離心式壓氣機(jī)發(fā)展歷程

離心式壓氣機(jī)發(fā)展歷程離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (一)引言第一臺(tái)工業(yè)上使用的離心壓縮機(jī)是在人類邁入20世紀(jì)時(shí)與早期的燃?xì)廨啓C(jī)一同出現(xiàn)的。其中一些工作是由發(fā)明第一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的Elling在1903年完成的。在20世紀(jì)初期，這些壓縮機(jī)也被應(yīng)用在過程工業(yè)中。最早應(yīng)用的是鋼鐵廠中的高爐鼓風(fēng)機(jī)。例如，某設(shè)備制造商（OEM）將第一臺(tái)7系列的離心壓縮機(jī)在1912年銷售給了位于美國(guó)密蘇里州圣路易斯的Scullin鋼鐵公司。即使按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)衡量，這些鼓風(fēng)機(jī)也是大型的設(shè)備。雖然在功能上相同，但是以前壓縮機(jī)中的基本部件如：軸承、密封、葉輪和擴(kuò)壓器等與現(xiàn)在壓縮機(jī)中復(fù)雜內(nèi)部部件相比，還是有很大的不同。提高制造方法是發(fā)展現(xiàn)代高性能離心壓縮機(jī)的一個(gè)重要因素。如果不能精確加工出為了提高性能所設(shè)計(jì)的復(fù)雜型線，那么應(yīng)用現(xiàn)代尖端分析和設(shè)計(jì)技術(shù)就顯得意義不大。能夠取得當(dāng)前的高效率水平，與現(xiàn)在的制造方法是密不可分的。不過，這種看法最初并不被認(rèn)同。在離心壓縮機(jī)發(fā)展的初期階段，設(shè)計(jì)水平在一定程度上受到了當(dāng)時(shí)制造方法的限制。設(shè)備制造商在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不得不使用當(dāng)時(shí)較為有限的幾種方法，包括機(jī)械加工（即車削、三軸銑制）、聯(lián)接（即焊接、鉚接）和鑄造。機(jī)械加工技術(shù)當(dāng)時(shí)只有車削和三軸銑制。這兩種方法只能加工非常簡(jiǎn)單的二維型線，并被應(yīng)用在大多數(shù)離心壓縮機(jī)上，但是無法滿足大流量和（或）高馬赫數(shù)的要求。設(shè)備制造商必須使用焊接或鑄造，來制造應(yīng)用在較高流量場(chǎng)合的更復(fù)雜的型線。事實(shí)上，直到20世紀(jì)50年代末、年代初，焊接葉輪還沒有被大量的使用。因此，早期離心壓縮機(jī)的葉輪主要是鑄造或者是鉚接的。一些最早期的鉚接葉輪可以追溯到20世紀(jì)20年代。同樣，定子部件也是焊接或鑄造的。由于當(dāng)部件相同時(shí)，重復(fù)鑄造可以降低成本；當(dāng)時(shí)提高性能不是考核的關(guān)鍵，大多數(shù)設(shè)備制造商傾向于使用鑄造方法。壓縮機(jī)機(jī)殼使用鑄件的方式，直到20世紀(jì)50年代還較為普遍。不過鑄造部件表面粗糙的特性，決定了在使用它的時(shí)候，必須犧牲一些空氣動(dòng)力學(xué)性能，但是并不阻礙它可以大量被應(yīng)用在工藝壓縮機(jī)中。當(dāng)時(shí)甚至整個(gè)通流部分均可以由鑄件組成。之后，通流部分部件開始較少使用鑄件，而是用焊接、螺栓連接、或鉚接的型式來制造。在這些早期壓縮機(jī)中，其主要性能指標(biāo)只是簡(jiǎn)單地壓縮氣體，能量消耗不是主要考核點(diǎn)。隨著高能耗所造成的高成本和設(shè)備制造商們的競(jìng)爭(zhēng)升級(jí)，越來越有必要開發(fā)高性能的離心壓縮機(jī)。過去60年來,壓縮機(jī)最高效率的發(fā)展過程見圖1。圖中曲線表示流量系數(shù)φ大于0.080的離心壓縮機(jī)基本級(jí)。當(dāng)基本級(jí)流量系數(shù)較小時(shí)，由于各種損失的影響，其最高效率相對(duì)較低。從圖中可以看出，在20世紀(jì)50年代的最高效率大多分布在70%～75%。那時(shí)的能源相對(duì)豐富，沒有人在意性能相對(duì)低的離心壓縮機(jī)。但是隨著20世紀(jì)70年代中期能源危機(jī)的爆發(fā)，用戶與壓縮機(jī)制造商開始注重降低能量消耗，使得原動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)的性能大大提高，壓縮機(jī)效率達(dá)到了80%～85%。在90年代和本世紀(jì)初，效率得到進(jìn)一步發(fā)展，可以接近90%。但是多級(jí)離心壓縮機(jī)工業(yè)正在逼近由90%～92%的理論多變效率決定的效率極限。因此，想要設(shè)計(jì)出效率高于92%的多級(jí)工藝離心壓縮機(jī)幾乎是不可能的。顯然，牛頓定律和熱力學(xué)定律就決定了壓縮機(jī)不可能達(dá)到100%的效率。此外，還有一些基本損失（即二次流、邊界效應(yīng)、泄漏、氣流角度偏差、軸承磨擦等）在基本級(jí)中是不可避免的。這些基本損失會(huì)將多級(jí)離心壓縮機(jī)的效率限制在90%～92%。對(duì)比最初的幾十年發(fā)展階段，最近十幾年來效率的提高幅度相對(duì)較小，顯然這是由于效率已經(jīng)被提高至趨于極限，即使大量的投入也很難取得顯著提高。未來的提高方向可以有下列幾種：a）考慮從前被認(rèn)為是次要的、忽略的性能影響因素，如泄漏通道；（b）開發(fā)更先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)零部件；（c）融合軸流和離心技術(shù)。