JoachlmPabst von chain分別造出了世界上第一臺噴氣發(fā)動機，分別造出了世界上第一臺噴氣發(fā)動機，他們都使用了離心壓縮機他們都使用了離心壓縮機Von chain的的HeW3B發(fā)動機與發(fā)動機與1939年年4月月27日裝在日裝在亨克爾亨克爾78式戰(zhàn)斗機上完成了世界上第一次噴氣飛式戰(zhàn)斗機上完成了世界上第一次噴氣飛行，安裝行，安裝Whitttle的的WI發(fā)動機的幽靈式發(fā)動機的幽靈式E2839戰(zhàn)戰(zhàn)機于機于1941年年5月月15日第一次飛行。日第一次飛行。

14、移動式離心壓縮機的發(fā)展移動式離心壓縮機的發(fā)展 2 2 Frank Whittle于于1930年年7月申請了噴氣式發(fā)月申請了噴氣式發(fā)動機專利，圖動機專利，圖4和圖和圖5是是Whitttle WI型發(fā)動機的剖型發(fā)動機的剖面圖和轉子圖，裝有一個兩側進氣的單級離心壓面圖和轉子圖，裝有一個兩側進氣的單級離心壓縮機，由同軸的單級透平帶動，使用雙面進氣轉縮機，由同軸的單級透平帶動，使用雙面進氣轉子是為了防止轉子尖部流速超音，并減少軸承承子是為了防止轉子尖部流速超音，并減少軸承承受的軸向力，他曾設想制造單級壓比為受的軸向力，他曾設想制造單級壓比為4的壓縮的壓縮機，當時最高的壓比為機，當時最高的壓比為2.5。早

15、期使用離心式壓縮機與向心式透平的燃機早期使用離心式壓縮機與向心式透平的燃機移動式離心壓縮機的發(fā)展移動式離心壓縮機的發(fā)展 4 4二戰(zhàn)后，離心式壓縮機主要在小型飛行器上得到二戰(zhàn)后，離心式壓縮機主要在小型飛行器上得到廣泛的應用，如直升機和一些小型飛機的輔助動廣泛的應用，如直升機和一些小型飛機的輔助動力裝置。直升機的性能取決于發(fā)動機的性能，尤力裝置。直升機的性能取決于發(fā)動機的性能，尤其式軍用發(fā)動機要有緊湊的結構和高的推重比。其式軍用發(fā)動機要有緊湊的結構和高的推重比。直升機最理想的壓縮機配置是單級壓縮機，主要直升機最理想的壓縮機配置是單級壓縮機，主要是簡單，耐用。對沒有回熱器的燃氣輪機而言，是簡單，耐用

16、。對沒有回熱器的燃氣輪機而言，需要具有高壓比和高的透平進口溫度。這樣，單需要具有高壓比和高的透平進口溫度。這樣，單級離心壓縮機壓比為級離心壓縮機壓比為8：l12：l時，在合理的葉時，在合理的葉尖間隙條件下，級效率需要達到尖間隙條件下，級效率需要達到80。 移動式離心壓縮機的發(fā)展移動式離心壓縮機的發(fā)展 5 5一個替代方法是壓縮機前幾級采用軸流式，最一個替代方法是壓縮機前幾級采用軸流式，最后一級或兩級采用離心式，這種設計常用在公后一級或兩級采用離心式，這種設計常用在公務機的發(fā)動機上，下圖是務機的發(fā)動機上，下圖是RTM332發(fā)動機，單發(fā)動機，單臺功率為臺功率為1369千瓦，最大連續(xù)功率千瓦，最大連續(xù)

17、功率1253千瓦。千瓦。主要用于主要用于NH90直升機。直升機。用在稍大型飛機上的用在稍大型飛機上的 軸馬力可達到軸馬力可達到1750。 固定式離心壓縮機的發(fā)展固定式離心壓縮機的發(fā)展 1 1大流量軸流壓縮機一般效率應在大流量軸流壓縮機一般效率應在0.880.92, 如如GHH、Sulzer、陜鼓采用靜葉可調，俄羅斯一、陜鼓采用靜葉可調，俄羅斯一家原用于軍工生產的基里夫工廠的軸流壓縮機效家原用于軍工生產的基里夫工廠的軸流壓縮機效率高達率高達0.92，涅瓦工廠達到，涅瓦工廠達到0.90左右。左右。大流量的離心壓縮機效率達大流量的離心壓縮機效率達0.85以上，如歐美、以上，如歐美、日、俄諸廠家日、俄

18、諸廠家Demag、Delava、Elliot、Sultzer，新皮隆，日立，三菱，荏原，神戶制鋼所及國內新皮隆，日立，三菱，荏原，神戶制鋼所及國內沈鼓、陜鼓、錦西都能達到此水平左右。沈鼓、陜鼓、錦西都能達到此水平左右。大型煉油、乙烯、化肥、尼龍、等石化企業(yè)中對大型煉油、乙烯、化肥、尼龍、等石化企業(yè)中對離心壓縮機的更苛刻的要求是混合介質在壓縮過離心壓縮機的更苛刻的要求是混合介質在壓縮過程中的物性變化程中的物性變化(如如Cp、粘度、可壓縮性系數等、粘度、可壓縮性系數等)的掌握，特別在臨界點附近的急劇變化。的掌握，特別在臨界點附近的急劇變化。固定式離心壓縮機的發(fā)展固定式離心壓縮機的發(fā)展 2 2目前的

