關于復合式壓縮機的探討

摘 要：隨著軸流式等類型的壓縮機在生產應用方面局限性的不斷出現，便出現了更先進器械的猜想和設計。復合式壓縮機的出現是為了適應工業發展的需求，讓傳統壓縮機的缺點得到更大程度上的避免，并能充分體現其優點，在化肥廠的空分裝置中有很好的應用。文章以復合式壓縮機的幾種斜流級為重點，通過對斜流式葉輪設計方法和應用的分析，確定了斜流基本級的開發思路和應用前景。

關鍵詞：研制開發；復合式壓縮機；斜流基本級

引言

工業上的不斷發展對工業設備包括壓縮機的需求量越來越大，與軸流式相比，斜流葉輪的性能要穩定得多，而不同工況也對設備有不同的性能要求，靜葉可調與軸流的匹配就應運而生。為了軸流壓縮機的優勢充分發揮以及能滿足空分裝置的要求，軸流段和斜流段的復合式壓縮機當仁不讓就成了人們研究的主題。復合式壓縮機的開發是一個較復雜的過程，一個很重要的問題就是要考慮與軸流段相匹配的斜流基本級。

1 斜流式葉輪的設計思路

壓縮機是一種用于輸送氣體和提高氣體壓力的從動流體機械，可分為兩大類，第一類是離心式壓縮機，第二類是容積式壓縮機，比如大排量螺桿活塞復合式壓縮機，低壓螺桿式主機和高壓活塞式增壓壓縮機構成其主體，而罩內是以串聯的撬裝式連接安裝。電動機為機組動力來源，低壓螺桿機以及高壓活塞壓縮機這部分是通過分裝在電動機兩端的輸出軸上來工作，冷卻器、增壓機和螺桿機安裝在同一底架上。系統中發揮作用的部分，例如冷卻器和機組工作時采用頂排引風方式來冷卻空氣，電動機通過變頻方式啟動。變送器、PLC和文本顯示器則是壓縮機用來控制系統的。

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，根據文獻可知，機器葉輪的出口寬度隨著機器比轉數的減小，從而會導致流動摩擦損失增加，效率下降。但是，大比轉數葉輪超過一定界限后，由于其出口寬度過大會影響葉輪形狀而影響效率。為了解決這一矛盾，人們在實踐中不斷改進，流面傾斜的斜流式葉輪不斷被人們使用，這樣的葉輪比轉數不是一個確定值，而在這個比轉數的范圍內，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，而斜流式葉輪回轉流面與錐面比較相似，其展開面是一個平面扇環。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。在有些方面與離心式葉輪相比，設計斜流式葉輪可以達到流量系數大，流動損失小，工作范圍寬，效率高的效果。在結構的設計上，斜流葉輪一般為半開式，葉輪的圓周速度比較高，轉子動力學性能和強度也好，這種特點也恰恰能適應較大的輪轂比，因此這種葉輪在軸流的大輪轂直徑的末級占有很大優勢。與提高軸流壓縮機的整機壓相比，開發軸流式和斜流式這種復合式的壓縮機具有更重要的價值。

2 斜流式葉輪的設計及造型

通常在工程應用領域，對斜流葉輪的設計方法有兩種：一是軸流式延長的設計方法，它是基于葉柵實驗資料的一種方法，另一種則是離心延長的設計方法，而它是基于滑移系數理論的。在準確度和可靠性上，氣動設計的更高，因為它的設計方法是基于平面葉柵實驗數據，所以其在斜流式葉輪設計中被應用的更廣泛。設計實驗中要確定沿準正交線的平衡條件方程式，這個可以通過流線曲率法來求。為了選擇合適的翼型參數，首先要計算出子午面的速度分布來確定子午面流線。在平面葉柵資料的基礎上，由映像面的假想速度三角，在子午面流線繞軸旋轉的回轉面上進行初步選擇。葉片造型的設計則要通過葉柵理論。我們可以做兩個假設來方便葉形設計：一.將葉片區中的一段流線假設為直線，雖然在實際中葉片區的流線曲率不大，但還是為曲線。若將其以曲線考慮會給葉片造型帶來很大麻煩，因為此時的流面是復雜的回轉曲面。任意回轉曲面展開后還是扭曲的曲面，在這樣的曲面上設計葉型可能性是很小的。所以將葉片區流面考慮為錐形是非常必要的，而且也是可行的。第二個假設則是將子午面上所謂的前后緣點近似認為成基元葉型的弧線端點的子午投影，而非葉型前后緣點的投影。若前后緣處的圓半徑不大，這個近似的差別并不大，反而能給后面的葉片設計帶來極大的方便。由于斜流葉輪流面的傾斜和負荷的變化對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計。