通過這些方法可能獲得更高的級(jí)或整機(jī)效率，但是可能要犧牲一些流量范圍。雖然現(xiàn)在所謂的理論效率極限也有可能被打破，不過可以預(yù)見，在未來十年的發(fā)展中，效率的提高不會(huì)像從前有5%或10%的提高，而只能是0.1%，0.5%或1%逐漸地提高了。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (二)空氣動(dòng)力學(xué)在離心壓縮機(jī)中的主要空氣動(dòng)力學(xué)部件有進(jìn)口渦室、進(jìn)口導(dǎo)葉、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、出口渦室和旁流（或級(jí)間抽、加氣）部件等。所有這些部件均伴隨著制造和分析方法的提高而得到了優(yōu)化。下面按照它們對(duì)性能影響的重要性的順序，從高到低地對(duì)這些部件進(jìn)行詳細(xì)探討。1.1 葉輪離心壓縮機(jī)獲得較高的性能需要優(yōu)秀的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，而離心式葉輪是其中最為重要的部件。由于被壓縮氣體所得到的全部能量均是由葉輪傳遞而來的，所以如果沒有很好設(shè)計(jì)的葉輪，離心壓縮機(jī)整機(jī)性能或每個(gè)壓縮級(jí)是無法取得較高效率的。在過去幾十年內(nèi)，效率的提高，大多通過制造和設(shè)計(jì)手段的改進(jìn)來不斷完善葉輪型線而取得的。早期的葉輪是通過焊接、釬焊，鉚接或鑄造所制造的。每種制造方法都會(huì)限制葉輪的幾何形狀，從而限制其性能的獲得。在20世紀(jì)五六十年代，設(shè)備制造商開始制造焊接式葉輪。焊接葉輪主要有兩種類型：兩件焊和三件焊。在兩件焊的結(jié)構(gòu)中，葉輪的葉片是被三軸銑制在輪蓋（或軸盤）上，再以角焊縫型式與軸盤（或輪蓋）焊接為一體；由于是三軸銑制，葉片型線實(shí)際上是二維的，即由圓形、橢圓或其它二維幾何形狀組成。這樣的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重限制了空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，但是這就是當(dāng)時(shí)三軸銑制所能夠取得的。此外，為了進(jìn)行角焊縫焊接，流道必須有足夠的寬度來使焊具進(jìn)入（通常15.25mm或更大）。因此，窄流道的小流量系數(shù)的葉輪是無法用焊接來制造，而只有通過貫穿葉片的鉚接或鑄造來實(shí)現(xiàn)，見圖2。當(dāng)葉輪的流量系數(shù)較大時(shí)（φ>0.040），葉輪的葉片進(jìn)口角必須貼近非均勻分布的進(jìn)口氣流角才能獲得較好的性能。闡述如下：大流量系數(shù)的級(jí)，葉輪進(jìn)口處的圓周速度和子午面速度的分布變化很大，從而使葉輪進(jìn)口處從輪蓋到軸盤分布的接近角的變化很大見圖3。圓周速度U1x）是一個(gè)由不同位置的直徑所決定的參數(shù)，即大流量系數(shù)的級(jí)中，從輪蓋到軸盤，直徑逐漸變大，故此，U1S要比U1H大很多。此外，葉片前緣的當(dāng)?shù)厍蕪妮喩w到軸盤方向也在變化。子午面速度（Cmx）由當(dāng)?shù)氐那仕鶝Q定，所以C1S要大于C1M或[4]。C1H由于U1x和C1x的變化，從輪蓋到軸盤方向的氣流接近角也發(fā)生變化。為了使得這些角度能相互接近，就必須使接近角在前緣的變化是三維結(jié)構(gòu)。因?yàn)橛脩舨粩嘁筇幚砀蟮牧髁?，眾多壓縮機(jī)制造商也曾經(jīng)在大流量系數(shù)時(shí)使用了二維葉片，但是二維型線不能適應(yīng)大流量時(shí)較大的氣流進(jìn)口角，這些壓縮機(jī)的性能均不是很好。隨著對(duì)風(fēng)機(jī)性能要求的不斷提高，必須找出方法來制造三維葉片。早期的解決方案是鑄造或三件組裝（焊接或鉚接）。使用鑄造時(shí)，假若前緣角度可以滿足進(jìn)口安裝角的要求，那么三維型線可以通過復(fù)雜的模具鑄造出來；三件組裝中所謂的“三件”就是輪蓋、軸盤和一定數(shù)量的葉片。最初的三維設(shè)計(jì)，葉片型線是由錐體、圓柱體和圓環(huán)體組成的，這些均可以用軋制或沖壓來取得。但是，這些型線雖然改善了安裝角，但在整個(gè)葉輪流道中還是不精確。越是要求復(fù)雜的型線，那么型線就好像是可以任意變化的。由于型線不再是普通的幾何形狀那樣可以簡(jiǎn)單復(fù)制，所以被稱為自由型線。自由型線是由空間或網(wǎng)格中的直線元素構(gòu)成的，這就需要大量的幾何體生成軟件模塊。其中晚期的軟件模塊至今仍在使用。葉片由模鍛或者其它成型方法加工后，再將其與一個(gè)用于檢查的模塊進(jìn)行對(duì)比，來確定其型線是正確的。不過由于彈性變形的存在，葉片還是會(huì)與想要得到的型線有偏差。葉片隨后與輪蓋和軸盤進(jìn)行焊接或鉚接，就形成了葉輪，見圖4。簡(jiǎn)單或是復(fù)雜的各種固定葉片的工具被開發(fā)出來，用于減少葉片與葉片之間的位置變化。這些相對(duì)位置變化在鉚接葉輪中一般較小，而在焊接葉輪中因焊接及隨后的熱處理而較大。此外，焊接葉輪必須用噴砂來去除焊渣或焊后熱處理時(shí)所形成的氧化層，來使表面可以進(jìn)行著色或者磁粉等無損探傷。但是噴砂會(huì)降低表面光潔度，而使得葉輪還要被打磨、拋光或是研磨來達(dá)到所要求的光潔度。對(duì)葉片型線的精確性及表面光潔度的擔(dān)心，隨著五軸銑制的出現(xiàn)而均被解決了。 