19、關鍵在于高壓比、小流量壓縮機的效率。目前的關鍵在于高壓比、小流量壓縮機的效率。由于小流量壓縮機管道很窄，對整個流道來講，由于小流量壓縮機管道很窄，對整個流道來講，摩擦損失所占的比重很大，因此，效率較難提高。摩擦損失所占的比重很大，因此，效率較難提高。另外，葉輪的效率高低與葉輪的某些尺寸有很大另外，葉輪的效率高低與葉輪的某些尺寸有很大的關系。的關系。如輪廓比如輪廓比Dh、葉輪軸向長度、葉輪軸向長度Z 、葉片形狀在、葉片形狀在一定的一定的D2下如輪廓比下如輪廓比Dh較大；葉片變短，葉較大；葉片變短，葉片負荷增大，一般效率會下降；片負荷增大，一般效率會下降；Z過小，會使流過小，會使流動的轉彎過急，效

20、率也會下降動的轉彎過急，效率也會下降 固定式離心壓縮機的發(fā)展固定式離心壓縮機的發(fā)展 3 3對單軸多級壓氣機來講，軸徑較細或兩軸承間間對單軸多級壓氣機來講，軸徑較細或兩軸承間間距過大，會引起轉子動力學問題因此對單輪多距過大，會引起轉子動力學問題因此對單輪多級壓氣機而言，在高壓（即小流量）時級壓氣機而言，在高壓（即小流量）時, , 一般效一般效率不可能過高率不可能過高. . 如沈鼓、俄羅斯、新皮隆模型級中如沈鼓、俄羅斯、新皮隆模型級中(b2/D20.01) (b2/D20.01) 效率約為效率約為 0.550.55，就已經是國際中上水平了。，就已經是國際中上水平了。 小流量高壓頭葉輪是主攻方向，各

21、種怪葉型很多。小流量高壓頭葉輪是主攻方向，各種怪葉型很多。 國內外民用界軸流、離心壓縮機發(fā)展現狀國內外民用界軸流、離心壓縮機發(fā)展現狀國外公司國外公司 沈陽鼓風機廠：引進意大利新皮隆技術，沈陽鼓風機廠：引進意大利新皮隆技術，Demag、日立部分技術、日立部分技術(離心離心) 陜西鼓風機廠：引進瑞士陜西鼓風機廠：引進瑞士Sulzer技術技術( (軸流軸流) )，俄技術，俄技術( (離心離心) )，三菱，三菱TRTTRT 上海鼓風機廠：引進動葉可調軸流通風機技術上海鼓風機廠：引進動葉可調軸流通風機技術 江津增壓機廠江津增壓機廠: ABB: ABB增壓器，杭氧：離心、增壓器、氧壓機增壓器，杭氧：離心、

22、增壓器、氧壓機 南京燃氣輪機廠：引進南京燃氣輪機廠：引進GEGE幾個型號的許可證，技術含量較低。幾個型號的許可證，技術含量較低。國內情況國內情況 GE, Siemens, Nuovo Pignone, Delava, Demag, GHH, Sultz, Elliot, Ingersoll-Rand, Dresser Rand, ABB，涅瓦工廠，日立，三，涅瓦工廠，日立，三菱、荏原，神戶制鋼所等。菱、荏原，神戶制鋼所等。技術支持方面：如技術支持方面：如NASA, NREC , Concept等。等。 國內外軸流、離心壓縮機設計方法現狀國內外軸流、離心壓縮機設計方法現狀 在葉輪機械氣動力學理論

23、發(fā)展中，以吳仲華先生在葉輪機械氣動力學理論發(fā)展中，以吳仲華先生S1-S2流面理論為流面理論為代表的我國一批專家，如劉高聯、蔡睿賢、王仲奇、徐建中、蔣洪代表的我國一批專家，如劉高聯、蔡睿賢、王仲奇、徐建中、蔣洪德等院士，作出了重大的貢獻，使我國在葉輪機械氣動力學領域在德等院士，作出了重大的貢獻，使我國在葉輪機械氣動力學領域在國際上占據較高的地位。國際上占據較高的地位。 實際設計能力，由于受到材料、加工工藝的限制，與國外發(fā)達國實際設計能力，由于受到材料、加工工藝的限制，與國外發(fā)達國家是有差距的。家是有差距的。 設計方法與理論方面：設計方法與理論方面：技術支持方面：如技術支持方面：如NASA, NR

24、EC , Concept等。等。流場計算流場計算 CFD軟件：軟件：Fluent, Numeca, CFX, Star CD, Phenix2) 設計技術方面設計技術方面 近十年來，國外對我國進行技術封鎖，只出口產品，而近十年來，國外對我國進行技術封鎖，只出口產品，而不出售技術。而同時從不出售技術。而同時從70年代后期起引進的石化大型成套裝年代后期起引進的石化大型成套裝置，都面臨更新換代、挖潛增效的任務，需要開發(fā)自主的氣置，都面臨更新換代、挖潛增效的任務，需要開發(fā)自主的氣動設計方法與技術。動設計方法與技術。中國每年有中國每年有20億元以上的葉輪式壓縮機億元以上的葉輪式壓縮機市場，國外公司進入，

