王永生 林峰/中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（工程熱物理研究所）

1.5MW緊湊式單軸多級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)*

王永生 林峰/中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（工程熱物理研究所）

0　前言

離心壓氣機(jī)通常用于渦輪增壓器、小功率燃?xì)廨啓C(jī)及過(guò)程工業(yè)當(dāng)中。其中多級(jí)離心壓氣機(jī)主要服務(wù)于過(guò)程工業(yè)，采用空氣、氮?dú)?、制冷劑或任何工業(yè)中可能應(yīng)用到的工質(zhì)。從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)講，多級(jí)離心壓氣機(jī)可分為單軸式（In-line）和多軸式（Gear-type）兩種。由于涵蓋低、中、高流量系數(shù)離心壓氣機(jī)，包含進(jìn)口導(dǎo)葉、葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼、彎管、回流器等各部件，涉及級(jí)數(shù)、功率及壓比分配、級(jí)間冷卻、控制、潤(rùn)滑和密封等問(wèn)題，多級(jí)離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)難度大大提升。相對(duì)單級(jí)離心壓氣機(jī)，多級(jí)離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)需要考慮的因素更多［1］。例如：對(duì)于多級(jí)離心壓氣機(jī)，為控制整個(gè)機(jī)組的尺寸，各級(jí)離心壓氣機(jī)軸向長(zhǎng)度通常受到限制。為減小多級(jí)離心壓氣機(jī)整機(jī)的軸向距離，可在缸體外采用懸臂型半開(kāi)式葉輪完成第一級(jí)的設(shè)計(jì)，壓比相對(duì)后級(jí)而言較高，隨后的氣體增壓過(guò)程由缸體內(nèi)后幾級(jí)含閉式葉輪的離心壓氣機(jī)完成。這種結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)點(diǎn)為：相對(duì)全部級(jí)采用閉式葉輪設(shè)計(jì)的整機(jī)而言，軸向尺寸大大降低。多級(jí)離心壓氣機(jī)各級(jí)主要應(yīng)用閉式葉輪，由于應(yīng)力的限制，葉輪出口線(xiàn)速度通常限制在350m/s以下［2］。相比于單級(jí)離心壓氣機(jī)，多級(jí)離心壓氣機(jī)各級(jí)的輪轂直徑更大，主要考慮轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，多級(jí)離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)還涉及到各級(jí)總壓比和功率分配問(wèn)題，以及整個(gè)機(jī)組的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等一系列因素。

到目前為止，國(guó)外具備多級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)及制造能力的廠家較多，而在我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域還處在剛剛起步階段。由于各廠家將多級(jí)離心壓氣機(jī)技術(shù)視為公司機(jī)密，很少能夠在公開(kāi)發(fā)表的資料中找到具體的設(shè)計(jì)參數(shù)［3-7］。并且，每個(gè)生產(chǎn)商均有自己的設(shè)計(jì)參數(shù)選值范圍，較單級(jí)離心壓氣機(jī)而言，多級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)較難形成可供參考的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值。值得一提的是，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)沈鼓集團(tuán)先后從國(guó)外引進(jìn)了MCL、BCL、PCL、DH、VK型離心壓氣機(jī)等12項(xiàng)先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，通過(guò)消化和技術(shù)創(chuàng)新后，具備一定的多級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)與制造能力［8］。因此，在這樣的一個(gè)背景下，很有必要加大對(duì)多級(jí)離心壓氣機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)及內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理研究，力求為企業(yè)界提供有力的技術(shù)支持。

基于課題組開(kāi)發(fā)的離心壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序，依托企業(yè)具體的工程項(xiàng)目，本文設(shè)計(jì)了一款1.5 MW、總壓比為12的緊湊式單軸多級(jí)離心壓氣機(jī)。從中掌握和積累多級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，力爭(zhēng)為工業(yè)界相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)及優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1　設(shè)計(jì)過(guò)程

設(shè)計(jì)參數(shù)如下：整級(jí)總壓比12，轉(zhuǎn)速小于15 000r/min，功率1.5MW，工作介質(zhì)為空氣，設(shè)計(jì)工況下需具有較高的效率，在滿(mǎn)足以上要求的前提下，最大程度上降低機(jī)組的整體尺寸。