葉片從此不再采用模鍛，而是可以用側(cè)銑或點(diǎn)銑的方式，直接在一個(gè)盤型鍛件上來銑制出來。 葉片可以銑制在軸盤（或輪蓋），從而減少了一些焊接量。當(dāng)然，銑制出來的葉片型線要比先前三件組裝（焊接或鉚接）的要精確的多。葉片與葉片間的更均勻的空間間隔，就可以獲得更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能。近些年來，制造商開始用一個(gè)鍛件來加工出整體的閉式葉輪，而不再需要對(duì)葉片、軸盤和輪蓋進(jìn)行焊接。每個(gè)葉輪流道都是從內(nèi)側(cè)和外側(cè)伸入后銑制出來的，內(nèi)側(cè)銑和外側(cè)銑在流道接近中間處會(huì)合。這種“無聯(lián)接”結(jié)構(gòu)比任何一種焊接或釬焊的結(jié)合強(qiáng)度都好。但很多場(chǎng)合，單件銑制還因其其特性而受到局限。伸入銑制時(shí)，在一些流道部位，如果使用通用銑刀是無法到達(dá)的。因此，開發(fā)了專用的“棒棒糖”銑刀，以便加工到難以到達(dá)的流道部位，見圖5。所以，使用銑刀銑制窄流道時(shí)，其長(zhǎng)徑比是有一定限制的。因此，單件銑制一般用于加工大直徑、大流量系數(shù)的葉輪，即φ>0.040 D2>381mm。對(duì)于設(shè)備制造商，制造小流量系數(shù)的級(jí)也是艱巨的挑戰(zhàn)。這些級(jí)在注氣、合成氣等領(lǐng)域是非常重要的。由于流量小，所以必須開發(fā)流道非常窄且精確制造的葉輪。角焊縫一般應(yīng)用在出口寬度15mm以上，并不能在窄流道時(shí)使用。鉚接在早期有所應(yīng)用，但是隨著運(yùn)行速度及其引起的高應(yīng)力的增加，而逐漸被淘汰。代替它的是釬焊和開槽焊，但它們?cè)谑褂蒙隙加幸欢ǖ木窒扌浴Ｈ绻F焊厚度較大，葉片與其聯(lián)接的部件（軸盤或輪蓋）的間隙就大，這樣就會(huì)造成釬焊的聯(lián)接強(qiáng)度較差。釬焊一般的使用在0.025mm～0.075mm的間隙。開槽焊會(huì)比釬焊的聯(lián)接強(qiáng)度好一些，但是其軸盤（或輪蓋）的母材與葉片的母材是熔融的，從而容易造成流道變形，這就使得流道寬度比預(yù)想的有所偏差，一般都會(huì)降低葉輪的性能。雖然釬焊時(shí)沒有金屬熔融，而是一種近似的“機(jī)械鎖定”，對(duì)流道寬度控制較好，但是其聯(lián)接強(qiáng)度還是較低。為了解決以上問題，制造商開始嘗試使用一種原來由飛機(jī)工業(yè)中發(fā)展而來的電子束焊接工藝。使用電子束焊接時(shí)，葉片及與其焊接的母材，雖然是與釬焊具有“機(jī)械鎖定”相同的特性，但都不是熔融的，所以流道寬度的精度較高。在20世紀(jì)90年代初，開發(fā)出一種EBrazeTM焊接的專利電子束焊接技術(shù)，它使用一種兼具電子束焊接和釬焊的方法將輪蓋（或軸盤）與葉片焊接起來。該方法解決了傳統(tǒng)電子束焊接未熔融部位應(yīng)力較大的問題，從而提高了聯(lián)接的疲勞強(qiáng)度。通過使用各種形式的電子束焊接，可以制造出更精確、更堅(jiān)固的小流量系數(shù)的葉輪。其它制造小流量系數(shù)的葉輪的方法還有電火花加工（EDM）和電化學(xué)加工（ECM），它們也可以用一個(gè)完整鍛件來加工出小流量系數(shù)的葉輪。不過，這些方法均要求在設(shè)計(jì)小流量系數(shù)的葉輪時(shí)，就要考慮所有需要加工的部位均可以實(shí)際加工到。二維葉型可以使得流道很窄，這樣從軸盤到輪蓋分布的氣流角差異很小。因此，小流量系數(shù)的葉輪基本都使用二維葉型。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (三)1.2 擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器將葉輪壓縮過的氣體中的一部分動(dòng)能（動(dòng)壓）轉(zhuǎn)換到靜壓（勢(shì)能），并降低了氣體的容積流量。離心壓縮機(jī)的擴(kuò)壓器分：無葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器。顧名思義，無葉擴(kuò)壓器中沒有葉片；而葉片擴(kuò)壓器中配有葉片。通常，由于擴(kuò)壓器沒有葉片，氣流流過時(shí)就不會(huì)與葉片相互干涉，故使用無葉擴(kuò)壓器的壓縮機(jī)的運(yùn)行工況會(huì)很寬。但是，無葉擴(kuò)壓器不能像葉片擴(kuò)壓器那樣可以把較多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為所需的壓力能，因此，使用葉片擴(kuò)壓器的級(jí)會(huì)比使用無葉擴(kuò)壓器的級(jí)效率更高，見圖6。早期的離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，其大部分使用無葉擴(kuò)壓器。通過簡(jiǎn)單的車削就可以加工出組成擴(kuò)壓器的平行或楔形的兩壁，而且車削加工可以達(dá)到高性能無葉擴(kuò)壓器所需要的表面光潔度。但是，有限的最高靜壓轉(zhuǎn)化能力（一般低于50%）限制了無葉擴(kuò)壓器所能取得的最高效率。一些工藝壓縮機(jī)制造商嘗試使用槽形擴(kuò)壓器，它是得名于其兩個(gè)相鄰的擴(kuò)壓器葉片組成了像槽形的流道，見圖7。該擴(kuò)壓器可以達(dá)到很高的靜壓轉(zhuǎn)化能力（CP，在75%～80%）。