25、國內公司追求發(fā)展，己形成一定的技市場，國外公司進入，國內公司追求發(fā)展，己形成一定的技術市場。術市場。 約約8 家購買家購買 NREC的葉輪機械氣動設計軟件，使用情況的葉輪機械氣動設計軟件，使用情況并不理想。并不理想。3) 發(fā)展方向：高壓、高效、優(yōu)良的變工況性能、小型化發(fā)展方向：高壓、高效、優(yōu)良的變工況性能、小型化 國內仍在運行的進口大型機組的水平國內仍在運行的進口大型機組的水平 國內三十萬噸合成氨（國內三十萬噸合成氨（7575年）機組水平年）機組水平 空壓機（空壓機（101101J J）效率約）效率約 0.7250.725 原料氣壓縮機（原料氣壓縮機（102102J J）效率約）效率約 0.6

26、270.627 合成氣壓縮機（合成氣壓縮機（103-J)103-J)效率約效率約 0.7090.709 氨壓機，氨壓機， CO2CO2壓縮機效率壓縮機效率國內三十萬噸乙烯裝置（國內三十萬噸乙烯裝置（7575年）機組水平年）機組水平 裂解氣壓縮機（裂解氣壓縮機（GB201GB201）效率約）效率約 0.7570.757 丙烯壓縮機（丙烯壓縮機（GB501GB501）效率約）效率約0.750.75 乙烯壓縮機（乙烯壓縮機（GB601GB601）效率約）效率約0.680.68 目前國內外同類機組的水平（目前國內外同類機組的水平（90年代），效率要比年代），效率要比70年代年代的機組高的機組高25以上

27、，因此有必要進行更新或改造以上，因此有必要進行更新或改造CO2壓縮壓縮機的防喘、防振等問題的改造。機的防喘、防振等問題的改造。離心式壓縮機的發(fā)展方向離心式壓縮機的發(fā)展方向 最近最近50年，離心式壓縮機得到了飛速發(fā)展，單年，離心式壓縮機得到了飛速發(fā)展，單級壓比可達到級壓比可達到8:l，現在仍需要更高效率的壓縮，現在仍需要更高效率的壓縮機。機。氣動設計方法的改進：氣動設計方法的改進： 相似設計法相似設計法 設計理論方法設計理論方法+經驗公式經驗公式 實驗方法實驗方法(性能與內部流場性能與內部流場) 機組先進性的標志與發(fā)展方向機組先進性的標志與發(fā)展方向 先進的氣動設計與強度與轉子動力學設計先進的氣動

28、設計與強度與轉子動力學設計 制造技術制造技術( (五座標銑床、焊接五座標銑床、焊接) )與檢測技術與檢測技術 可靠的實際混合氣體熱物性計算可靠的實際混合氣體熱物性計算 軸承、密封技術軸承、密封技術 良好的中冷器與冷凝量計算良好的中冷器與冷凝量計算 安全可靠的運行保障系統(tǒng)安全可靠的運行保障系統(tǒng) 機組先進性的標志主要包括機組的高效率、大工況范圍、高轉速、機組先進性的標志主要包括機組的高效率、大工況范圍、高轉速、小型化、組合化（低價格），精良的制造技術，材料，安全可靠的運小型化、組合化（低價格），精良的制造技術，材料，安全可靠的運行保障等內容行保障等內容 離心式壓縮機的關鍵技術發(fā)展離心式壓縮機的關鍵

29、技術發(fā)展氣動設計方法的發(fā)展：使流體能很順暢地流過氣動設計方法的發(fā)展：使流體能很順暢地流過(最小能量泛函原理最小能量泛函原理)物性計算物性計算(工藝過程中變化、換熱、冷凝工藝過程中變化、換熱、冷凝)尋找一個較好的尋找一個較好的P-Q匹配的設計點匹配的設計點變工況性能曲線變工況性能曲線喘振與失速線之預測喘振與失速線之預測導致現代設計理論與方法導致現代設計理論與方法： 三多與二非三多與二非二二 流體機械氣動設計理念發(fā)展中的前沿問題流體機械氣動設計理念發(fā)展中的前沿問題新一代反命題與優(yōu)化命題研究新一代反命題與優(yōu)化命題研究 葉輪機械三多二非設計理念葉輪機械三多二非設計理念 以往設計：單設計工況，定常以往設

30、計：單設計工況，定常 三多設計：多設計工況，多目標函數、多約束條件三多設計：多設計工況，多目標函數、多約束條件 二非設計：非定常流動、非穩(wěn)定流動設計二非設計：非定常流動、非穩(wěn)定流動設計 基于基于CFD的葉輪機優(yōu)化方法的葉輪機優(yōu)化方法 基于最優(yōu)控制理論離心壓縮機現代設計方法基于最優(yōu)控制理論離心壓縮機現代設計方法流體機械機械設計中的前沿問題流體機械機械設計中的前沿問題 強度與轉子動力學設計，不平衡響應與調頻強度與轉子動力學設計，不平衡響應與調頻 材料材料 氣固耦合與顫振氣固耦合與顫振 制造技術制造技術( (五座標銑床、焊接五座標銑床、焊接) )與檢測技術，氣動設計與與檢測技術，氣動設計與 快速造型

31、技術的配合，激光成形等新技趨快速造型技術的配合，激光成形等新技趨 可靠的實際混合氣體熱物性計算可靠的實際混合氣體熱物性計算 軸承軸承( (氣體、磁懸浮氣體、磁懸浮) )、密封技術、密封技術( (高壓干氣高壓干氣) ) 良好的中冷器與冷凝量計算良好的中冷器與冷凝量計算 安全可靠的運行保障系統(tǒng)、仿真安全可靠的運行保障系統(tǒng)、仿真 流體機械發(fā)展中所蘊藏的科學問題流體機械發(fā)展中所蘊藏的科學問題流體力學以及葉輪機械氣流體力學以及葉輪機械氣( (水水) )動力學的基本理論：動力學的基本理論：關鍵：關鍵：流體是有粘的、各向異性、非線性、非定常流體是有粘的、各向異性、非線性、非定常 N-SN-S方程的不可解。方