按照設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求，首先需要計(jì)算該多級(jí)離心壓氣機(jī)的質(zhì)量流量，然后選定級(jí)數(shù)和分配各級(jí)功率及總壓比。在以上主要參數(shù)確定后，評(píng)估傳遞所需扭矩時(shí)軸的最小直徑，并以此選取各級(jí)離心壓氣機(jī)輪轂直徑的下限值。結(jié)構(gòu)上采用單軸連接、“背靠背”布置方式相互平衡部分軸向力，其余的軸向力由平衡盤(pán)來(lái)承受。由于氣體在逐級(jí)增壓過(guò)程中溫度不斷上升，勢(shì)必導(dǎo)致離心壓氣機(jī)耗功增大，因此，需要使用中間冷卻器降低氣體溫度，從而減小功耗，提升效率。最終設(shè)計(jì)方案為：采用單軸驅(qū)動(dòng)10級(jí)閉式葉輪來(lái)完成本設(shè)計(jì)。1～5級(jí)離心壓氣機(jī)與6～10級(jí)離心壓氣機(jī)“背靠背”布置，高溫氣體從第5級(jí)離心壓氣機(jī)出口流出，進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行降溫，隨后流向第6級(jí)離心壓氣機(jī)進(jìn)口。10級(jí)離心壓氣機(jī)進(jìn)口流量系數(shù)［9］、總壓比和級(jí)出口總溫分布趨勢(shì)如圖1所示。從中可以看出：進(jìn)口流量系數(shù)和總壓比逐級(jí)降低，由于中冷器的降溫效果，5，6級(jí)離心壓氣機(jī)之間出口溫度陡降。各級(jí)進(jìn)口流量系數(shù)值均位于離心壓氣機(jī)類(lèi)型的范圍之內(nèi)，況且機(jī)組要求尺寸最小化，因此，本文選取多級(jí)離心壓氣機(jī)而非多級(jí)軸流壓氣機(jī)來(lái)完成設(shè)計(jì)是合理的。

1.1級(jí)數(shù)選擇

多級(jí)離心壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的選取至關(guān)重要，直接影響著各級(jí)分配的壓比是否合理：級(jí)數(shù)少，各級(jí)壓比很難保證；級(jí)數(shù)過(guò)多會(huì)造成成本提高等一系列問(wèn)題。本文初步設(shè)定整個(gè)多級(jí)離心壓氣機(jī)的絕熱效率，結(jié)合給定的輸入功率值，計(jì)算質(zhì)量流量。不斷調(diào)整葉輪出口直徑，將比轉(zhuǎn)速控制在效率最優(yōu)的范圍內(nèi)。同時(shí)，結(jié)合進(jìn)口流量系數(shù)（0.01～0.15間，懸掛式離心葉輪除外，其值可大于0.15）和閉式葉輪出口線(xiàn)速度的限制，確定離心壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速。最終，根據(jù)所掌握的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出級(jí)數(shù)。

1.2各級(jí)功率和總壓比分配

首先根據(jù)等功率原則給各級(jí)分配功率，并進(jìn)行相應(yīng)的總壓比計(jì)算，結(jié)果顯示后5級(jí)進(jìn)口流量系數(shù)較低，難以達(dá)到所分配的總壓比。因此，在保證滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，降低后幾級(jí)離心壓氣機(jī)的單級(jí)總壓比，相應(yīng)的功耗也隨之降低，將多余的輸入功平均分配給前5級(jí)。第6級(jí)進(jìn)口總壓和總溫的計(jì)算需將5～6級(jí)間中冷器的冷卻降壓影響考慮在內(nèi)。

1.3軸最小直徑計(jì)算

在各級(jí)離心壓氣機(jī)初步設(shè)計(jì)之前，需要確定整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)心軸的最小直徑，這樣不僅保證將來(lái)機(jī)組的安全運(yùn)行，而且有助于設(shè)定各級(jí)離心壓氣機(jī)輪轂直徑的下限值。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛度公式分別估算軸徑，如式（1）和（2）所示［10］：

其中，d為軸端直徑，mm；T為軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.m（9 550P/n）；P為軸所傳遞的功率，kW；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min；τp為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；φp為許用扭轉(zhuǎn)角，（°）/m；A，B為系數(shù)。

根據(jù)以上兩式計(jì)算所得的最大值，設(shè)定轉(zhuǎn)軸直徑，該值需滿(mǎn)足多級(jí)離心壓氣機(jī)軸徑的經(jīng)驗(yàn)取值范圍。一般來(lái)說(shuō)，為滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)要求，相對(duì)單級(jí)離心壓氣機(jī)而言，多級(jí)離心壓氣機(jī)軸徑取值較大，通常為0.35～0.41倍的葉輪外徑［11］。