不過，槽形擴(kuò)壓器也會(huì)降低大多數(shù)壓縮機(jī)所必需的較寬的運(yùn)行范圍。因此，槽形擴(kuò)壓器很少在工藝氣壓縮機(jī)中使用，而是在空氣壓縮機(jī)、燃汽輪機(jī)中燃?xì)獍l(fā)生器壓縮機(jī)或渦輪增壓器這些不需較寬運(yùn)行范圍的設(shè)備上應(yīng)用較多。直到20世紀(jì)80年代，無葉擴(kuò)壓器被廣泛使用在工業(yè)壓縮機(jī)中。之后，一些設(shè)備制造商開始使用低稠度葉片擴(kuò)壓器LSD）。與槽形擴(kuò)壓器不同，低稠度葉片擴(kuò)壓器并沒有所謂的槽形，也沒有真正的幾何形狀的喉部，見圖8。其主要優(yōu)點(diǎn)是其提供了幾乎與無葉擴(kuò)壓器相當(dāng)?shù)倪\(yùn)行范圍，和比無葉擴(kuò)壓器高得多的靜壓轉(zhuǎn)化能力（即更高的級(jí)效率）。但是，效率的提高一般體現(xiàn)在中、小流量系數(shù)的級(jí)，即<0.080；特別是小流量系數(shù)，φ≤0.030時(shí)更為顯著。近期，有些設(shè)備制造商重新使用拱肋擴(kuò)壓器——一種特殊的低稠度葉片擴(kuò)壓器，它的葉片寬度要短于擴(kuò)壓器寬度，見圖9。這種擴(kuò)壓器最初開發(fā)于20世紀(jì)70年代中后期，不過在當(dāng)時(shí)并沒有得到認(rèn)可。只能在一定流量系數(shù)范圍內(nèi)大幅提高效率。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (四)1.3其它部件（進(jìn)口導(dǎo)葉、回流器、出口渦室、進(jìn)口渦室、旁流和機(jī)殼）早期的定子部件大多是鑄件，所以它們可能出現(xiàn)偏心、葉片厚度偏差和表面粗糙等缺點(diǎn)，引起過多的損失和不確定的預(yù)期性能。為了減少鑄造模具數(shù)量、提高鑄造精度，在鑄造機(jī)殼中的彎道或過渡段結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)引起一些如擴(kuò)壓器和彎道的流道不對(duì)齊等問題。由于彎道（大半徑，截面近似半圓形）鑄造在機(jī)殼中，它的位置和尺寸就確定了。而隔板中的葉盤（小半徑，截面近似半圓形）是單獨(dú)加工的，不可能與這個(gè)特定位置與尺寸的彎道照配，這樣就會(huì)出現(xiàn)如圖10所示的不對(duì)齊問題，從而降低效率，且此處成為形成旋轉(zhuǎn)失速流場(chǎng)的位置。為了解決此類問題，壓縮機(jī)制造商開始制造具有穩(wěn)定流場(chǎng)流道的部件。由于早期加工方式的限制，只有回流器葉片可以用三軸銑制。隨著大型五軸銑制的出現(xiàn)，進(jìn)口渦室和出口渦室等復(fù)雜部件就可以較為精確地制造了。而且預(yù)旋進(jìn)口導(dǎo)葉也可以用五軸銑制來加工。直到2000年，壓縮機(jī)制造商才可以制造出全部由組裝/加工的內(nèi)部部件組成的離心壓縮機(jī)，而在20世紀(jì)50年代，所有這些部件還都是鑄造的。組裝這些不同部件所采取的組裝方式也很重要。合適、先進(jìn)的組裝方式可以顯著提高質(zhì)量、可靠性和安全性。此外，在現(xiàn)代離心壓縮機(jī)中，先進(jìn)的焊接技術(shù)和螺栓把緊技術(shù)也扮演著重要角色。而使用液壓拉緊、超級(jí)螺母等方法，可以使得裝配和拆卸部件更方便，且使各部件間的搭配更為靈活。在獲得流道幾何尺寸的精確性和高質(zhì)量的表面光潔度時(shí)，機(jī)殼也可以使用組裝（焊接）型式?？梢酝ㄟ^補(bǔ)焊或其它工藝來進(jìn)行相對(duì)容易的修理，同時(shí)，鑄鋼機(jī)殼也會(huì)比鑄鐵機(jī)殼先進(jìn)一些。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (五)1.4 分析技術(shù)分析技術(shù)的進(jìn)步是改善離心壓縮機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)過程中很重要的一部分，計(jì)算機(jī)技術(shù)在其中起到了直接的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們可以在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，從而能對(duì)單個(gè)部件或整個(gè)壓縮機(jī)進(jìn)行更逼真的模型分析。 一維方法最常見的一維模型是利用“速度三角形”原理。各種基于歐拉方程、伯努利方程、能量方程、角動(dòng)量方程和其它經(jīng)驗(yàn)性的模型公式，被用來解決離心機(jī)中不同關(guān)鍵部位的子午面方向、切向、相對(duì)速度和氣流角等問題。這些公式都主要關(guān)注在各部件的氣流進(jìn)、出區(qū)域，而對(duì)中間過程知之甚少。雖然現(xiàn)在人們大多只是用它們來進(jìn)行一些基本尺寸計(jì)算，但它們卻是早期透平機(jī)械設(shè)計(jì)者可以使用的唯一方法。在20世紀(jì)50年代早中期，所有設(shè)計(jì)均使用一維方法進(jìn)行的，所使用的工具只有計(jì)算尺、鉛筆、圓規(guī)、量角器、圖板、白紙以及人類的創(chuàng)造力和智力。盡管當(dāng)時(shí)缺乏先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和分析程序，人們還是設(shè)計(jì)了一些非常優(yōu)秀的壓縮機(jī)，其中對(duì)于軍用飛機(jī)引擎的開發(fā)在這個(gè)過程中起到了關(guān)鍵作用。