离心式流体机械扩压器研究现状及发展展望

付志远 赖宇豪 李嘉颖

【摘要】离心式流体机械中扩压器的作用是将从叶轮流出流体的动能转变为压力能，使流体速度降低，压力进一步提高，从而提高流体机械的效率，因此广泛应用于离心式流体机械领域。本文首先研究了离心式流体机械扩压器相关技术在中国的专利申请情况，探讨我国离心式流体机械扩压器的发展趋势；并研究了其技术发展趋势；最后对我国离心式流体机械扩压器领域的发展进行了展望。

【关键词】流体机械；扩压器；有叶；无叶

离心式流体机械将机械能转变为流体的能量，用于对流体进行增速或增压，是流程工业中的重要设备。离心式流体机械主要包括流体进入通道、叶轮、扩压器以及流体出口蜗壳等。扩压器的主要作用是使从叶轮出来的具有较大动能的流体减速，使动能有效的转化为压力能。在完成动能向压力能转化时，损失的有用能量占损失的比例较大，因此，对扩压器的设计水平的优劣直接影响离心式流体机械的性能指标，对扩压器中结构特征以及流体流动损失情况分析研究意义重大。

1、流体机械的含义

流体机械是指以流体（气体或液体）为能量载体与工作介质的机械设备。流体机械的工作过程是流体的能量与机械的机械能相互转换或不同能量的流体之间能量传递的过程。在大多数的技术和生活领域中都需要输送流体介质或借助于流体进行能量转换，流体机械是一类应用极为广泛的机械设备。

2、流体机械的分类

流体机械可以按照能量传递方向、流体与机械的相互作用、工作介质进行分类。

2.1按能量传递方向分类

照能量传递方向，流体机械可分为原动机和工作机。原动机是将流体的能量转换成机械能，用于驱动其他设备，如水轮机、风力机、蒸汽机和燃气轮机等。工作机是将机械能转换成流体的能量，将流体输送到位置更高或压力更高的空间，或克服阻力进行远距离输送，如泵、风机和压缩机等。

此外，流体机械还包括液力传动装置和液力推进装置。液力传动装置装有两种叶轮，分别为泵叶轮和涡轮机（水轮机）叶轮，以压力油为介质传递动力，实现无级变速或传动功能。

2.2按流体与机械相互作用分类

按照流体与机械相互作用的特点，流体机械可分为叶片式、容积式及其它形式。

叶片式流体机械中，能量转换是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的介质之间进行的。流体对叶片做连续绕流，叶片改变了流体的运动状态，运动的流体与转的的叶片之间产生作用力和反作用力，实现流体与机械的能量转换。

叶片式流体机械可按叶轮转换成流体能量的形式分为反击式和冲击式两类。反击式流体机械中流体的动能与势能均发生变化，流体介质充满流道，进口与出口处速度和压力变化明显。而在冲击式流体机械中，仅流体的动能发生变化，进出口处压力不变，一般为大气压。反击式水轮机可根据流体进出叶轮的方向不同进一步分为径流式、混流式、斜流式与轴流式等。冲击式又可细分为切击式、斜击式与双击式等形式。

容积式流体机械中，能量的交换是通过运动部件和静止部件或者两个运动部件之间的容积的周期性变化来实现的。流体与机械之间的相互作用力为静压力。根据运动方式不同，可分为往复式和回转式两类。

还有一些不属于以上两类的流体机械，在这些流体机械中，能量主要是在两种具有不同能量的流体之间进行传播。

2.3按工作介质分类

按照工作介质，流体机械可分为水利机械和热力机械。水利机械以液体为工作介质，热力机械以气体为工作介质。一般地，可认为液体不可压缩，气体可压缩。但要特别注意的是，可压缩性概念是相对的，流体是否可压缩，要视具体情况而定。

3、高转速离心式压缩机研究现状

3.1节能高效是当前研究核心

当今世界环境保护的主题之一就是节能，高转速离心式制冷压缩机当然也是奔着节能高效研究，高效节能是当前研究的核心。由于高转速离心式制冷压缩机主要应用于大流量的制冷系统中，在该系统中预制最密切相关的就是压缩机的流量和效率，而且也与运行相关，因此要特别关注。活动部件越少运行性能就越可靠，压缩机仅仅两到三个活动部件，比较可靠，在荷载工作的时候还可以通过调节转速来调整缓解。在大型系统中，相较与涡旋式、螺杆式还有回转式压缩机高转速离心式制冷压缩机不但轻巧、体积小、重量也只有其他形式压缩机的几分之几，便于安装在许多机械上，大大提高了效率。至于如何能做到高效节能，是重点研究的方向，国内外不乏这方面的额研究，相关文献也十分的多。从当前的研究情况来看，离心式压缩机的提高效能的改革方案主要集中在叶轮的选择，即，究竟是全部采用最新的三元叶轮还是只是更换一部分，剩余的还是原来使用的一元叶轮或者二轮叶轮；还有是否采用小间隙软密封；气流通道的光滑；采用干气密封；轴承是否选用磁力材质来增加离心率；采用叶片调节叶片扩压器；采用可转动的进口导叶调节；或者降低压缩机各段的进口温度；最后就是合理匹配级与级之间的参数等。