2　設(shè)計(jì)結(jié)果

多級(jí)離心壓氣機(jī)中靠后的幾級(jí)，由于氣體壓力高、密度大、體積流量小、流道狹窄，導(dǎo)致摩擦損失在整個(gè)離心壓氣機(jī)級(jí)損失的比重大，效率相對(duì)較低。因此，為了盡可能的降低后5級(jí)離心壓氣機(jī)的損失，采用降低葉輪出口直徑，縮短氣體在流道中的流程，同時(shí)調(diào)整輪轂直徑的方法，使得各級(jí)比轉(zhuǎn)速在效率最優(yōu)的范圍之內(nèi)，從而最大程度上降低摩擦損失?；谧灾鏖_(kāi)發(fā)的離心壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序，最終設(shè)計(jì)得到如圖2所示的多級(jí)離心壓氣機(jī)。各級(jí)離心壓氣機(jī)由葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器、彎管和回流器組成，第5級(jí)無(wú)葉擴(kuò)壓器出口帶蝸殼，氣體流向中冷器，溫度和壓力降低；第10級(jí)無(wú)葉擴(kuò)壓器后部帶有另外一個(gè)蝸殼收集最終產(chǎn)生的高壓氣體，通過(guò)管道將經(jīng)過(guò)多級(jí)離心壓氣機(jī)加壓的氣體輸送給用戶(hù)或作為高壓氣源發(fā)揮相應(yīng)的作用。5～6級(jí)間軸上采用梳齒密封，防止氣體的軸向竄動(dòng)。由于是單軸驅(qū)動(dòng)，10級(jí)離心壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致，但“背靠背”式的布局結(jié)構(gòu)令前后5級(jí)離心壓氣機(jī)的軸向力方向相反，可相互抵消一部分軸向力，其余軸向力由軸上安裝的平衡盤(pán)來(lái)承受。

1～10級(jí)離心壓氣機(jī)的總壓比逐級(jí)降低，使得葉輪出口安裝角度也逐級(jí)降低，如圖3所示。級(jí)軸向長(zhǎng)度隨級(jí)數(shù)增多而逐漸變小，如圖4所示。同樣，葉輪葉片數(shù)隨級(jí)數(shù)變大也降低，但為滿(mǎn)足第10級(jí)的總壓比要求，適當(dāng)增大了其葉輪葉片數(shù)，如圖5所示。

3　全三維數(shù)值模擬結(jié)果

由于無(wú)法直接整體模擬帶中冷器的多級(jí)離心壓氣機(jī)，因此對(duì)所研發(fā)的10級(jí)離心壓氣機(jī)采用分段模擬的手段。前5級(jí)和后5級(jí)離心壓氣機(jī)單獨(dú)進(jìn)行數(shù)值模擬，從第5級(jí)離心壓氣機(jī)出口讀取流場(chǎng)信息數(shù)據(jù)，考慮中冷器的影響效果后，將新的氣動(dòng)參數(shù)作為進(jìn)口條件賦給第6級(jí)離心壓氣機(jī)。后5級(jí)數(shù)值模擬的進(jìn)口條件取決于前5級(jí)離心壓氣機(jī)的模擬結(jié)果。另外，分段模擬還具備分別評(píng)估前后5級(jí)離心壓氣機(jī)性能的優(yōu)勢(shì)。

3.1數(shù)值方法

三維流場(chǎng)計(jì)算求解定常三維雷諾平均N-S方程，采用S-A模型，有限體積中心離散方法，空間項(xiàng)的離散采用中心差分格式，時(shí)間項(xiàng)采用四階Runge-Kutta方法迭代求解，并采用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂。邊界條件：進(jìn)口給定總壓、總溫及氣流角度，通過(guò)調(diào)節(jié)出口背壓改變離心壓氣機(jī)工況［12］。后5級(jí)離心壓氣機(jī)數(shù)值模擬時(shí)，為匹配前5級(jí)的計(jì)算，設(shè)定出口邊界條件為質(zhì)量流量出口。不同工況下，進(jìn)口總溫恒定，進(jìn)口總壓計(jì)算由第5級(jí)離心壓氣機(jī)出口總壓減去中冷器的壓損后決定。除葉輪、葉輪機(jī)匣和輪轂面為轉(zhuǎn)動(dòng)部件外，其余均為靜止部件。