32、程的不可解。勢流流動勢流流動-理論流體力學、場論、復變函數、奇點、保理論流體力學、場論、復變函數、奇點、保角變換等發(fā)展到提出的儒可夫斯基機翼理論。角變換等發(fā)展到提出的儒可夫斯基機翼理論。粘流流動：實驗流體力學粘流流動：實驗流體力學 基于邊界層假定基于邊界層假定 歐拉方程與個別歐拉方程與個別N-SN-S方程的特殊解方程的特殊解 N-SN-S方程的數值解與紊流模型數值解。方程的數值解與紊流模型數值解。流體機械發(fā)展中所蘊藏的科學問題流體機械發(fā)展中所蘊藏的科學問題N-S方程的數值解與紊流模型數值解。方程的數值解與紊流模型數值解。非線性系統(tǒng)動力學固有問題非線性系統(tǒng)動力學固有問題非定常流體動力學固有問題非

33、定常流體動力學固有問題非穩(wěn)定流體動力學非穩(wěn)定流體動力學跨、超音速流動跨、超音速流動汽液：汽泡動力學，汽蝕與泥沙微團混合磨損問題汽液：汽泡動力學，汽蝕與泥沙微團混合磨損問題氣固：氣固磨損與分離中的問題氣固：氣固磨損與分離中的問題微尺度部件中流動微尺度部件中流動新一代反命題與優(yōu)化命題研究新一代反命題與優(yōu)化命題研究(存在性、唯一性存在性、唯一性) N-SN-S方程的數值解與紊流模型數值解：方程的數值解與紊流模型數值解：關鍵：關鍵： N-SN-S方程本身可信性問題方程本身可信性問題，數學上存在混沌、，數學上存在混沌、 分岔等一系列難點分岔等一系列難點 N-SN-S方程的雷諾平均方法可信性問題方程的雷諾

34、平均方法可信性問題 雷諾方程?；目尚判詥栴}雷諾方程?；目尚判詥栴}， 基于均勻、各向同性紊流的實驗數據基于均勻、各向同性紊流的實驗數據 傳輸方程的理念是一階的概念，對強非傳輸方程的理念是一階的概念，對強非 線性系統(tǒng)是一種簡單化處理線性系統(tǒng)是一種簡單化處理 生成項、耗散項、源項的?；?，系數的取法生成項、耗散項、源項的模化，系數的取法 計算格式的選取，邊界條件確定計算格式的選取，邊界條件確定 大渦模擬大渦模擬非線性系統(tǒng)動力學固有問題非線性系統(tǒng)動力學固有問題 非線性系統(tǒng)動力學固有問題：非線性系統(tǒng)動力學固有問題： 三論三論( (控制論、系統(tǒng)論、信息論控制論、系統(tǒng)論、信息論) ) 非線性科學是新三論非

35、線性科學是新三論( (突變論、耗散結構論、協同論突變論、耗散結構論、協同論) )的基礎的基礎 1)1)突變論：某一參數改變至臨界值，系統(tǒng)狀態(tài)出現突變，實質上是失突變論：某一參數改變至臨界值，系統(tǒng)狀態(tài)出現突變，實質上是失穩(wěn)。物理上如相變、物種滅亡、戰(zhàn)爭、南北極調換、流體中失速團的穩(wěn)。物理上如相變、物種滅亡、戰(zhàn)爭、南北極調換、流體中失速團的演變、系統(tǒng)喘振、磁滯曲線、喘振環(huán)、材料斷裂、放大器放大率突變演變、系統(tǒng)喘振、磁滯曲線、喘振環(huán)、材料斷裂、放大器放大率突變等。數學上則認為是、微分方程進入失效的固有問題如混沌、分岔、等。數學上則認為是、微分方程進入失效的固有問題如混沌、分岔、極限環(huán)或可能的分數維結

36、構。這是非線性系統(tǒng)的固有特征極限環(huán)或可能的分數維結構。這是非線性系統(tǒng)的固有特征( (如磁滯曲如磁滯曲線、喘振環(huán)的不可能直接返回初始點線、喘振環(huán)的不可能直接返回初始點) )，是避開還是利用，是避開還是利用? ? 非線性系統(tǒng)動力學固有問題非線性系統(tǒng)動力學固有問題 2 2非線性科學是新三論非線性科學是新三論( (突變論、耗散結構論、協同論突變論、耗散結構論、協同論) )的基礎的基礎 2)2)耗散結構論：系統(tǒng)可以在某些條件下穩(wěn)定，沒有耗散的系統(tǒng)必然是耗散結構論：系統(tǒng)可以在某些條件下穩(wěn)定，沒有耗散的系統(tǒng)必然是不穩(wěn)定的，但耗散過大最終停止運動。因此對于一個遠離平衡態(tài)的開不穩(wěn)定的，但耗散過大最終停止運動。因