3.2叶轮设计理论

离心式压缩机中比较复杂的构造在于流道的形状，有着气流的摩擦和边界层，参数十分不稳定，任何速度、压力、温度以及密度的变化或者在流道运行过程中都可能沿道发生变化，参数的变化可能只是十分微小的，但是失之毫厘谬以千里，何况各个界面上的参数点数也都是不定的，也就是说，极中气体是三元流动的，除此之外，不同元数的叶轮也对气流参数产生影响，空间内，叶片上的任一点上气流参数周期都随着时间的变化在发生改变。这个非定数的流动参数，当气流为三元叶轮时的非定常流动时，研究过程相当的繁复，因为当中的不定因素太多，几乎每一个步骤都要進行小心假设。三元叶轮是现代压缩机技术中最能提高效率的一种，所以大多数高效节能的压缩机都采用三元流动理论做支撑的三元叶轮设计。

3.3润滑、密封和轴承

离心式压缩机的热力计算需要研究许多方面，从轴端泄露对其的影响来看，现今阶段的研究结果表明，轴端泄露对其性能影响十分显著，轴端密封显得必不可少。于是，为了更好地运行离心式压缩机，轴端密封中采取干气密封。干气密封有其他密封方式没有的优点，它是一种气流运动的流体动压润滑的非接触式密封方式，这种密封方式因为没有接触，比传统密封方式磨损相对少，寿命也就相对较长，而且泄露的量也少。

在轴承的选择上，最新的压缩机轴承选择一般都是有很好动力学特性的磁力轴承。它最显著的优点就是无论在什么时刻，轴上的部件都是处于悬浮状态中，没有和轴承直接的接触，这样说明，无论在什么时候都可以任意地停止转子，也可以在任意地转速中使转子正常地工作。

润滑系统可以说是任何一个压缩机中都不可或缺的部分。其主要的构造包括油泵、电机、冷却器、过滤器、加速器、油管和油压表等等部件。在使用离心式制冷压缩机的空调中被广泛地应用。在这个有着很多零件的系统中，使得制冷系统组合构造有些复杂，也增加了其重量，润滑油的保温导热的特性也明显降低了制冷效果，让制冷剂有些有心无力，但世界的技术总是在发展的，通过磁力转子和磁力轴承的完美配合组成的同步电机，扭转了这一局面，使系统性能提高了近三成的百分点。

4、流體机械在国民经济中的应用

流体机械在国民经济的各部门和社会生活各领域都得到了极广泛的应用，而且技术越发展，（下转第页）

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流体机械的应用也越广泛、作用越大。可以说，几乎没有哪一个生活领域没有流体机械。

1）电力工业：目前的电力生产有三种主要方式：热力发电（火电）、水力发电和核能发电，在这三种发电方式中，流体机械都起着重要的作用。在火电站和核电站中，除用作主机的汽轮机外，还有许多泵和风机。

2）水利工程：水利工程不管是灌溉、排涝还是供水，都需要相应容量的泵。据统计，我国排灌机械的配套功率，在20世纪80年代已达57000MW。

3）化学工业：在化工流程中，参与反应的原料、中间产品经常是液体或气体，即便是固体物料，也经常以溶液或溶液的形态参与化学反应，所以输送各种流体的泵和压缩机被称为化工厂的心脏。

4）石油工业：在石油和天然气的钻探、开采、运输和加工过程中，泵和压缩机都是重要的设备，其中包括一些为适应特殊使用要求而开发的高技术产品。

5）钢铁工业：在钢铁的冶炼过程中需要大量的空气和氧气支持燃烧，需要使用大量的风机，另外，生产过程中也需消耗大量的水，在供水和水处理方面使用泵的数量也很多。

可以说，凡是需要有气态和液态物质流送的地方，都需要有泵、风机和压缩机等流体机械。

结论：

随着我国重工业的发展，诸如压缩机和泵等过程设备在石油、化工和发电等很多领域发挥着越来越大的作用，因此，我国的扩压器技术也得到了快速发展，取得了一些成果，但与国外扩压器的扩压技术相比还存在较大差距，纵观目前扩压器技术的研究现状，对今后的发展方向归纳为：1）加强对扩压器的理论技术研究，寻求新的技术突破点，进一步提高自主创新能力；2）根据市场需求，进一步加大导叶可调式扩压器的研究力度，提高压缩机的工作效率；3）加强国内市场占有率的同时，逐渐进入海外市场，逐步形成参与国际竞争的优势。

参考文献：

[1]谭佳健.离心式压缩机可调进口导叶研究综述[J].风机技术，2006（3）：44-48.

[2]珠海格力电器股份有限公司.可调扩压器结构及具有该可调扩压器结构的压缩机[P].CN：103075370B，2015.