基于正交试验的离心压缩机叶轮摩擦损失优化分析

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1、基于正交试验的离心压缩机叶轮摩擦损失优化分析庞海英李爽张吉礼/哈尔滨工业大学摘要：推导了叶轮摩擦损失的数学模型，针对与之相关的众多结构参数，采用正交试验的方法，对各影响因素进行优化分析，找出了影响叶轮摩擦损失的关键结构参数，并比较其影响的显著性。关键词：离心式压缩机；叶轮摩擦损失；正交试验中图分类号：TH452文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）05-0023-04OptimizationAnalysisonImpellerFrictionLossesinCentrifugalCompressorbasedonOrthogonalTestAbstract:Inthi

2、spaper,themathematicalmodelofimpellerfrictionlossesisdeduced.Themethodoforthogonaltestisappliedtooptimallyanalyzealltheinfluencingfactors.Thekeystructuralparametersinfluencingimpellerfrictionlossesarefoundoutandthesignificanceofitsinfluenceiscompared.Keywords:centrifugalcompressor;impellerfrict

3、ionlosses;orthogonaltest0引言近年来，热泵作为一种既节能又环保的技术越来越受到人们的重视，并且逐步向大型热泵装置的方向发展[1]。在工业生产中，不但需要大量能源，而且产生和浪费了大量各种形式的余热，特别是低温余热。实践证明，低温余热完全可以作为二次能源来开发和利用，其中采用热泵技术就是重要方法之一。国外热泵技术已成功地应用于许多工业部门，并取得了良好的节能效果[2]。压缩机作为压缩式热泵的核心部件，其运行的效率、工况范围和安全性能直接影响着整个机组的性能。压缩机级内部的损失主要包括吸气室损失、叶轮入口损失、叶轮流道内的摩擦损失、漏气损失、轮阻损失、无叶扩压器损

4、失、弯道与回流器损失和蜗壳损失(最后一级)。本文主要针对叶轮部分的流道摩擦损失分析，找出对流道摩擦损失影响大的结构参数，为压缩机的设计提供参考。1叶轮流道内部的摩擦损失模型建立当气体流经压缩机时，由于粘性作用，在贴近流道壁的地方流速最小，中间主流流速最大，这样将气流分成许多层，层与层之间流速各不相同，因而产生摩擦损失。_____________________________收稿日期：2008-01-07哈尔滨市150090由文献[3]摩擦损失为9(1)式中为假想通道是直管时的摩擦损失。(2)式中为摩擦因数，；为叶片通道平均水力直径，m；为叶片通道平均长度，m；为叶片通道内平均速度，

5、m/s。(3)（4）(5)式中分别为叶轮进口外径、内径相对速度、出口相对速度m/s；为叶片通道在子午面上的平均曲率半径，m。(6)式中为叶轮出口直径，m；为叶轮出口安装角；分别为叶轮进口外径、内径，m；分别为叶轮进口外径、内径安装角；为叶片出口宽度，m；为叶轮出口叶片数，片；为叶轮轴向长度，m。与叶轮进口截面直径相等，;。2结构参数优化分析由于离心式压缩机在进行设计时有很多参数都有经验的取值范围，这些参数在其取值范围之内取不同值时对设计结果影响程度有多大，哪些是关键的影响参数，哪些对于关键性影响参数的取值更重要，所以就这些问题用正交设计方法对压缩机结构参数进行优化分析。叶轮摩擦损失优

6、化分析叶轮摩擦损失计算公式见式(1)~(6)，首先来简化摩擦损失公式。式(1)中的的处理如下，把此分式中的分子、分母同时除以可以得到：9(7)(8)同样的方法来处理式(2)中的项：(9)对式(7)~(9)代入简化条件：，，，并进行量级比较，简化为(10)(11)(12)以上公式中各参数的意义详见式(1)~(6)。下面来处理式(2)中的摩擦因数和叶片通道内平均速度这两项。(1)摩擦因数的处理摩擦因数cfb=0.0412Re-0.1925，关键是雷诺数的处理。雷诺数的大小，代表了作用在气体微团上惯性力与粘性力的比值，雷诺数越大，则相比之下粘性力的影响就越小。当雷诺数超过某一定界限时，级的

7、一些气动参数(流动效率、等熵效率、多变效率、能量头系数)就不受雷诺数大小的限制，这种现象称为粘性力的自动模化，而这个界限的数值就是临界雷诺数，对于离心式压缩机的级来说，其临界雷诺数为5×106~5×107，实际上经常用的是雷诺数大于临界雷诺数的情况。所以，把雷诺数当作常数并取5×107来计算，所以摩擦因数也为一常数。(2)叶片通道内平均速度的处理叶片通道内平均速度，由，则，将等式两边同时除以，得9(13)式(13)中，/是叶轮内相对速度的减速比。此值如果过