37、此對于一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)放系統(tǒng)( (指有能量與質量交換，封閉系統(tǒng)一般指有能量交換而無質量指有能量與質量交換，封閉系統(tǒng)一般指有能量交換而無質量交換交換) )通過與外部的能量與質量交換，以及內部的不可逆過程通過與外部的能量與質量交換，以及內部的不可逆過程( (耗散耗散) )，無序的非平衡態(tài)可能失穩(wěn)，某些漲落可能被放大，而使原來的混沌無無序的非平衡態(tài)可能失穩(wěn)，某些漲落可能被放大，而使原來的混沌無序狀態(tài)發(fā)生突變，可能出現穩(wěn)定的有序結構。這種有序結構序狀態(tài)發(fā)生突變，可能出現穩(wěn)定的有序結構。這種有序結構( (無序無序有序有序) )的形成與維持都需要能量的耗散，稱之為耗散結構。如的形成與維持都需要能量

38、的耗散，稱之為耗散結構。如N-SN-S方程方程到雷諾方程到輸運方程，就要制造一種生成、耗散、源項的物理意義到雷諾方程到輸運方程，就要制造一種生成、耗散、源項的物理意義上趨向平衡的結構，邊界層內生成等于耗散的假定等。上趨向平衡的結構，邊界層內生成等于耗散的假定等。 系統(tǒng)失穩(wěn)條件是：遠離平衡態(tài)，動力學過程中有系統(tǒng)失穩(wěn)條件是：遠離平衡態(tài)，動力學過程中有適當的適當的非線性作用非線性作用 非線性系統(tǒng)動力學固有問題非線性系統(tǒng)動力學固有問題 3 3非線性科學是新三論非線性科學是新三論( (突變論、耗散結構論、協同論突變論、耗散結構論、協同論) )的基礎的基礎 3)3)協同論：大系統(tǒng)協同論：大系統(tǒng)( (可以是

39、自然界、人類社會、金融系統(tǒng)可以是自然界、人類社會、金融系統(tǒng)等等) )是許多分層次的、互相聯系的、互相作用但又獨立的是許多分層次的、互相聯系的、互相作用但又獨立的子系統(tǒng)組成。子系統(tǒng)有自發(fā)的無序的獨立運動，但又能互子系統(tǒng)組成。子系統(tǒng)有自發(fā)的無序的獨立運動，但又能互相耦合。如種群數目減少與增生的協同，如大系統(tǒng)多目標相耦合。如種群數目減少與增生的協同，如大系統(tǒng)多目標優(yōu)化的協調解。優(yōu)化的協調解。 非線性系統(tǒng)動力學固有問題非線性系統(tǒng)動力學固有問題4 4流體力學與流體機械內部流動中非線性問題流體力學與流體機械內部流動中非線性問題 相變，如工質冷凝中氣液相平衡問題實際是非平衡態(tài)的問題相變，如工質冷凝中氣液相平

40、衡問題實際是非平衡態(tài)的問題 失速團生成、演變失速團生成、演變 喘振環(huán)喘振環(huán) 系統(tǒng)喘振系統(tǒng)喘振 機翼葉柵大攻角工況的立渦出現機翼葉柵大攻角工況的立渦出現? ? 旋轉園環(huán)中渦帶生成、演變旋轉園環(huán)中渦帶生成、演變( (極限環(huán)極限環(huán)?) ?) 葉片表面紊流斑與自然界紊流斑現象葉片表面紊流斑與自然界紊流斑現象 非定常流體動力學固有問題非定常流體動力學固有問題1 1 速度與壓力傳播的頻率、相位變化速度與壓力傳播的頻率、相位變化 物性粘性、紊流粘性物性粘性、紊流粘性( (流動結構流動結構) )對其影響對其影響 非定常流動數值計算中問題非定常流動數值計算中問題 非定常流動與固體件非定常流動與固體件( (煙囪、

41、橋梁、高樓、葉片煙囪、橋梁、高樓、葉片) )的氣固的氣固 耦合及顫振問題耦合及顫振問題 非定常流動對葉片、機組性能影響非定常流動對葉片、機組性能影響 非定常效應的利用：擴壓空間擺動流、間隙流、強升力非定常效應的利用：擴壓空間擺動流、間隙流、強升力非定常流體動力學固有問題非定常流體動力學固有問題2 2非定常流動設計問題：非定常流動設計問題： 連續(xù)有規(guī)律變化來流，如進氣道疇變，徑向導氣渦殼進氣連續(xù)有規(guī)律變化來流，如進氣道疇變，徑向導氣渦殼進氣 連續(xù)有規(guī)律固壁變化連續(xù)有規(guī)律固壁變化 如直升機翼，如直升機翼， 大型空冷電站風機葉片，風力機葉片大型空冷電站風機葉片，風力機葉片 攻角不敏感葉片設計攻角不敏

42、感葉片設計 Clocking effects Clocking effects 的研究與應用的研究與應用( (性能、降噪性能、降噪) ) 非定常流動的三維分離、極限流線，分離準則等非定常流動的三維分離、極限流線，分離準則等 相鄰葉柵間尾緣與前緣線空間位置分布之降噪相鄰葉柵間尾緣與前緣線空間位置分布之降噪 三三 透平壓縮機優(yōu)化設計方法與原理透平壓縮機優(yōu)化設計方法與原理多級離心壓縮機整體優(yōu)化設計理論與方法多級離心壓縮機整體優(yōu)化設計理論與方法現代最優(yōu)控制理論應用于葉輪機械設計現代最優(yōu)控制理論應用于葉輪機械設計建立離心式壓縮機喘振判斷方法與準則建立離心式壓縮機喘振判斷方法與準則以往的設計：以往的設計：

