關(guān)于復(fù)合式壓縮機(jī)的探討

摘 要：隨著軸流式等類型的壓縮機(jī)在生產(chǎn)應(yīng)用方面局限性的不斷出現(xiàn)，便出現(xiàn)了更先進(jìn)器械的猜想和設(shè)計(jì)。復(fù)合式壓縮機(jī)的出現(xiàn)是為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需求，讓傳統(tǒng)壓縮機(jī)的缺點(diǎn)得到更大程度上的避免，并能充分體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)，在化肥廠的空分裝置中有很好的應(yīng)用。文章以復(fù)合式壓縮機(jī)的幾種斜流級(jí)為重點(diǎn)，通過對(duì)斜流式葉輪設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用的分析，確定了斜流基本級(jí)的開發(fā)思路和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：研制開發(fā)；復(fù)合式壓縮機(jī)；斜流基本級(jí)

引言

工業(yè)上的不斷發(fā)展對(duì)工業(yè)設(shè)備包括壓縮機(jī)的需求量越來(lái)越大，與軸流式相比，斜流葉輪的性能要穩(wěn)定得多，而不同工況也對(duì)設(shè)備有不同的性能要求，靜葉可調(diào)與軸流的匹配就應(yīng)運(yùn)而生。為了軸流壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮以及能滿足空分裝置的要求，軸流段和斜流段的復(fù)合式壓縮機(jī)當(dāng)仁不讓就成了人們研究的主題。復(fù)合式壓縮機(jī)的開發(fā)是一個(gè)較復(fù)雜的過程，一個(gè)很重要的問題就是要考慮與軸流段相匹配的斜流基本級(jí)。

1 斜流式葉輪的設(shè)計(jì)思路

壓縮機(jī)是一種用于輸送氣體和提高氣體壓力的從動(dòng)流體機(jī)械，可分為兩大類，第一類是離心式壓縮機(jī)，第二類是容積式壓縮機(jī)，比如大排量螺桿活塞復(fù)合式壓縮機(jī)，低壓螺桿式主機(jī)和高壓活塞式增壓壓縮機(jī)構(gòu)成其主體，而罩內(nèi)是以串聯(lián)的撬裝式連接安裝。電動(dòng)機(jī)為機(jī)組動(dòng)力來(lái)源，低壓螺桿機(jī)以及高壓活塞壓縮機(jī)這部分是通過分裝在電動(dòng)機(jī)兩端的輸出軸上來(lái)工作，冷卻器、增壓機(jī)和螺桿機(jī)安裝在同一底架上。系統(tǒng)中發(fā)揮作用的部分，例如冷卻器和機(jī)組工作時(shí)采用頂排引風(fēng)方式來(lái)冷卻空氣，電動(dòng)機(jī)通過變頻方式啟動(dòng)。變送器、PLC和文本顯示器則是壓縮機(jī)用來(lái)控制系統(tǒng)的。

斜流式并不罕見，它也是一種氣流方向，介于離心式和軸流式之間，根據(jù)文獻(xiàn)可知，機(jī)器葉輪的出口寬度隨著機(jī)器比轉(zhuǎn)數(shù)的減小，從而會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)摩擦損失增加，效率下降。但是，大比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪超過一定界限后，由于其出口寬度過大會(huì)影響葉輪形狀而影響效率。為了解決這一矛盾，人們?cè)趯?shí)踐中不斷改進(jìn)，流面傾斜的斜流式葉輪不斷被人們使用，這樣的葉輪比轉(zhuǎn)數(shù)不是一個(gè)確定值，而在這個(gè)比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍內(nèi)，效率比離心和軸流更高。斜流式葉輪與軸流式的不同，所以制作軸流式葉片的方法并不適用于斜流式。軸流式葉輪流面傾斜度較小，展開后近似為一矩形，而斜流式葉輪回轉(zhuǎn)流面與錐面比較相似，其展開面是一個(gè)平面扇環(huán)。斜流式葉輪有一后盤子午流道，其與軸向一般有30-70度的夾角，氣體就是在葉輪流道中沿錐形面流動(dòng)。在有些方面與離心式葉輪相比，設(shè)計(jì)斜流式葉輪可以達(dá)到流量系數(shù)大，流動(dòng)損失小，工作范圍寬，效率高的效果。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，斜流葉輪一般為半開式，葉輪的圓周速度比較高，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)性能和強(qiáng)度也好，這種特點(diǎn)也恰恰能適應(yīng)較大的輪轂比，因此這種葉輪在軸流的大輪轂直徑的末級(jí)占有很大優(yōu)勢(shì)。與提高軸流壓縮機(jī)的整機(jī)壓相比，開發(fā)軸流式和斜流式這種復(fù)合式的壓縮機(jī)具有更重要的價(jià)值。