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用單流動(dòng)通道進(jìn)行數(shù)值模擬。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及多塊網(wǎng)格分區(qū)技術(shù)，最終前5級(jí)離心壓氣機(jī)單通道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為217萬(wàn)，后5級(jí)離心壓氣機(jī)單通道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為216萬(wàn)。圖6顯示了前5級(jí)離心壓氣機(jī)單通道的三維計(jì)算網(wǎng)格。

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

采用如上所述數(shù)值方法，首先校核設(shè)計(jì)工況下多級(jí)離心壓氣機(jī)的性能參數(shù)，在確認(rèn)滿(mǎn)足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)后，繼續(xù)計(jì)算并提供不同轉(zhuǎn)速下的特性線(xiàn)分布圖，評(píng)估該多級(jí)離心壓氣機(jī)的整體性能。計(jì)算結(jié)果顯示：在設(shè)計(jì)工況下，質(zhì)量流量3.51kg/s，10級(jí)離心壓氣機(jī)的總壓比為12.24，絕熱效率為76.8％。其中，總壓比大于設(shè)計(jì)指標(biāo)，絕熱效率值對(duì)10級(jí)離心壓氣機(jī)而言，提升的空間已不大。一般來(lái)說(shuō)，單軸6或7級(jí)多級(jí)離心壓氣機(jī)的效率可能超過(guò)80％，級(jí)數(shù)再增加后，效率下降較快，通常低于80％。

圖7～圖9分別為前5級(jí)、后5級(jí)和整個(gè)10級(jí)離心壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的特性線(xiàn)分布圖。從圖中可以明顯看出：后5級(jí)離心壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，有效工作范圍均窄于前5級(jí)，這是由于在同樣質(zhì)量流量下，后級(jí)離心壓氣機(jī)內(nèi)的氣體密度大于前級(jí)，當(dāng)級(jí)體積流量變小時(shí)，后級(jí)的體積流量降低的更快，使得后級(jí)首先發(fā)生失速；當(dāng)體積流量增大時(shí)，壓力升值很小，級(jí)內(nèi)流動(dòng)損失使氣體溫度上升，會(huì)出現(xiàn)后級(jí)的氣體密度小于前級(jí)的現(xiàn)象，這就使得后級(jí)首先發(fā)生堵塞，我們得到的數(shù)值模擬結(jié)果也正是如此。因此，會(huì)出現(xiàn)后5級(jí)離心壓氣機(jī)的有效工作范圍相對(duì)前5級(jí)而言較窄。況且，所設(shè)計(jì)的多級(jí)離心壓氣機(jī)帶有中冷器，氣體分別通過(guò)前后5級(jí)離心壓氣機(jī)時(shí)，溫度變化差異不大，然而壓力卻始終逐級(jí)增大。因此，后5級(jí)離心壓氣機(jī)中的體積流量更小，更容易進(jìn)入失速工況。

從特性線(xiàn)分布上來(lái)看，本文研發(fā)的10級(jí)離心壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工況下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，由于受制于后幾級(jí)壓氣機(jī)（如前文所述），失速裕度僅為8.6％（（mdesign-mstall）/mdesign×100％），仍需進(jìn)一步優(yōu)化；堵塞裕度為33％（（mchoke-mdesign）/mdesign× 100％）。設(shè)計(jì)工況下，前5級(jí)離心壓氣機(jī)總壓比為4.61，絕熱效率為76.4％；后5級(jí)離心壓氣機(jī)總壓比為2.86，絕熱效率為76.24％。對(duì)于主要運(yùn)行在設(shè)計(jì)工況下的多級(jí)離心壓氣機(jī)而言，該有效工作范圍可以滿(mǎn)足其運(yùn)行要求。

由于該多級(jí)離心壓氣機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，主要在設(shè)計(jì)工況下工作。因此，很有必要分析此工況下離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布狀況。圖10顯示的是設(shè)計(jì)工況下，前5級(jí)離心壓氣機(jī)子午面上的靜壓分布云圖。我們可以看出：靜壓值逐級(jí)增大，分布均勻合理。圖11為前5級(jí)離心壓氣機(jī)子午面上的才熵增分布云圖。由于后級(jí)離心壓氣機(jī)較前級(jí)而言，氣體密度大、體積流量小，流動(dòng)通道往往狹窄，使得流動(dòng)損失與前級(jí)相比較大，因此，熵值在逐級(jí)增大。圖12為前5級(jí)離心壓氣機(jī)子午面圖上流線(xiàn)分布，未發(fā)現(xiàn)流線(xiàn)偏移現(xiàn)象，即沒(méi)有回流現(xiàn)象發(fā)生，表明所得到的設(shè)計(jì)結(jié)果合理。