另外，必須反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)-試驗(yàn)，直到試出一個(gè)能夠達(dá)到性能要求的配置。這雖然不是開發(fā)壓縮機(jī)的有效方法，但卻是當(dāng)時(shí)唯一可以使用的方法。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (六) 二維方法二維方法在20世紀(jì)50年代末期開始被商業(yè)化應(yīng)用，成為設(shè)計(jì)師開發(fā)和分析部件的空氣動(dòng)力學(xué)更為先進(jìn)的一種手段。與一維方法不同，二維方法可以考慮到整個(gè)流道的邊界條件，包括軸盤和輪蓋的輪廓、葉片或?qū)~的角度和厚度等。大多的二維方法使用流線曲率法。使用流線曲率準(zhǔn)則可以將流道分成相同的質(zhì)量流量的流管，見圖11。通過子午面（或軸盤-輪蓋）邊界的當(dāng)?shù)厍屎屯ㄟ^流管的質(zhì)量流量來計(jì)算速度。一些準(zhǔn)則對(duì)于葉片至葉片方向的曲率的變化同樣敏感?？梢愿鶕?jù)不同的二維流線曲率準(zhǔn)則，調(diào)整相應(yīng)的建模參數(shù)。其中包括：從進(jìn)口到出口的計(jì)算基點(diǎn)（近似正交直線）的數(shù)量、流道分解成流管的數(shù)量、損失分布、與幾何特性相符的曲線及與回歸結(jié)果的容差。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (七)三維方法三維計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是用來計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的最精確的分析技術(shù)。它在20世紀(jì)80年代末期開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)壓縮機(jī)產(chǎn)業(yè)中，為人們了解旋轉(zhuǎn)葉輪和固定部件及其相互影響提供了大跨步的技術(shù)飛躍。三維計(jì)算流體力學(xué)利用計(jì)算網(wǎng)格將流道分解成很小的多面體，從而使空氣動(dòng)力學(xué)分析可以象有限元分析那樣進(jìn)行。因此，這種方法比其它任何方法，更能反映空氣動(dòng)力學(xué)部件的尺寸形狀的所有特征，并提供了流體物理現(xiàn)象的更加全面的模擬近似。且由于能識(shí)別流場(chǎng)中不良位置并可以將其消除或減小，故此可以獲得優(yōu)秀的性能。早期計(jì)算流體力學(xué)由于受到計(jì)算時(shí)間的限制，主要用于計(jì)算單個(gè)部件，尤其是葉輪。但是到20世紀(jì)90年代的中后期，隨著更先進(jìn)的分析方法和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人們可以對(duì)包含多個(gè)部件的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，甚至能進(jìn)行非穩(wěn)定分析，評(píng)估瞬時(shí)或隨時(shí)間變化的流量、壓力或溫度波動(dòng)如何影響部件或級(jí)的性能。這些分析方法是最接近壓縮機(jī)中真實(shí)流體物理現(xiàn)象的。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (八)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)2.1 無阻尼臨界轉(zhuǎn)速分析在20世紀(jì)40年代中期，Myklestad開發(fā)了應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼和其它梁式結(jié)構(gòu)的一種新的非耦合彎曲振動(dòng)計(jì)算方法。一年后，Prohl開發(fā)了一種柔性轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的通用計(jì)算方法。二者組成了Myklested-Phohl方法的基礎(chǔ)，這種方法就是直到今天還廣泛應(yīng)用的無阻尼臨界轉(zhuǎn)速圖譜分析的一種轉(zhuǎn)換矩陣方案。就像空氣動(dòng)力學(xué)專家使用一維方法開始分析一個(gè)新葉輪的設(shè)計(jì)一樣，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析也是使用無阻尼臨界轉(zhuǎn)速圖譜來確定軸承支撐系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子自然頻率的。無阻尼臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算程序通過輸入的轉(zhuǎn)子幾何形狀，并根據(jù)對(duì)稱軸承剛度系數(shù)，來生成無阻尼周期同步臨界轉(zhuǎn)速，見圖12。從20世紀(jì)40年代到60年代，一階臨界轉(zhuǎn)速（NC1）一直使用手工計(jì)算，并使其避開壓縮機(jī)的運(yùn)行速度范圍。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)徑向軸承系數(shù)認(rèn)識(shí)的深入，軸承系數(shù)可以在無阻尼臨界轉(zhuǎn)速圖譜上被準(zhǔn)確地考慮進(jìn)去，從而修正臨界轉(zhuǎn)速的位置，來滿足機(jī)組運(yùn)行的要求。