離心式流體機(jī)械擴(kuò)壓器研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望

付志遠(yuǎn) 賴宇豪 李嘉穎

【摘要】離心式流體機(jī)械中擴(kuò)壓器的作用是將從葉輪流出流體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽沽黧w速度降低，壓力進(jìn)一步提高，從而提高流體機(jī)械的效率，因此廣泛應(yīng)用于離心式流體機(jī)械領(lǐng)域。本文首先研究了離心式流體機(jī)械擴(kuò)壓器相關(guān)技術(shù)在中國的專利申請情況，探討我國離心式流體機(jī)械擴(kuò)壓器的發(fā)展趨勢；并研究了其技術(shù)發(fā)展趨勢；最后對我國離心式流體機(jī)械擴(kuò)壓器領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】流體機(jī)械；擴(kuò)壓器；有葉；無葉

離心式流體機(jī)械將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的能量，用于對流體進(jìn)行增速或增壓，是流程工業(yè)中的重要設(shè)備。離心式流體機(jī)械主要包括流體進(jìn)入通道、葉輪、擴(kuò)壓器以及流體出口蝸殼等。擴(kuò)壓器的主要作用是使從葉輪出來的具有較大動能的流體減速，使動能有效的轉(zhuǎn)化為壓力能。在完成動能向壓力能轉(zhuǎn)化時(shí)，損失的有用能量占損失的比例較大，因此，對擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)水平的優(yōu)劣直接影響離心式流體機(jī)械的性能指標(biāo)，對擴(kuò)壓器中結(jié)構(gòu)特征以及流體流動損失情況分析研究意義重大。

1、流體機(jī)械的含義

流體機(jī)械是指以流體（氣體或液體）為能量載體與工作介質(zhì)的機(jī)械設(shè)備。流體機(jī)械的工作過程是流體的能量與機(jī)械的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換或不同能量的流體之間能量傳遞的過程。在大多數(shù)的技術(shù)和生活領(lǐng)域中都需要輸送流體介質(zhì)或借助于流體進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，流體機(jī)械是一類應(yīng)用極為廣泛的機(jī)械設(shè)備。

2、流體機(jī)械的分類

流體機(jī)械可以按照能量傳遞方向、流體與機(jī)械的相互作用、工作介質(zhì)進(jìn)行分類。

2.1按能量傳遞方向分類

照能量傳遞方向，流體機(jī)械可分為原動機(jī)和工作機(jī)。原動機(jī)是將流體的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，用于驅(qū)動其他設(shè)備，如水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)、蒸汽機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等。工作機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體的能量，將流體輸送到位置更高或壓力更高的空間，或克服阻力進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，如泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等。

此外，流體機(jī)械還包括液力傳動裝置和液力推進(jìn)裝置。液力傳動裝置裝有兩種葉輪，分別為泵葉輪和渦輪機(jī)（水輪機(jī)）葉輪，以壓力油為介質(zhì)傳遞動力，實(shí)現(xiàn)無級變速或傳動功能。

2.2按流體與機(jī)械相互作用分類

按照流體與機(jī)械相互作用的特點(diǎn)，流體機(jī)械可分為葉片式、容積式及其它形式。

葉片式流體機(jī)械中，能量轉(zhuǎn)換是在帶有葉片的轉(zhuǎn)子及連續(xù)繞流葉片的介質(zhì)之間進(jìn)行的。流體對葉片做連續(xù)繞流，葉片改變了流體的運(yùn)動狀態(tài)，運(yùn)動的流體與轉(zhuǎn)的的葉片之間產(chǎn)生作用力和反作用力，實(shí)現(xiàn)流體與機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換。

葉片式流體機(jī)械可按葉輪轉(zhuǎn)換成流體能量的形式分為反擊式和沖擊式兩類。反擊式流體機(jī)械中流體的動能與勢能均發(fā)生變化，流體介質(zhì)充滿流道，進(jìn)口與出口處速度和壓力變化明顯。而在沖擊式流體機(jī)械中，僅流體的動能發(fā)生變化，進(jìn)出口處壓力不變，一般為大氣壓。反擊式水輪機(jī)可根據(jù)流體進(jìn)出葉輪的方向不同進(jìn)一步分為徑流式、混流式、斜流式與軸流式等。沖擊式又可細(xì)分為切擊式、斜擊式與雙擊式等形式。

容積式流體機(jī)械中，能量的交換是通過運(yùn)動部件和靜止部件或者兩個(gè)運(yùn)動部件之間的容積的周期性變化來實(shí)現(xiàn)的。流體與機(jī)械之間的相互作用力為靜壓力。根據(jù)運(yùn)動方式不同，可分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩類。