除轉(zhuǎn)動(dòng)部件葉輪和高流動(dòng)損失部件無(wú)葉擴(kuò)壓器外，回流器內(nèi)的流動(dòng)狀況也同樣十分重要。圖13為1～4級(jí)離心壓氣機(jī)回流器50％葉高絕對(duì)馬赫數(shù)分布云圖，可以明顯看出在第1級(jí)離心壓氣機(jī)回流器內(nèi)吸力面?zhèn)却嬖谝粋€(gè)低能流體區(qū)域，同樣現(xiàn)象在第2級(jí)離心壓氣機(jī)回流器內(nèi)也存在，但區(qū)域范圍并未像第1級(jí)內(nèi)那么大，第3級(jí)和第4級(jí)回流器內(nèi)同樣存在低能流體區(qū)域，存在位置有所不同，主要靠近壓力面?zhèn)?，在?級(jí)內(nèi)低能流體幾乎占據(jù)了整個(gè)流動(dòng)通道。檢查各級(jí)回流器內(nèi)50％葉高的速度矢量圖，尤其是存在低能流體的區(qū)域，均未發(fā)現(xiàn)氣流分離或回流現(xiàn)象，可基本證明在圖13中發(fā)現(xiàn)的低能流體區(qū)域并未對(duì)離心壓氣機(jī)的流場(chǎng)造成很大的影響，在不影響設(shè)計(jì)工況下離心壓氣機(jī)的性能前提下可不必深究。

圖14～圖16分別給出了后5級(jí)離心壓氣機(jī)子午面上的靜壓、熵增和流線(xiàn)分布圖。其中，靜壓和熵值分布趨勢(shì)與前5級(jí)相似，而在流線(xiàn)分布圖中發(fā)現(xiàn)：在各級(jí)回流器葉片進(jìn)口輪盤(pán)側(cè)，均存在回流區(qū)域，針對(duì)該部分區(qū)域的回流問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)整彎道輪盤(pán)和輪蓋型線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)解決。在圖17顯示的6～9級(jí)回流器50％葉高絕對(duì)馬赫數(shù)分布云圖中同樣存在低能流體，在相應(yīng)的速度矢量分布圖上未發(fā)現(xiàn)分離或回流現(xiàn)象，究其原因?yàn)椋涸?～9級(jí)中存在較高的氣體逆壓梯度，后級(jí)相對(duì)前級(jí)而言壓力更高，流體動(dòng)能降低更快，因此造成在從第6級(jí)到第9級(jí)的回流器內(nèi)，低馬赫數(shù)區(qū)域范圍逐級(jí)增大，但均未出現(xiàn)流體動(dòng)能低到無(wú)法克服逆壓梯度出現(xiàn)氣流分離的情況。

因此，從設(shè)計(jì)工況下多級(jí)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分析來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的單軸多級(jí)離心壓氣機(jī)合理，性能參數(shù)均滿(mǎn)足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，除后5級(jí)回流器葉片進(jìn)口輪盤(pán)側(cè)存在小范圍的回流區(qū)域外，整個(gè)多級(jí)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀況良好。若要進(jìn)一步提升該離心壓氣機(jī)級(jí)的性能，可針對(duì)單獨(dú)部件進(jìn)行級(jí)環(huán)境下的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4　結(jié)論

基于自主開(kāi)發(fā)的離心壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序，結(jié)合實(shí)際工程需求，本文開(kāi)展了一款1.5MW、總壓比為12的緊湊式單軸多級(jí)離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，采用單軸驅(qū)動(dòng)10級(jí)閉式離心壓氣機(jī)，前后5級(jí)離心壓氣機(jī)“背靠背”結(jié)構(gòu)布置。

全三維數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)工況下，10級(jí)離心壓氣機(jī)的總壓比為12.24，絕熱效率為75.4％，內(nèi)部流場(chǎng)分布狀況良好；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，失速裕度為8.6％，堵塞裕度為33％。對(duì)于主要運(yùn)行在設(shè)計(jì)工況下的多級(jí)離心壓氣機(jī)而言，所得到的各項(xiàng)性能參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

［1］LüDTKE K H.Process Centrifugal Compressors：Basics，F(xiàn)unction，Operation，Design，Application［M］.Berlin：Springer，2004.

