离心压缩机历史

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1、离心压缩机的发展历程摘要：介绍了过去五十年来离心压缩机在设计、分析和制造方法上所取得的进步，以及这些方面的历史变革过程，论证了这些技术进步及其它的一些技术创新是如何对现代透平机械的空气动力学和转子动力学性能的发展所产生的重要影响。关键词：离心压缩机；发展；效率；空气动力学；转子动力学；设计；制造Abstract:Thispaperaddressestheadvancementsthathavebeenmadeduringthepast50yearsinthedesign,analysis,andmanufacturingmethodsforcentrifu

2、galcompressors.Thepaperprovidesahistoricalperspectiveonthesedisciplines,citinghowtheyandothertechnologicalinnovationshavecontributedtosignificantimprovementsintheaerodynamicandrotordynamicperformanceofmodernturbomachines.Keyword：centrifugalcompressor;develop-ment;efficiency;aerody

3、namics;rotordynamics;design;manufacturing0引言第一台工业上使用的离心压缩机是在人类迈入20世纪时与早期的燃气轮机一同出现的。其中一些工作是由发明第一台燃气轮机的Elling在1903年完成的。在20世纪初期，这些压缩机也被应用在过程工业中。最早应用的是钢铁厂中的高炉鼓风机。例如，某设备制造商（OEM）将第一台7系列的离心压缩机在1912年销售给了位于美国密苏里州圣路易斯的Scullin钢铁公司。即使按照现在的标准衡量，这些鼓风机也是大型的设备。虽然在功能上相同，但是以前压缩机中的基本部件如：轴承、密封、叶轮和扩压器

4、等与现在压缩机中复杂内部部件相比，还是有很大的不同。提高制造方法是发展现代高性能离心压缩机的一个重要因素。如果不能精确加工出为了提高性能所设计的复杂型线，那么应用现代尖端分析和设计技术就显得意义不大。能够取得当前的高效率水平，与现在的制造方法是密不可分的。不过，这种看法最初并不被认同。在离心压缩机发展的初期阶段，设计水平在一定程度上受到了当时制造方法的限制。设备制造商在进行设计时，不得不使用当时较为有限的几种方法，包括机械加工（即车削、三轴铣制）、联接（即焊接、铆接）和铸造。机械加工技术当时只有车削和三轴铣制。这两种方法只能加工非常简单的二维型线，并被应用

5、在大多数离心压缩机上，但是无法满足大流量和（或）高马赫数的要求。设备制造商必须使用焊接或铸造，来制造应用在较高流量场合的更复杂的型线。事实上，直到20世纪50年代末、60年代初，焊接叶轮还没有被大量的使用。因此，早期离心压缩机的叶轮主要是铸造或者是铆接的。一些最早期的铆接叶轮可以追溯到20世纪20年代。同样，定子部件也是焊接或铸造的。由于当部件相同时，重复铸造可以降低成本；当时提高性能不是考核的关键，大多数设备制造商倾向于使用铸造方法。压缩机机壳使用铸件的方式，直到20世纪50年代还较为普遍。不过铸造部件表面粗糙的特性，决定了在使用它的时候，必须牺牲一些空

6、气动力学性能，但是并不阻碍它可以大量被应用在工艺压缩机中。当时甚至整个通流部分均可以由铸件组成。之后，通流部分部件开始较少使用铸件，而是用焊接、螺栓连接、或铆接的型式来制造。在这些早期压缩机中，其主要性能指标只是简单地压缩气体，能量消耗不是主要考核点。随着高能耗所造成的高成本和设备制造商们的竞争升级，越来越有必要开发高性能的离心压缩机。过去60年来,压缩机最高效率的发展过程见图1。图中曲线表示流量系数φ大于0.080的离心压缩机基本级。当基本级流量系数较小时，由于各种损失的影响，其最高效率相对较低。从图中可以看出，在20世纪50年代的最高效率大多分布在70

7、%～75%。那时的能源相对丰富，没有人在意性能相对低的离心压缩机。但是随着20世纪70年代中期能源危机的爆发，用户与压缩机制造商开始注重降低能量消耗，使得原动机和压缩机的性能大大提高，压缩机效率达到了80%～85%。在90年代和本世纪初，效率得到进一步发展，可以接近90%。但是多级离心压缩机工业正在逼近由90%～92%的理论多变效率决定的效率极限。因此，想要设计出效率高于92%的多级工艺离心压缩机几乎是不可能的。显然，牛顿定律和热力学定律就决定了压缩机不可能达到100%的效率。此外，还有一些基本损失（即二次流、边界效应、泄漏、气流角度偏差、轴承磨擦等）在基

8、本级中是不可避免的。这些基本损失会将多级离心压缩机的效率限制在90