還有一些不屬于以上兩類的流體機(jī)械，在這些流體機(jī)械中，能量主要是在兩種具有不同能量的流體之間進(jìn)行傳播。

2.3按工作介質(zhì)分類

按照工作介質(zhì)，流體機(jī)械可分為水利機(jī)械和熱力機(jī)械。水利機(jī)械以液體為工作介質(zhì)，熱力機(jī)械以氣體為工作介質(zhì)。一般地，可認(rèn)為液體不可壓縮，氣體可壓縮。但要特別注意的是，可壓縮性概念是相對的，流體是否可壓縮，要視具體情況而定。

3、高轉(zhuǎn)速離心式壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

3.1節(jié)能高效是當(dāng)前研究核心

當(dāng)今世界環(huán)境保護(hù)的主題之一就是節(jié)能，高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機(jī)當(dāng)然也是奔著節(jié)能高效研究，高效節(jié)能是當(dāng)前研究的核心。由于高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機(jī)主要應(yīng)用于大流量的制冷系統(tǒng)中，在該系統(tǒng)中預(yù)制最密切相關(guān)的就是壓縮機(jī)的流量和效率，而且也與運(yùn)行相關(guān)，因此要特別關(guān)注?；顒硬考缴龠\(yùn)行性能就越可靠，壓縮機(jī)僅僅兩到三個(gè)活動部件，比較可靠，在荷載工作的時(shí)候還可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)整緩解。在大型系統(tǒng)中，相較與渦旋式、螺桿式還有回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機(jī)不但輕巧、體積小、重量也只有其他形式壓縮機(jī)的幾分之幾，便于安裝在許多機(jī)械上，大大提高了效率。至于如何能做到高效節(jié)能，是重點(diǎn)研究的方向，國內(nèi)外不乏這方面的額研究，相關(guān)文獻(xiàn)也十分的多。從當(dāng)前的研究情況來看，離心式壓縮機(jī)的提高效能的改革方案主要集中在葉輪的選擇，即，究竟是全部采用最新的三元葉輪還是只是更換一部分，剩余的還是原來使用的一元葉輪或者二輪葉輪；還有是否采用小間隙軟密封；氣流通道的光滑；采用干氣密封；軸承是否選用磁力材質(zhì)來增加離心率；采用葉片調(diào)節(jié)葉片擴(kuò)壓器；采用可轉(zhuǎn)動的進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)；或者降低壓縮機(jī)各段的進(jìn)口溫度；最后就是合理匹配級與級之間的參數(shù)等。

3.2葉輪設(shè)計(jì)理論

離心式壓縮機(jī)中比較復(fù)雜的構(gòu)造在于流道的形狀，有著氣流的摩擦和邊界層，參數(shù)十分不穩(wěn)定，任何速度、壓力、溫度以及密度的變化或者在流道運(yùn)行過程中都可能沿道發(fā)生變化，參數(shù)的變化可能只是十分微小的，但是失之毫厘謬以千里，何況各個(gè)界面上的參數(shù)點(diǎn)數(shù)也都是不定的，也就是說，極中氣體是三元流動的，除此之外，不同元數(shù)的葉輪也對氣流參數(shù)產(chǎn)生影響，空間內(nèi)，葉片上的任一點(diǎn)上氣流參數(shù)周期都隨著時(shí)間的變化在發(fā)生改變。這個(gè)非定數(shù)的流動參數(shù)，當(dāng)氣流為三元葉輪時(shí)的非定常流動時(shí)，研究過程相當(dāng)?shù)姆睆?fù)，因?yàn)楫?dāng)中的不定因素太多，幾乎每一個(gè)步驟都要進(jìn)行小心假設(shè)。三元葉輪是現(xiàn)代壓縮機(jī)技術(shù)中最能提高效率的一種，所以大多數(shù)高效節(jié)能的壓縮機(jī)都采用三元流動理論做支撐的三元葉輪設(shè)計(jì)。

3.3潤滑、密封和軸承

離心式壓縮機(jī)的熱力計(jì)算需要研究許多方面，從軸端泄露對其的影響來看，現(xiàn)今階段的研究結(jié)果表明，軸端泄露對其性能影響十分顯著，軸端密封顯得必不可少。于是，為了更好地運(yùn)行離心式壓縮機(jī)，軸端密封中采取干氣密封。干氣密封有其他密封方式?jīng)]有的優(yōu)點(diǎn)，它是一種氣流運(yùn)動的流體動壓潤滑的非接觸式密封方式，這種密封方式因?yàn)闆]有接觸，比傳統(tǒng)密封方式磨損相對少，壽命也就相對較長，而且泄露的量也少。