［2］Came P M，Robinson C J.Centrifugal Compressor Design［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：JournalofMechanical Engineering Science，1998，213（2）：139-155.

［3］Marefat H A，ShahhosseiniM R，AshjariIM A.Adapted Design of Process Multi-stage Centrifugal Compressor and Comparison with Available Data［J］.International Journal ofMaterials，Mechanics and Manufacturing，2013，1（2）：195-199.

［4］Aablburg C，Simpson A，Schmitz M B，etal.Design and Testing of Multistage Centrifugal Compressors with Small Diffusion Ratios［J］. Journalof Turbomachinery，2012，134（4）：041019.

［5］Xu Cheng，Ryoichi S.Amano.Empirical Design Considerations for Industrial Centrifugal Compressors［J］.International Journal of RotatingMachinery，2012，Article ID 184061：1-15.

［6］孫曉明，林子良，陳向東，等.多級(jí)壓縮機(jī)的非等壓力比設(shè)計(jì)理論研究［J］.流體機(jī)械，2002，30（1）：15-17.

［7］劉超.一種新的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多級(jí)離心壓縮機(jī)性能預(yù)測(cè)方法［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（9）：2422-2424.

［8］王學(xué)軍.沈鼓技術(shù)發(fā)展與離心壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化［J］.通用機(jī)械，2007（1）：26-27.

［9］AUNGIER R H.Centrifugal Compressors：a Strategy for Aerodynamic Designand Analysis［M］.New York：ASMEpress，2000.

［10］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版第2卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［11］Dalbert P，Ribi B，Kmeci T，et al.Radial Compressor Design for Industrial Compressors［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal ofMechanical Engineering Science，1999，213（1）：71-83.

［12］王永生，童志庭，林峰，等.離心壓氣機(jī)無(wú)葉擴(kuò)壓段流路控制擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2012，27（9）：2106-2112.

■利用自主開(kāi)發(fā)的離心壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序，遵循效率最優(yōu)和尺寸最小化原則，研發(fā)了一款1.5 MW、總壓比為12的緊湊式單軸多級(jí)離心壓氣機(jī)。該多級(jí)離心壓氣機(jī)由單軸驅(qū)動(dòng)10級(jí)閉式離心壓氣機(jī)，其中前后5級(jí)離心壓氣機(jī)采用“背靠背”結(jié)構(gòu)布置相互抵消部分軸向力。通過(guò)全三維數(shù)值模擬整體評(píng)估了該多級(jí)離心壓氣機(jī)的性能，結(jié)果表明：設(shè)計(jì)工況下，10級(jí)離心壓氣機(jī)的總壓比為12.24，絕熱效率為75.4％，內(nèi)部流動(dòng)狀況良好；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，失速裕度為8.6％，堵塞裕度為33％。各項(xiàng)性能指標(biāo)表明所研發(fā)的多級(jí)離心壓氣機(jī)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

■多級(jí)離心壓氣機(jī)；單軸；氣動(dòng)設(shè)計(jì)

Design of a 1.5MW Com pact Single ShaftMultistage CentrifugalCompressor

Wang Yong-sheng，Lin Feng/Key Laboratory of Advanced Energy and Power，Institute of Engineering Thermophysics，Chinese AcademyofSciences

Based on an in-house aerodynamic design program，a multistage centrifugal compressorwith the power consumption of 1.5 MW and the total pressure ratio of 12 was designed to satisfy the need of a practical project.In order to achieve maximum efficiency and minimum size，ten centrifugal compressor stages with shrouded impellers were developed and driven by one shaft.The firstand last five stages adopted back-to-back structure layout to balance part of the axial aerodynamic force.Numerical simulations were carried out to evaluate the performance of this multistage centrifugal compressor.At design point，the totalpressure ratiowas12.24 and the adiabatic efficiency was 75.4％.The flow situation within the entire stage was satisfactory.The stallmargin and chokemargin at design speed were 8.6％and 33％，respectively.Overall，the design here fulfilled theexpectations.

multistage centrifugal compressor，singleshaft，aerodynamic design

TH452

A

1006-8155（2016）04-0038-07

10.16492/j.fjjs.2016.04.0064

*國(guó)家基金：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目51506195

2016-03-21北京100190