43、考慮單一設計工況點，定常流場分析考慮單一設計工況點，定常流場分析(基于流線曲率法的各種算法、基于流線曲率法的各種算法、S1-S2流面、流面、有限元法有限元法)葉輪設計葉輪設計強度計算強度計算流場計算流場計算靜子設計靜子設計一維設計一維設計現代設計方法：現代設計方法： 多設計工況點多設計工況點 動、靜干涉，進口非均勻、非定常動、靜干涉，進口非均勻、非定常 系統(tǒng)喘振預測、葉片顫振系統(tǒng)喘振預測、葉片顫振 整機或部件中實際粘性流動分析整機或部件中實際粘性流動分析(N-S方程方程)當今流體機械設計觀念的發(fā)展當今流體機械設計觀念的發(fā)展以往設計：單設計工況，定常以往設計：單設計工況，定常三多設計三多設計(多

44、設計工況，多目標函數、多約束多設計工況，多目標函數、多約束)二非設計二非設計(非定常、非穩(wěn)定設計非定常、非穩(wěn)定設計) 三多設計三多設計(多設計工況、多目標、多約束的優(yōu)化多設計工況、多目標、多約束的優(yōu)化)多設計工況多設計工況：介質組份變化、冷卻溫度、冬夏環(huán)境、正常：介質組份變化、冷卻溫度、冬夏環(huán)境、正常與開工階段等、希望尋找模擬優(yōu)化設計點。與開工階段等、希望尋找模擬優(yōu)化設計點。多目標函數多目標函數：高效、寬工況范圍、低造價。從優(yōu)化理論知，：高效、寬工況范圍、低造價。從優(yōu)化理論知，原則上多目標無最優(yōu)解。希望尋找協調解原則上多目標無最優(yōu)解。希望尋找協調解(從可行解集中求從可行解集中求取取)。多約束條

45、件多約束條件：為了保證設計的可靠性，必須滿足強度、轉：為了保證設計的可靠性，必須滿足強度、轉子動力學與一些氣動方面的約束。帶約束比無約束的優(yōu)化子動力學與一些氣動方面的約束。帶約束比無約束的優(yōu)化在數學上更困難。在數學上更困難。達到優(yōu)化設計的目標達到優(yōu)化設計的目標：即不僅要有高的單設計工況點效率，：即不僅要有高的單設計工況點效率，并且還應該有能滿足多個設計工況的設計以及高效的變工并且還應該有能滿足多個設計工況的設計以及高效的變工況性能和大的喘振裕度來考核機組的綜合先進性。況性能和大的喘振裕度來考核機組的綜合先進性。 二非設計二非設計(非定常、非穩(wěn)定非定常、非穩(wěn)定)非定常流動設計非定常流動設計：葉輪

46、機械內部動、靜部件的干涉、背壓：葉輪機械內部動、靜部件的干涉、背壓的有規(guī)律或無規(guī)律的波動、進氣蝸殼，進氣道中的周向非的有規(guī)律或無規(guī)律的波動、進氣蝸殼，進氣道中的周向非均勻、非定常來流、對葉片氣固耦合、顫振、級性能及整均勻、非定常來流、對葉片氣固耦合、顫振、級性能及整機性能的作用與影響，應該在設計過程中，通過對葉片數、機性能的作用與影響，應該在設計過程中，通過對葉片數、動靜部件間隙與周向位置分布、動靜葉的葉型、擴壓器、動靜部件間隙與周向位置分布、動靜葉的葉型、擴壓器、回流器、蝸殼設計等的控制達到最好效果。回流器、蝸殼設計等的控制達到最好效果。非穩(wěn)定流動設計非穩(wěn)定流動設計：主要針對失速及系統(tǒng)喘振，

47、希望在設計主要針對失速及系統(tǒng)喘振，希望在設計階段能有效地計算出可靠的喘振警戒線與盡可能地擴大喘階段能有效地計算出可靠的喘振警戒線與盡可能地擴大喘振裕度，并通過壓縮系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析得到當發(fā)生喘振時，振裕度，并通過壓縮系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析得到當發(fā)生喘振時，回流的強度、喘振頻率等重要參數，為設置防喘回路與防回流的強度、喘振頻率等重要參數，為設置防喘回路與防喘閥的開啟速度控制提供依據。喘閥的開啟速度控制提供依據。 壓縮機喘振會導致嚴重事故壓縮機喘振會導致嚴重事故非穩(wěn)定流體動力學非穩(wěn)定流體動力學 1物理背景是非定常流動發(fā)展至某一臨時參數，流動發(fā)物理背景是非定常流動發(fā)展至某一臨時參數，流動發(fā)生突變、非穩(wěn)定流動

48、生突變、非穩(wěn)定流動失速與喘振的判斷技術失速與喘振的判斷技術 二非設計二非設計失速與喘振是壓縮機的特殊問題失速與喘振是壓縮機的特殊問題主要解決三個關鍵問題主要解決三個關鍵問題 失速點、喘振點的確定方法與準確度；失速點、喘振點的確定方法與準確度； 如何擴大喘振裕度如何擴大喘振裕度(即擴大工況范圍即擴大工況范圍)； 如何在設計前預測系統(tǒng)的喘振參數，確如何在設計前預測系統(tǒng)的喘振參數，確 定防喘振策略。定防喘振策略。非穩(wěn)定流體動力學非穩(wěn)定流體動力學 2級失速級失速 擴壓器中的流態(tài)。擴壓器中的流態(tài)。 通過葉輪與擴壓器進出口的安裝角與氣流軌跡的流動計算通過葉輪與擴壓器進出口的安裝角與氣流軌跡的流動計算,提出