在軸承的選擇上，最新的壓縮機(jī)軸承選擇一般都是有很好動力學(xué)特性的磁力軸承。它最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是無論在什么時(shí)刻，軸上的部件都是處于懸浮狀態(tài)中，沒有和軸承直接的接觸，這樣說明，無論在什么時(shí)候都可以任意地停止轉(zhuǎn)子，也可以在任意地轉(zhuǎn)速中使轉(zhuǎn)子正常地工作。

潤滑系統(tǒng)可以說是任何一個(gè)壓縮機(jī)中都不可或缺的部分。其主要的構(gòu)造包括油泵、電機(jī)、冷卻器、過濾器、加速器、油管和油壓表等等部件。在使用離心式制冷壓縮機(jī)的空調(diào)中被廣泛地應(yīng)用。在這個(gè)有著很多零件的系統(tǒng)中，使得制冷系統(tǒng)組合構(gòu)造有些復(fù)雜，也增加了其重量，潤滑油的保溫導(dǎo)熱的特性也明顯降低了制冷效果，讓制冷劑有些有心無力，但世界的技術(shù)總是在發(fā)展的，通過磁力轉(zhuǎn)子和磁力軸承的完美配合組成的同步電機(jī)，扭轉(zhuǎn)了這一局面，使系統(tǒng)性能提高了近三成的百分點(diǎn)。

4、流體機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用

流體機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)的各部門和社會生活各領(lǐng)域都得到了極廣泛的應(yīng)用，而且技術(shù)越發(fā)展，（下轉(zhuǎn)第頁）

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流體機(jī)械的應(yīng)用也越廣泛、作用越大。可以說，幾乎沒有哪一個(gè)生活領(lǐng)域沒有流體機(jī)械。

1）電力工業(yè)：目前的電力生產(chǎn)有三種主要方式：熱力發(fā)電（火電）、水力發(fā)電和核能發(fā)電，在這三種發(fā)電方式中，流體機(jī)械都起著重要的作用。在火電站和核電站中，除用作主機(jī)的汽輪機(jī)外，還有許多泵和風(fēng)機(jī)。

2）水利工程：水利工程不管是灌溉、排澇還是供水，都需要相應(yīng)容量的泵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國排灌機(jī)械的配套功率，在20世紀(jì)80年代已達(dá)57000MW。

3）化學(xué)工業(yè)：在化工流程中，參與反應(yīng)的原料、中間產(chǎn)品經(jīng)常是液體或氣體，即便是固體物料，也經(jīng)常以溶液或溶液的形態(tài)參與化學(xué)反應(yīng)，所以輸送各種流體的泵和壓縮機(jī)被稱為化工廠的心臟。

4）石油工業(yè)：在石油和天然氣的鉆探、開采、運(yùn)輸和加工過程中，泵和壓縮機(jī)都是重要的設(shè)備，其中包括一些為適應(yīng)特殊使用要求而開發(fā)的高技術(shù)產(chǎn)品。

5）鋼鐵工業(yè)：在鋼鐵的冶煉過程中需要大量的空氣和氧氣支持燃燒，需要使用大量的風(fēng)機(jī)，另外，生產(chǎn)過程中也需消耗大量的水，在供水和水處理方面使用泵的數(shù)量也很多。

可以說，凡是需要有氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)流送的地方，都需要有泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等流體機(jī)械。

結(jié)論：

隨著我國重工業(yè)的發(fā)展，諸如壓縮機(jī)和泵等過程設(shè)備在石油、化工和發(fā)電等很多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，因此，我國的擴(kuò)壓器技術(shù)也得到了快速發(fā)展，取得了一些成果，但與國外擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓技術(shù)相比還存在較大差距，縱觀目前擴(kuò)壓器技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對今后的發(fā)展方向歸納為：1）加強(qiáng)對擴(kuò)壓器的理論技術(shù)研究，尋求新的技術(shù)突破點(diǎn)，進(jìn)一步提高自主創(chuàng)新能力；2）根據(jù)市場需求，進(jìn)一步加大導(dǎo)葉可調(diào)式擴(kuò)壓器的研究力度，提高壓縮機(jī)的工作效率；3）加強(qiáng)國內(nèi)市場占有率的同時(shí)，逐漸進(jìn)入海外市場，逐步形成參與國際競爭的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

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