关于离心压缩机研制设计经验与思考.docx

附录关于离心压缩机研制的设计经验与思考CXu英格索-兰德公司，800B贝蒂街，戴维森，北卡罗莱纳州28036，美国。电子邮件：cheng_xu@。这份手稿是2006年3月22日被收到，并在2006年11月21日修订后允许出版的。DOI: 10.1243AERO103摘要能源产品受到了挑战，只能以更好，更快，更便宜的方式发展新机器。虽然流体动力学计算工具被广泛应用在离心式压缩机的设计和优化过程中；但是三维粘性湍流离心式压缩机系统仿真仍然是一个挑战并且非常费时。这些以经验为基础的设计在新的压缩机发展中仍扮演一个重要作用。离心压缩机的基本设计理论可以在教科书和文献找到；不过，可用于指导离心压缩机设计产业中的信息非常有限。在本文中，作者介绍了他的离心压缩机设计的重要方面的看法。本文的目的用数据库进程为加速工业用压缩机的设计提供一个契机。关键词：离心压缩机，设计经验，设计考虑简介离心式压缩机已注重从离心过程提高静态焓和压力。气体进入压缩机轴，然后再从叶轮径向出来。被压缩气体然后进入一个环形叶片扩压器或无叶扩压器来把动能转换成静压能。压缩天然气最终进入蜗壳或回流器转移到下一个阶段或被排出压缩机，如图1所示。既要有小的外形尺寸又要有高效率设计在轴流压缩机中是很难实现的。因为离心压缩机在0.3到93立方米/秒流量范围内是最有效最紧凑的压缩设备，所以离心式压缩机在工业和航空中应用广泛。为了适当的提高压力，一个以上的轴流压缩机阶段需要执行单一离心压缩机级的功能[1]。离心压缩机的设计是一个复杂的过程。设计工程师依靠质量模型在热力学，几何和流体动力学以及支配叶轮机性能参数之间建立了物理关系[2-7]。在离心压缩机的设计过程中的许多活动并不会导致对空气动力学和结构的数值分析。经验数据在压缩机设计中仍发挥重要作用[4]。设计实践表明，如果使用设计经验，可使设计周期缩短百分之10-15。压缩机设计通常花费百分之30-35时间计算流体力学（CFD）的优化和验证，百分之5-10时间来简化分析，百分之25-30时间来进行结构，转子动力学和轴承的设计，百分之20-25的时间画图，百分之20-25的时间进行制造的。设计经验数据可能使得设计人员的创造设计更接近优化设计从而提高了设计周期。一个设计工程师最感兴趣的压缩机性能参数主要是压缩机的效率和使用范围（RG）。使用范围通常被定义为在这个范围内压缩机运行平稳并有可接受的性能。压缩机设计的基本策略是用较短的时间和较低的制造成本设计出具有一定性能的压缩机。因此，压缩机的设计过程和制造过程是相互作用，相互依赖的。精益过程[8]的重点是在两个主要原则：尽量减少废物和响应变化。精益流程需要的新产品被设计制造。在初步设计阶段就有必要考虑所有的设计方面。使用较小图1单级压缩机的数目不太复杂的零件和组装，制造成本可以降低。对设计师来说平衡性能和成本是很重要的。压缩机设计人员需要利用他们的设计经验来估计不同的生产方案的效率影响。虽然计算流体力学方法[3-7]取得了相当大的进步，但仍然不可能在一天之内给不同的制造方案选择压缩机的性能值。一些生产问题，例如，表面光洁度，仍然难以通过使用CFD代码作为蓝本。过去经验的设计准则为压缩机的初步设计和加快压缩机部件的设计提供了重要信息。数据库设计经验为压缩机设计师遵循正确的程序并最终产生正确初步设计提供了可能性。叶轮是离心式压缩机的一个重要组成部分。根据基本尺寸信息建立的初始参数的选择是离心式压缩机设计中的关键。扩压器在压缩机的使用范围中起着重要作用。设计不良扩压器可能缩小压缩机的使用范围和导致使用范围的下降。设计不良的扩散扩压器可能缩小压缩机的使用范围和使压缩机的级效率下降。蜗壳设计也影响了压缩机的性能和轴承寿命。设计者需要同时考虑所有组件和评估影响整体性能和成本的性能参数。压缩机设计人员必须有系统性的思维而不死板。设计的经验数据可以帮助设计人员对新设计有一个全面的看法。在20世纪90年代之前研究人员就开始关注在高性能方面的研究[1-4]。压缩机效率的巨大进步是由于CFD的发展和实验研究的进步[3-7，9]。该优化程序 (a)失速时的出口压力(b)喘振时的出口压力图2失速和喘振的压力随时间变化[10，11]集成了初步X射线分析到最终三维分析，有助于压缩机设计者有一个更好的设计方案。最近，新的设计主要集中在低成本，低重量，高市场化，和在设计点和非设计点高效率上。特别是对工业压缩机，市场需要以更好，更快，更便宜的方式开发新产品。虽然CFD和有限元分析（FEA）方法的改善了压缩机的效率，但当前的离心式压缩机无论是性能和可靠性[10-15]方面都有相当大的发展空间。计算流体力学，有限元分析，优化和样机试验是非常耗时的任务。实证的规则和设计经验在减少在复杂的计算和试验的努力方面，是很重