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离心压缩机研究现状及展望 2009年12月17日 09:47 点击数：505核心提示：离心压缩机研究现状及展望花严红袁卫星王海/北京航空航天大学人机与环境工程系摘要：介绍了离心压缩机的发展历史，详细阐述了国内外对离心压缩机研究的现状..离心压缩机研究现状及展望花严红袁卫星王海/北京航空航天大学人机与环境工程系摘要：介绍了离心压缩机的发展历史，详细阐述了国内外对离心压缩机研究的现状，指出了在离心压缩机研究中尚待解决的主要问题并对离心式制冷压缩机的研究进行了展望。关键词：离心式压缩机综述中图分类号：TH452 文章编号：1006-8155（2007）03-0059-05 0 引言近些年来，随着科学技术的飞速发展，离心压缩机因其可靠性高、体积小、质量轻等诸多优点而在航空航天、能源动力、石油化工及冶金等行业日益发挥着极其重要的作用。一直以来，离心压缩机内部流场的研究引起了国内外专家学者的关注[1-7]。1 发展历史与现状1.1 发展历史18世纪初期，Papin给出了最早的离心式叶轮机械的设计方法，在他出版的著作中介绍了离心泵的设计方法。从那以后，离心式叶轮机械开始逐步得到发展。19世纪，离心式压缩机伴随着叶轮机械理论的发展而得到了迅速的发展。在这一时期，Leonhard Eular建立了叶轮机械中的基本能量方程；Lazare Carnot指出在叶轮进口流体应光滑顺利的流入叶轮，即零攻角状态，他还指出为了获得高效率应减小叶轮出口动能。这一阶段的标志性成果是离心压缩机中开始使用有叶扩压器[6]。从20世纪开始至今是离心压缩机技术迅猛发展的时代。在这一时期，产生了对离心压缩机发展具有划时代意义的理论和方法。正是这些理论和方法的诞生，使得离心压缩机在全世界范围内得到了极为广泛的应用。1930年，Frank Whittle申请了他的第一项专利，在国际上首次应用了双向进气单级离心压缩机，这个离心压缩机由轴向透平驱动，如图1 所示。采用双向进气不但可以避免在转子进口叶尖产生超音速流动，而且可以减小轴向推力。从那时开始，Frank Whittle就将目标瞄准单级压比达到4，而此前单级压比最高值只达到2.5[7]。图1 Frank Whittle设计的转子离心压缩机因为受旋转、曲率及粘性等诸多因素的影响及相互作用而使其内部流动表现为相当复杂的非定常、有粘性的三维湍流流动。但在早期，因为三元理论及计算手段的缺乏，使得离心压缩机的设计主要采用几何设计或二维气动设计方法进行。20世纪50年代，我国著名的科学家吴仲华教授提出了对离心压缩机发展具有划时代意义的两簇流面理论，奠定了叶轮机械内部三元流场求解的基础。他首先提出叶轮机械叶片通道内的三元流动可以看作是两类相交的流面（S1、S2流面，S1流面为是从一个叶片到相邻叶片之间的周向扭曲流面，S2流面是从轮毂导轮盖的径向扭曲流面）之和，这样就可以把一个复杂的三元问题转化为两个二元问题，从而使计算简化。随着吴氏三元理论的提出，离心压缩机的设计方法开始由几何设计或二维气动设计向准三维气动设计及全三维气动设计方法转变。许多国内外专家学者利用这一理论对离心压缩机进行了研究并取得了许多有益的成果[8]。1.2 离心压缩机研究现状1.2.1 大流量离心压缩机研究现状德国宇航院（DFVLR）Krain博士基于准三维气动设计方法，通过计算机辅助设计完成了离心压缩机后向三元叶轮的设计，并应用激光测试技术对该叶轮内部流场进行了非常详细地测量[9]。迄今为止，Krain叶轮仍然是许多研究人员校验自己设计方法的对象。国内在离心压缩机三元叶轮的各类反命题设计方法中，以角动量的不同分布来控制叶片几何型线的方法应用较广[10]。角动量的分布规律直接决定叶片载荷的大小并影响流动方向、跨盘盖方向的速度分布，而速度分布对叶轮二次流的强度及叶片表面边界层的发展有决定性的影响，这必然影响到对叶轮边界层损失、分离损失和二次流损失的控制，因此合适的角动量分布是设计高性能叶轮最有效的手段。席光等人以上文提到的德国宇航院（DFVLR）Krain博士设计并试验的后向三元叶轮为研究对象，对其内部流动及气动性能进行了计算，在保留子午型线的前提下，改变角动量分布，对叶片重新设计，以研究角动量分布对叶轮内部三维流场及总体性能的影响，发展了一种以三维粘性分析为参考准则的实用设计方法，并利用CFD软件FLUENT5.4进行了数值计算，计算结果表明：角动量的不同分布对离心压缩机叶轮的压比和效率有明显的影响[11]。在发展以三维粘性分析为参考准则的离心压缩机三元叶轮的实用设计方法的基础上，王晓峰等人又探讨了将离心叶轮内部的三维粘性流动求解与试验设计技术以及响应面方法相结合的优化设计方法。响应面方法是试验设计与数理统计相结合的优化方法，在试验测量、经验公式或数值分析的基