49、提出實驗數據關聯的準則：實驗數據關聯的準則：Qsurge/Qdes=F( i, a a2, b3/d2, d4/d2) 壓縮系統(tǒng)喘振壓縮系統(tǒng)喘振 (已獲得軟件版權登記已獲得軟件版權登記) 采用小擾動理論、集中參數模型，采用小擾動理論、集中參數模型，通過穩(wěn)定性分析，確定喘振點、喘振頻通過穩(wěn)定性分析，確定喘振點、喘振頻率、強度、回流量。率、強度、回流量。失速與喘振的具體處理失速與喘振的具體處理非穩(wěn)定流體動力學非穩(wěn)定流體動力學 3 遼河油田二缸遼河油田二缸13級進口天然氣壓縮機組設計改造項目級進口天然氣壓縮機組設計改造項目1）氣量減少）氣量減少 經常喘振經常喘振 打回流維持生產打回流維持生產 耗能耗

50、能2）分子量降低）分子量降低 出口壓力降低出口壓力降低 影響后續(xù)工藝影響后續(xù)工藝 減產減產 用戶要求在不改變機殼與轉速的條件下用戶要求在不改變機殼與轉速的條件下: 提高出口壓力，關閉回流閥提高出口壓力，關閉回流閥1525% 73000Nm3/h 遼河油田進口天然氣壓縮機組改造后情況遼河油田進口天然氣壓縮機組改造后情況 改造后完全關閉回流閥，消除喘振與回流，改造后完全關閉回流閥，消除喘振與回流，節(jié)省能源，增加產量，使效益大增。節(jié)省能源，增加產量，使效益大增。 達到與超過達到與超過新皮隆公司的招標書上的技術指標。新皮隆公司的招標書上的技術指標。目前工廠的設計：目前工廠的設計：1)以模型級為基礎，匹

51、配成機以模型級為基礎，匹配成機 2)整機與級都重新設計整機與級都重新設計難點：難點：模型級是離散系統(tǒng)，但許多參數是連續(xù)系統(tǒng)，是混模型級是離散系統(tǒng)，但許多參數是連續(xù)系統(tǒng)，是混合系統(tǒng)優(yōu)化合系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)化目標的確定優(yōu)化目標的確定: 效率高、工況大、價格低效率高、工況大、價格低 多目標系統(tǒng)優(yōu)化，一般無解多目標系統(tǒng)優(yōu)化，一般無解多設計工況情況多設計工況情況：確定最優(yōu)模擬工況點：確定最優(yōu)模擬工況點多約束條件多約束條件：增加求優(yōu)難度、但保證了設計的可行性：增加求優(yōu)難度、但保證了設計的可行性3-1 多級離心壓縮機總體優(yōu)化設計方法多級離心壓縮機總體優(yōu)化設計方法多設計工況點：多設計工況點： 多目標函數：多目標函數：

52、多約束條件：多約束條件：由于介質組份由于介質組份 效率最高效率最高氣動、強度氣動、強度進口溫度、壓力進口溫度、壓力 工況范圍最大工況范圍最大轉子動力學轉子動力學中冷器溫度變化等中冷器溫度變化等 造價最低造價最低等等等等模擬最優(yōu)工況點模擬最優(yōu)工況點折合效率折合效率 三多設計三多設計1)(),(),(),(),(),()(kRkCkPkQkTkPkYpoutinininDSjjGSijiujiZjiBjijiDDSjjGSDSKSkXdh, 2 , 1),(, 2 , 1,),(),(),(),(),(, 2 , 1),()(222狀態(tài)變量：第k個工況點的結構變量：整機效率：整機壓頭：喘振裕度：

53、整機工況范圍: ),),()(1nRTQkXFkinin),),()(2nRTQkXFkPininoutdessQQQmin),),()(min3maxnkXFkQ),),()(4minnQkXFkQs主要 指標基于模型級數據庫上的總體優(yōu)化模型基于模型級數據庫上的總體優(yōu)化模型 多工況優(yōu)化命題的建立，即是從多工況優(yōu)化命題的建立，即是從N個設計工況中尋找個設計工況中尋找達到目標函數極大值的最優(yōu)模擬工況。達到目標函數極大值的最優(yōu)模擬工況。 模擬工況點 的數學表達式： optYmax)()()()(11NkNkoptkTkTkYF滿足以下約束：一般約束：工況約束：0),(yxG0),(yxH多工況優(yōu)化

54、命題多工況優(yōu)化命題 最高效率，年經濟收益、大工況范圍最高效率，年經濟收益、大工況范圍 、低造價、低造價 。旨在考。旨在考慮尋找一個合理的優(yōu)化目標與協調方式。慮尋找一個合理的優(yōu)化目標與協調方式。 max)()()()(kTkTkBkQFoptmax)()()(kTkTkopt折合效率：折合效率：minmaxmaxmin)()(dh折合效率折合效率 目標函數目標函數(泛函泛函)的討論的討論進口流量滿足用戶要求進口流量滿足用戶要求出口壓力滿足用戶要求出口壓力滿足用戶要求單缸中的級數在給定范圍內單缸中的級數在給定范圍內(保證臨界轉速保證臨界轉速)在一般葉片厚度下，圓周速度在給定范圍內在一般葉片厚度下，