在試車臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)，通常會(huì)在軸承壓蓋上豎立放置一個(gè)硬幣。如果硬幣不振動(dòng)得掉下，壓縮機(jī)會(huì)被認(rèn)定為在“穩(wěn)定的運(yùn)行”。而現(xiàn)在已經(jīng)使用由渦流趨近探頭和先進(jìn)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)組成的振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。不過，有時(shí)技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)還會(huì)使用硬幣檢測(cè)法來辨別機(jī)器是否正在穩(wěn)定運(yùn)行。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (九)2.2 同步不平衡響應(yīng)在1965 年5 月，J.W.Lund了為美國(guó)空軍航空推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備的報(bào)告，

發(fā)表報(bào)告第五部分記錄了一個(gè)可以用于確定處在流體膜軸承上的轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序及其分析基礎(chǔ)。再加上確定油膜剛度的和阻尼的軸承計(jì)算程序和密封計(jì)算程序，使得對(duì)于轉(zhuǎn)子的分析更為透徹。這些方法的基本核心理論至今仍被使用，并成為現(xiàn)在更為先進(jìn)的有限元分析方法的一部分。設(shè)計(jì)師通過在轉(zhuǎn)子上外加不平衡質(zhì)量，來計(jì)算轉(zhuǎn)子對(duì)不平衡的響應(yīng)、一階臨界轉(zhuǎn)速和放大系數(shù)。此外，可以通過計(jì)算得出對(duì)不平衡的敏感度，并將其與壓縮機(jī)制造商的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (十)2.3 轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析在20世紀(jì)70年代早期，一些高壓注氣壓縮機(jī)和合成氣壓縮機(jī)上出現(xiàn)了一系列的穩(wěn)定性問題。1974年，Lund發(fā)表了一篇關(guān)于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析的突破性的文章，隨后根據(jù)這篇文章的理論開發(fā)出相應(yīng)的計(jì)算程序。Lund的橫向穩(wěn)定性程序被用來分析在一階自然頻率時(shí)的不穩(wěn)定性問題和設(shè)計(jì)出抗非同步振動(dòng)的離心壓縮機(jī)，即人們常說的Lund（倫德）分析。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性使人們對(duì)對(duì)數(shù)衰減的認(rèn)識(shí)更加深刻。一個(gè)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)衰減可以表現(xiàn)為一定時(shí)間范圍內(nèi)振幅峰值的連續(xù)變化。如果振幅隨著時(shí)間的變化而減小則對(duì)數(shù)衰減為正，相反，若增大則對(duì)數(shù)衰減為負(fù)，見圖13。轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性程序還可用于分析流力油膜軸承可能出現(xiàn)的油膜渦動(dòng)問題。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (十一)2.4 液力油膜軸承世紀(jì)七八十年代，轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定性原因有時(shí)很難被量化。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，并在第一向前渦動(dòng)模式表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，那么一定是單純的轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定性的問題。如果非同步振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速變化，或沒有出現(xiàn)在一階臨界轉(zhuǎn)速附近，那么這就可能是外加激勵(lì)、空氣動(dòng)力失速、軸承渦動(dòng)振蕩。液力油膜軸承已經(jīng)在離心壓縮機(jī)上使用了幾十年，在趨近式探頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性原理出現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)師當(dāng)時(shí)只能將一臺(tái)機(jī)組簡(jiǎn)單地分為“平穩(wěn)”或“惡劣”運(yùn)行。而如果一臺(tái)機(jī)組被定義為“惡劣”運(yùn)行，人們也不知道實(shí)際的原因是什么。可能是一階臨界轉(zhuǎn)速、軸承問題或是不平衡量超標(biāo)。