離心式流體機械擴壓器研究現狀及發展展望

付志遠 賴宇豪 李嘉穎

【摘要】離心式流體機械中擴壓器的作用是將從葉輪流出流體的動能轉變為壓力能，使流體速度降低，壓力進一步提高，從而提高流體機械的效率，因此廣泛應用于離心式流體機械領域。本文首先研究了離心式流體機械擴壓器相關技術在中國的專利申請情況，探討我國離心式流體機械擴壓器的發展趨勢；并研究了其技術發展趨勢；最后對我國離心式流體機械擴壓器領域的發展進行了展望。

【關鍵詞】流體機械；擴壓器；有葉；無葉

離心式流體機械將機械能轉變為流體的能量，用于對流體進行增速或增壓，是流程工業中的重要設備。離心式流體機械主要包括流體進入通道、葉輪、擴壓器以及流體出口蝸殼等。擴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，使動能有效的轉化為壓力能。在完成動能向壓力能轉化時，損失的有用能量占損失的比例較大，因此，對擴壓器的設計水平的優劣直接影響離心式流體機械的性能指標，對擴壓器中結構特征以及流體流動損失情況分析研究意義重大。

1、流體機械的含義

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

2、流體機械的分類

流體機械可以按照能量傳遞方向、流體與機械的相互作用、工作介質進行分類。

2.1按能量傳遞方向分類

照能量傳遞方向，流體機械可分為原動機和工作機。原動機是將流體的能量轉換成機械能，用于驅動其他設備，如水輪機、風力機、蒸汽機和燃氣輪機等。工作機是將機械能轉換成流體的能量，將流體輸送到位置更高或壓力更高的空間，或克服阻力進行遠距離輸送，如泵、風機和壓縮機等。

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

2.2按流體與機械相互作用分類

按照流體與機械相互作用的特點，流體機械可分為葉片式、容積式及其它形式。

葉片式流體機械中，能量轉換是在帶有葉片的轉子及連續繞流葉片的介質之間進行的。流體對葉片做連續繞流，葉片改變了流體的運動狀態，運動的流體與轉的的葉片之間產生作用力和反作用力，實現流體與機械的能量轉換。

葉片式流體機械可按葉輪轉換成流體能量的形式分為反擊式和沖擊式兩類。反擊式流體機械中流體的動能與勢能均發生變化，流體介質充滿流道，進口與出口處速度和壓力變化明顯。而在沖擊式流體機械中，僅流體的動能發生變化，進出口處壓力不變，一般為大氣壓。反擊式水輪機可根據流體進出葉輪的方向不同進一步分為徑流式、混流式、斜流式與軸流式等。沖擊式又可細分為切擊式、斜擊式與雙擊式等形式。

容積式流體機械中，能量的交換是通過運動部件和靜止部件或者兩個運動部件之間的容積的周期性變化來實現的。流體與機械之間的相互作用力為靜壓力。根據運動方式不同，可分為往復式和回轉式兩類。

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

2.3按工作介質分類

按照工作介質，流體機械可分為水利機械和熱力機械。水利機械以液體為工作介質，熱力機械以氣體為工作介質。一般地，可認為液體不可壓縮，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、高轉速離心式壓縮機研究現狀

3.1節能高效是當前研究核心

當今世界環境保護的主題之一就是節能，高轉速離心式制冷壓縮機當然也是奔著節能高效研究，高效節能是當前研究的核心。由于高轉速離心式制冷壓縮機主要應用于大流量的制冷系統中，在該系統中預制最密切相關的就是壓縮機的流量和效率，而且也與運行相關，因此要特別關注。活動部件越少運行性能就越可靠，壓縮機僅僅兩到三個活動部件，比較可靠，在荷載工作的時候還可以通過調節轉速來調整緩解。在大型系統中，相較與渦旋式、螺桿式還有回轉式壓縮機高轉速離心式制冷壓縮機不但輕巧、體積小、重量也只有其他形式壓縮機的幾分之幾，便于安裝在許多機械上，大大提高了效率。至于如何能做到高效節能，是重點研究的方向，國內外不乏這方面的額研究，相關文獻也十分的多。從當前的研究情況來看，離心式壓縮機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來增加離心率；采用葉片調節葉片擴壓器；采用可轉動的進口導葉調節；或者降低壓縮機各段的進口溫度；最后就是合理匹配級與級之間的參數等。