這種復合式壓縮機達到了客戶的要求，其正向運行的各項指標也能讓人樂意接受，但是這種設計業有一定的局限性和缺點，粘性消耗在反向運轉時比較明顯，所以反轉效率的提高還需要進一步提高。初步想到的是可以利用正反組合葉片，保證正向運行效率不變而有效提高了反向運行效率。

3 斜流級基本級的開發和展望

在我國，各種流體機械廣泛應用于國民經濟的各個部門，是主要的耗能機械之一。新型復合式壓縮機的開發是一種必然趨勢，近些年對高壓比、大流量的軸流壓縮機需求量較大，而這種復合式壓縮機會表現出更多的優勢。斜流葉輪在復合式壓縮機的開發設計中的應用面臨著大量的研究工作，所以對斜流基本級的開發還需要更多的研究工作。

這次試驗除了帶來了實際的產品，還為今后復合式壓縮機的研制開發打下了堅實的基礎，從這個過程中獲得了各流通原件的匹配，斜流葉輪設計參數的選取，加工的工藝性以及結構設計的合理性等方面的經驗。

3.1 現有的三種基本級的改造

對于已經試驗過的三種基本級，效果雖然比較理想，但根據專家建議和外國斜流壓縮機的設計經驗，通過在葉輪后配置特定的葉片擴壓器可以提高靜壓和回收能量。同時為了滿足軸流壓縮機調節的需要，檢驗斜流基本級的進口與軸流段在不同的工況下匹配情況，可以在進口加上預旋轉裝置后再進行試驗。

3.2 對斜流壓縮基本級的規劃

可以遵照下列原則規劃來開發出斜流系列基本級：

3.2.1 為適應與軸流壓縮機系列的匹配，應該將斜流級的流量系數設想在一個較寬的范圍。

3.2.2 提高復合式壓縮機的整機壓比也是一個很重要的步驟，必須通過將斜流基本級能量頭系數提高來實現。

3.2.3 基本級的結構設計在末級出口相對葉高、葉輪軸向長度等方面要符合軸流壓縮機末級結構要求。

3.3 通過分析軟件完成開發

計算機的發展為各種技術的開發也提供了諸多方便，在透平機械領域，數值模擬技術已經得到廣泛應用并取得成功，這種技術能縮短開發周期，降低開發成本的優點決定了其將被更多地應用在基本級的研制開發中，讓復合式壓縮機能更早地建成投產。

4 結束語

復合式壓縮機存在著很多亟待解決的問題，在現今的化肥生產過程中存在著一些問題，這些問題影響著化肥的生產，需要結合生產的實際要求設計出一種新的復合式壓縮機，這樣才能提高化肥生產的產量。鑒于復合式壓縮機的各種優點和廣泛的應用前景，對其大力研究是富有經濟價值和實際意義的，同時也能夠推動我國化工產業的進一步發展。

參考文獻

[1]郭權利，席光，姜國棟.復合式壓縮機幾種斜流級的開發[J].風機技術，2005.

[2]張慧.斜流通風機葉輪設計及葉片造型方法研究[J].西北工業大學，2004.

[3]慈蕾.單級離心壓縮機靜止元件的性能分析與結構優化[J].大連理工大學，2005.

作者簡介：肖鴻光（1983-），男，籍貫：廣東陽春人，職稱：工程師，學歷：本科，主要研究方向：化工機械。