隨著液力軸承技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)師開始考慮如何優(yōu)化滑動(dòng)套筒軸承。一般來說，滑動(dòng)套筒軸承有著較大的承載能力，不過對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性不利，甚至可能直接引起這方面的問題。在20世紀(jì)六七十年代，油膜渦動(dòng)在其沒有引起不穩(wěn)定的力之前，用于確定軸承的最大允許運(yùn)行轉(zhuǎn)速。共振振蕩是用于形容在一階固有頻率時(shí)所發(fā)生的其它不穩(wěn)定的頻率。在那個(gè)時(shí)期，設(shè)計(jì)師通過改變徑向軸承的內(nèi)孔形狀，增加軸承不穩(wěn)定的起始速度，來控制油膜渦動(dòng)和振蕩（見圖14）。不同的形狀，如三、四個(gè)軸向槽的軸承、橢圓或檸檬狀軸承、偏移軸承和壓力壩軸承，均可以改善轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的起始速度。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須犧牲一些軸承承載能力或同步不平衡響應(yīng)能力（見圖15）。四油楔固定瓦軸承的出現(xiàn)進(jìn)一步改善了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，它利用對(duì)固定型面的曲面進(jìn)行稍大直徑的切割，來獲取軸承預(yù)載荷。盡管米歇爾在1905年和艾伯特-金斯伯雷在1907年分別發(fā)明了可傾瓦推力軸承（圖16），但是可傾瓦徑向軸承直到20世紀(jì)60年代末期才開始被大量使用。已知最早的壓縮機(jī)制造商使用可傾瓦徑向軸承是1964年的一個(gè)直徑63.5mm的沃喀莎（Waukesha）軸承。可傾瓦軸承比固定瓦軸承最明顯的優(yōu)勢(shì)是，它可以通過軸承中的可動(dòng)的瓦塊，來減少油膜交叉耦合剛度，從而增加了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。圖１６ 可傾瓦軸承最早可以進(jìn)行可傾瓦軸承分析的程序源于倫德的開創(chuàng)性的論文。這個(gè)程序利用瓦塊組裝方法來將單個(gè)瓦塊的同步剛度和阻尼系數(shù)組合成整體來進(jìn)行分析。現(xiàn)在，人們常用的分析可傾瓦軸承的程序是由尼古拉斯開發(fā)的。 可傾瓦軸承已經(jīng)成為石油天然氣行業(yè)中離心壓縮機(jī)最常用的液力軸承。從使用的經(jīng)驗(yàn)來看，可傾瓦軸承可以在小載荷時(shí)線速度達(dá)到174m/s（570ft/s），在中等線速度時(shí)載荷達(dá)到5434kPa775PSI）。盡管如此，人們還在不懈地追尋新的解決方案、開發(fā)新一代的軸承。在20世紀(jì)70年代末期到80年代早期，天然氣管線輸送行業(yè)要求一種無油潤(rùn)滑的透平機(jī)械方案，磁力軸承開始被應(yīng)用在石油天然氣市場(chǎng)中。在20 世紀(jì)90年代，磁力軸承被用于制造全封閉無油潤(rùn)滑壓縮機(jī)。最終，研究人員開發(fā)了一種利用磁力軸承來有目的地增加施加于轉(zhuǎn)子上的一定的擾動(dòng)力的方法，使用這種方法來進(jìn)行對(duì)數(shù)衰減的測(cè)量。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (十二)2.5 壓縮機(jī)主密封多年以來壓縮機(jī)主密封已經(jīng)得到了重大的發(fā)展。在20世紀(jì)10年代，離心壓縮機(jī)通常用來壓縮空氣，提供給高爐用于助燃。這些空氣壓縮機(jī)的主密封都是鋁密封，鋁密封必然會(huì)使得部分空氣泄漏到大氣中。當(dāng)時(shí)能源相對(duì)廉價(jià)，被泄漏的壓縮后的空氣沒有引起人們的足夠重視。隨后的幾十年中，離心壓縮機(jī)開始被用于壓縮甲烷CH4）和其它可燃性氣體，再也不能允許對(duì)大氣有泄漏了。應(yīng)用于高壓天然氣領(lǐng)域的壓縮機(jī)主密封最初使用油膜密封。記錄顯示油膜密封（圖 17）從20世紀(jì)50年代開始使用。這些密封利用高于壓縮機(jī)入口壓力的密封油，來防止爆炸性氣體泄漏到大氣中。不過油膜密封也同時(shí)帶來了至少兩個(gè)問題。第一，如果被壓縮的工藝氣中含有酸性介質(zhì)（酸性氣體是指氣體中含有任何酸性組分，如硫化氫（H2S）等），那么與工藝氣接觸的密封油就可能被污染（酸化），這就需要處理被污染的密封油；第二，隨著密封壓力的增高，就必須考慮油膜密封所產(chǎn)生的剛度和阻尼系數(shù)的影響，但是直到20世紀(jì)70年代末、80年代初，一些壓縮機(jī)制造商的公開文獻(xiàn)上才有記載對(duì)這些方面的研究，及在高壓運(yùn)行時(shí)它們對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性（穩(wěn)定性）的影響。在20世紀(jì)70年代早期，德萊賽蘭公司開發(fā)并生產(chǎn)一種帶可傾瓦的油膜密封?？蓛A瓦油膜密封可以極大改善壓縮機(jī)的穩(wěn)定性。今天那些仍在使用的油膜密封大多只是被進(jìn)行著改造或維修?，F(xiàn)在差不多所有新安裝在石油天然氣行業(yè)中的壓縮機(jī)都配備干氣密封（DGS）。德萊賽蘭公司使用的第一個(gè)干氣密封是在1962年的一臺(tái)單軸懸臂壓縮機(jī)上。從那時(shí)起，干氣密封制造商開始努力獲得市場(chǎng)認(rèn)可。