2 斜流式葉輪的設(shè)計(jì)及造型

通常在工程應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)斜流葉輪的設(shè)計(jì)方法有兩種：一是軸流式延長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方法，它是基于葉柵實(shí)驗(yàn)資料的一種方法，另一種則是離心延長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方法，而它是基于滑移系數(shù)理論的。在準(zhǔn)確度和可靠性上，氣動(dòng)設(shè)計(jì)的更高，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)方法是基于平面葉柵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以其在斜流式葉輪設(shè)計(jì)中被應(yīng)用的更廣泛。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中要確定沿準(zhǔn)正交線的平衡條件方程式，這個(gè)可以通過流線曲率法來(lái)求。為了選擇合適的翼型參數(shù)，首先要計(jì)算出子午面的速度分布來(lái)確定子午面流線。在平面葉柵資料的基礎(chǔ)上，由映像面的假想速度三角，在子午面流線繞軸旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)面上進(jìn)行初步選擇。葉片造型的設(shè)計(jì)則要通過葉柵理論。我們可以做兩個(gè)假設(shè)來(lái)方便葉形設(shè)計(jì)：一.將葉片區(qū)中的一段流線假設(shè)為直線，雖然在實(shí)際中葉片區(qū)的流線曲率不大，但還是為曲線。若將其以曲線考慮會(huì)給葉片造型帶來(lái)很大麻煩，因?yàn)榇藭r(shí)的流面是復(fù)雜的回轉(zhuǎn)曲面。任意回轉(zhuǎn)曲面展開后還是扭曲的曲面，在這樣的曲面上設(shè)計(jì)葉型可能性是很小的。所以將葉片區(qū)流面考慮為錐形是非常必要的，而且也是可行的。第二個(gè)假設(shè)則是將子午面上所謂的前后緣點(diǎn)近似認(rèn)為成基元葉型的弧線端點(diǎn)的子午投影，而非葉型前后緣點(diǎn)的投影。若前后緣處的圓半徑不大，這個(gè)近似的差別并不大，反而能給后面的葉片設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便。由于斜流葉輪流面的傾斜和負(fù)荷的變化對(duì)葉柵性能和軸向速度變化有影響，所以還要修正選定的翼型以完成葉片造型的設(shè)計(jì)。

這種復(fù)合式壓縮機(jī)達(dá)到了客戶的要求，其正向運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)也能讓人樂意接受，但是這種設(shè)計(jì)業(yè)有一定的局限性和缺點(diǎn)，粘性消耗在反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較明顯，所以反轉(zhuǎn)效率的提高還需要進(jìn)一步提高。初步想到的是可以利用正反組合葉片，保證正向運(yùn)行效率不變而有效提高了反向運(yùn)行效率。

3 斜流級(jí)基本級(jí)的開發(fā)和展望

在我國(guó)，各種流體機(jī)械廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，是主要的耗能機(jī)械之一。新型復(fù)合式壓縮機(jī)的開發(fā)是一種必然趨勢(shì)，近些年對(duì)高壓比、大流量的軸流壓縮機(jī)需求量較大，而這種復(fù)合式壓縮機(jī)會(huì)表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì)。斜流葉輪在復(fù)合式壓縮機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用面臨著大量的研究工作，所以對(duì)斜流基本級(jí)的開發(fā)還需要更多的研究工作。

這次試驗(yàn)除了帶來(lái)了實(shí)際的產(chǎn)品，還為今后復(fù)合式壓縮機(jī)的研制開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從這個(gè)過程中獲得了各流通原件的匹配，斜流葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)的選取，加工的工藝性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等方面的經(jīng)驗(yàn)。

3.1 現(xiàn)有的三種基本級(jí)的改造

對(duì)于已經(jīng)試驗(yàn)過的三種基本級(jí)，效果雖然比較理想，但根據(jù)專家建議和外國(guó)斜流壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過在葉輪后配置特定的葉片擴(kuò)壓器可以提高靜壓和回收能量。同時(shí)為了滿足軸流壓縮機(jī)調(diào)節(jié)的需要，檢驗(yàn)斜流基本級(jí)的進(jìn)口與軸流段在不同的工況下匹配情況，可以在進(jìn)口加上預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置后再進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 對(duì)斜流壓縮基本級(jí)的規(guī)劃

可以遵照下列原則規(guī)劃來(lái)開發(fā)出斜流系列基本級(jí)：

3.2.1 為適應(yīng)與軸流壓縮機(jī)系列的匹配，應(yīng)該將斜流級(jí)的流量系數(shù)設(shè)想在一個(gè)較寬的范圍。

3.2.2 提高復(fù)合式壓縮機(jī)的整機(jī)壓比也是一個(gè)很重要的步驟，必須通過將斜流基本級(jí)能量頭系數(shù)提高來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 基本級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在末級(jí)出口相對(duì)葉高、葉輪軸向長(zhǎng)度等方面要符合軸流壓縮機(jī)末級(jí)結(jié)構(gòu)要求。

3.3 通過分析軟件完成開發(fā)

計(jì)算機(jī)的發(fā)展為各種技術(shù)的開發(fā)也提供了諸多方便，在透平機(jī)械領(lǐng)域，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并取得成功，這種技術(shù)能縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本的優(yōu)點(diǎn)決定了其將被更多地應(yīng)用在基本級(jí)的研制開發(fā)中，讓復(fù)合式壓縮機(jī)能更早地建成投產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合式壓縮機(jī)存在著很多亟待解決的問題，在現(xiàn)今的化肥生產(chǎn)過程中存在著一些問題，這些問題影響著化肥的生產(chǎn)，需要結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求設(shè)計(jì)出一種新的復(fù)合式壓縮機(jī)，這樣才能提高化肥生產(chǎn)的產(chǎn)量。鑒于復(fù)合式壓縮機(jī)的各種優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)其大力研究是富有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義的，同時(shí)也能夠推動(dòng)我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：肖鴻光（1983-），男，籍貫：廣東陽(yáng)春人，職稱：工程師，學(xué)歷：本科，主要研究方向：化工機(jī)械。