55、圓周速度在給定范圍內各段中的最小級數不得小于給定值各段中的最小級數不得小于給定值同一段中模型級的直徑相等，單缸不冷卻時可以變化同一段中模型級的直徑相等，單缸不冷卻時可以變化前面一段中的葉輪直徑比后一段中的葉輪直徑大一檔或相等前面一段中的葉輪直徑比后一段中的葉輪直徑大一檔或相等相鄰兩段中的級數相等或只相差一級相鄰兩段中的級數相等或只相差一級各段的出口溫度必須在防爆防燃的安全范圍內，整機出口溫度各段的出口溫度必須在防爆防燃的安全范圍內，整機出口溫度必須滿足用戶要求必須滿足用戶要求各段直徑在要求范圍內各段直徑在要求范圍內各段出口角在要求范圍內各段出口角在要求范圍內各段相對寬度在要求范圍內各段相對寬度

56、在要求范圍內約束條件的建立約束條件的建立 1每一工況的安全工況范圍滿足用戶要求每一工況的安全工況范圍滿足用戶要求,Qmin(k)Qmin,pr(k)0Qmax,pr(k)Qmax(k)0 k=1,2, N工況約束條件：工況約束條件：約束條件的建立約束條件的建立 2多級離心壓縮機優(yōu)化求優(yōu)方法多級離心壓縮機優(yōu)化求優(yōu)方法選擇優(yōu)化具體算法選擇優(yōu)化具體算法 可求導(梯度法、共軛梯度法等) 直接求優(yōu)法(單純形法等)計算中應注意計算中應注意：優(yōu)化方向，優(yōu)化步長，狀態(tài)方程的形態(tài)，初值靈敏度分析與多次選取。多目標函數的協調優(yōu)化多目標函數的協調優(yōu)化：我們在模型級的基礎上首次建立了混合系統(tǒng)（即系統(tǒng)中同時含有離散變量

57、與連續(xù)變量）的多目標優(yōu)化的非線性規(guī)劃的數學模型，并提出了工程實用的約束條件和解決此類問題的新方法混合搜索法及協調關系法。多設計工況點的示意圖多設計工況點的示意圖某富氣壓縮機改造實例某富氣壓縮機改造實例 通過改變轉速均能到達各工況點要求，并使每個工況點都有一定的喘振裕度。3-2. 現代最優(yōu)控制理論應用于葉輪機械設計現代最優(yōu)控制理論應用于葉輪機械設計最優(yōu)控制理論最優(yōu)控制理論: 由自動控制由自動控制 d/dt 機械設計機械設計 d/dr優(yōu)化命題：優(yōu)化命題：代數方程描述的系統(tǒng)，用數學規(guī)劃理論解決代數方程描述的系統(tǒng)，用數學規(guī)劃理論解決微分方程描述的系統(tǒng)，用最優(yōu)控制理論解決微分方程描述的系統(tǒng)，用最優(yōu)控制理

58、論解決 常微分方程：集中參數最優(yōu)控制常微分方程：集中參數最優(yōu)控制 偏微分方程；分布參數最優(yōu)控制偏微分方程；分布參數最優(yōu)控制必須將由必須將由N-S方程控制的流動過程結合葉輪機械的特點，轉方程控制的流動過程結合葉輪機械的特點，轉化為由常微分方程描述的流動系統(tǒng)，用集中參數最優(yōu)控制理化為由常微分方程描述的流動系統(tǒng)，用集中參數最優(yōu)控制理論解決壓縮機的優(yōu)化設計命題。論解決壓縮機的優(yōu)化設計命題。設計方法內容設計方法內容軸流式與混流式葉片的擴壓因子最優(yōu)流型設計軸流式與混流式葉片的擴壓因子最優(yōu)流型設計方法方法 擴壓通道表面最優(yōu)速度分布研究擴壓通道表面最優(yōu)速度分布研究離心三元葉輪與二元窄葉輪的子午流道與葉片離心三

59、元葉輪與二元窄葉輪的子午流道與葉片形線優(yōu)化設計理論與方法形線優(yōu)化設計理論與方法數學模型引入等環(huán)面積曲線坐標 的各截面的計算方程： 01212122222RtgfCrCrCrCrsAgTriAgmjmumm流量方程： rrdCCgKGthjjmjr rr r0023-2-1 軸流式與混流式葉片軸流式與混流式葉片 的擴壓因子流型設計方法的擴壓因子流型設計方法 首先將該方程中所有非獨立的未知量都化為r 的函數，經整理后得到一個未知變量的一階非線性常微分方程：Cu20222212242232222222122222rSAgrrTarCarCarrCarrCrCRuuuuu根據流型的分布，采用隱式求解

60、，求解上式 擴壓因子流型建模擴壓因子流型建模 尋找最優(yōu)擴壓因子流型分布，在滿足各約束尋找最優(yōu)擴壓因子流型分布，在滿足各約束(控制變量控制變量與狀態(tài)變量、等式與不等式與狀態(tài)變量、等式與不等式)與初、終值條件下，使目標泛與初、終值條件下，使目標泛函（可為效率或總壓比或功量）達到最大值。函（可為效率或總壓比或功量）達到最大值。 數學模型數學模型 “擴充代價函數法擴充代價函數法”“”“連續(xù)變換術連續(xù)變換術” 將不等式狀態(tài)約束轉化為無約束問題將不等式狀態(tài)約束轉化為無約束問題擴壓因子最優(yōu)流型擴壓因子最優(yōu)流型 數學模型數學模型 優(yōu)化命題的數學表述： uddrxxxgrCxddruxxxgddruxxxgdd