今天，行業(yè)中普遍使用串聯(lián)式干氣密封，其第一級(jí)密封面幾乎承擔(dān)全部的壓力差，而第二級(jí)密封面基本沒有或很少承擔(dān)壓力差。隨著技術(shù)和材料等方面的發(fā)展，干氣密封的密封壓力的能力持續(xù)提高，來滿足當(dāng)前對(duì)高壓應(yīng)用的要求。最近密封實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為250bar（3625PSI）壓力差，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)為400bar（5800PSI）。不過，由于在轉(zhuǎn)子上額外增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，干氣密封對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)不利。有意思的是，在進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，又因?yàn)楦蓺饷芊獾拿芊饷媸谴怪庇谳S線，密封面處在半徑方向的剛度和阻尼等參數(shù)是可以忽略不計(jì)的。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (十三)2.6 內(nèi)部密封隨著轉(zhuǎn)速、功率和氣體密度的增加，對(duì) 離心壓縮機(jī)各種內(nèi)部的力的控制程度的不同，當(dāng)氣體密度增加時(shí)，可以使一個(gè)轉(zhuǎn)子變得不穩(wěn)定或者變得穩(wěn)定。幾十年來，密封葉輪周圍的泄漏普遍使用梳齒密封，最近用于葉輪口圈和平衡盤的止渦密封（見圖18）的出現(xiàn)顯著提高了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性。巧妙的固定葉片狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以控制泄漏氣體通過密封處的周向速度，來減style="line-height:200%" 少密封處所形成的交叉耦合剛度。止渦密封還可以起到改變阻尼的效果（阻尼密封）。阻尼密封通常有兩種型式：蜂窩狀和孔狀（圖 19 ）。無論哪種型式，它們都可以提供更多的直接阻尼，而只帶來很少的交叉耦合剛度，從而改善轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究者已經(jīng)完成了大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐，并能夠計(jì)算出準(zhǔn)確的泄漏、剛度和阻尼等參數(shù)。據(jù)此，壓縮機(jī)制造商利用配備磁力軸承的全負(fù)荷、全壓力試驗(yàn)，施加給定的非同步力，來證明通過控制轉(zhuǎn)子上的各種力，可以使得轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速、功率和氣體密度增加時(shí)變得更穩(wěn)定。從 1974年發(fā)生在北海的著名的Ekofisk 轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定事件以來，人們對(duì)于施加于轉(zhuǎn)子的各種力的探索越來越深入。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (十四)2.7 葉輪分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)也一直在進(jìn)步，其中一個(gè)重要方面就是葉輪動(dòng)力學(xué)，它使得機(jī)器可靠性得到顯著提高。早期，設(shè)計(jì)者必須進(jìn)行大量而簡(jiǎn)單的手工計(jì)算來求出葉輪應(yīng)力，并確定葉輪材料沒有到其屈服極限，葉輪也不會(huì)在軸上滑動(dòng)（過盈過小時(shí)）。那時(shí)葉輪外緣速度只有現(xiàn)在最先進(jìn)技術(shù)的一半左右，這樣做還是可以的。隨著有限元分析FEA）和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越精確的有限元分析模型，能夠使人們更好地估計(jì)因旋轉(zhuǎn)而施加在轉(zhuǎn)子上的應(yīng)力。不過，壓縮機(jī)的用戶有時(shí)偶爾還會(huì)遇到一些葉輪方面的事故，其中大多數(shù)是葉輪工作時(shí)周圍存在共振，從而產(chǎn)生高循環(huán)疲勞裂紋。今天，人們利用同樣可以用于轉(zhuǎn)子上的，已經(jīng)開發(fā)了近四十年的數(shù)學(xué)模型和受迫響應(yīng)等手段來進(jìn)行葉輪分析。隨著對(duì)葉輪固有頻率，及由入口導(dǎo)葉IGVs）與低稠度葉片擴(kuò)壓器（LSDs）引起的氣動(dòng)力的深入了解，近年來已經(jīng)大幅地減少了葉輪引起的事故。離心式壓縮機(jī)的發(fā)展歷程 (十五)展望未來離心壓縮機(jī)技術(shù)已經(jīng)接近空氣動(dòng)力學(xué)效率的最高極限，但人們還是可以設(shè)法進(jìn)一步提高效率，并增大高效率時(shí)的流量范圍。因此，在展望未來的發(fā)展時(shí)，人們可以預(yù)測(cè)以下方面：更加精確的葉片型線；更加不同尋常的擴(kuò)壓器；可動(dòng)形狀的導(dǎo)流葉片、擴(kuò)壓器和回流器；進(jìn)一步改進(jìn)的密封技術(shù)；和其它一些定子部件的增強(qiáng)