3.2葉輪設計理論

離心式壓縮機中比較復雜的構造在于流道的形狀，有著氣流的摩擦和邊界層，參數十分不穩定，任何速度、壓力、溫度以及密度的變化或者在流道運行過程中都可能沿道發生變化，參數的變化可能只是十分微小的，但是失之毫厘謬以千里，何況各個界面上的參數點數也都是不定的，也就是說，極中氣體是三元流動的，除此之外，不同元數的葉輪也對氣流參數產生影響，空間內，葉片上的任一點上氣流參數周期都隨著時間的變化在發生改變。這個非定數的流動參數，當氣流為三元葉輪時的非定常流動時，研究過程相當的繁復，因為當中的不定因素太多，幾乎每一個步驟都要進行小心假設。三元葉輪是現代壓縮機技術中最能提高效率的一種，所以大多數高效節能的壓縮機都采用三元流動理論做支撐的三元葉輪設計。

3.3潤滑、密封和軸承

離心式壓縮機的熱力計算需要研究許多方面，從軸端泄露對其的影響來看，現今階段的研究結果表明，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，為了更好地運行離心式壓縮機，軸端密封中采取干氣密封。干氣密封有其他密封方式沒有的優點，它是一種氣流運動的流體動壓潤滑的非接觸式密封方式，這種密封方式因為沒有接觸，比傳統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，最新的壓縮機軸承選擇一般都是有很好動力學特性的磁力軸承。它最顯著的優點就是無論在什么時刻，軸上的部件都是處于懸浮狀態中，沒有和軸承直接的接觸，這樣說明，無論在什么時候都可以任意地停止轉子，也可以在任意地轉速中使轉子正常地工作。

潤滑系統可以說是任何一個壓縮機中都不可或缺的部分。其主要的構造包括油泵、電機、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的空調中被廣泛地應用。在這個有著很多零件的系統中，使得制冷系統組合構造有些復雜，也增加了其重量，潤滑油的保溫導熱的特性也明顯降低了制冷效果，讓制冷劑有些有心無力，但世界的技術總是在發展的，通過磁力轉子和磁力軸承的完美配合組成的同步電機，扭轉了這一局面，使系統性能提高了近三成的百分點。

4、流體機械在國民經濟中的應用

流體機械在國民經濟的各部門和社會生活各領域都得到了極廣泛的應用，而且技術越發展，（下轉第頁）

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流體機械的應用也越廣泛、作用越大。可以說，幾乎沒有哪一個生活領域沒有流體機械。

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

2）水利工程：水利工程不管是灌溉、排澇還是供水，都需要相應容量的泵。據統計，我國排灌機械的配套功率，在20世紀80年代已達57000MW。

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

4）石油工業：在石油和天然氣的鉆探、開采、運輸和加工過程中，泵和壓縮機都是重要的設備，其中包括一些為適應特殊使用要求而開發的高技術產品。

5）鋼鐵工業：在鋼鐵的冶煉過程中需要大量的空氣和氧氣支持燃燒，需要使用大量的風機，另外，生產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量也很多。

可以說，凡是需要有氣態和液態物質流送的地方，都需要有泵、風機和壓縮機等流體機械。

結論：

隨著我國重工業的發展，諸如壓縮機和泵等過程設備在石油、化工和發電等很多領域發揮著越來越大的作用，因此，我國的擴壓器技術也得到了快速發展，取得了一些成果，但與國外擴壓器的擴壓技術相比還存在較大差距，縱觀目前擴壓器技術的研究現狀，對今后的發展方向歸納為：1）加強對擴壓器的理論技術研究，尋求新的技術突破點，進一步提高自主創新能力；2）根據市場需求，進一步加大導葉可調式擴壓器的研究力度，提高壓縮機的工作效率；3）加強國內市場占有率的同時，逐漸進入海外市場，逐步形成參與國際競爭的優勢。

參考文獻：

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[2]珠海格力電器股份有限公司.可調擴壓器結構及具有該可調擴壓器結構的壓縮機[P].CN：103075370B，2015.