付志遠(yuǎn) 賴宇豪 李嘉穎
【摘要】離心式流體機(jī)械中擴(kuò)壓器的作用是將從葉輪流出流體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽沽黧w速度降低,壓力進(jìn)一步提高,從而提高流體機(jī)械的效率,因此廣泛應(yīng)用于離心式流體機(jī)械領(lǐng)域。本文首先研究了離心式流體機(jī)械擴(kuò)壓器相關(guān)技術(shù)在中國的專利申請情況,探討我國離心式流體機(jī)械擴(kuò)壓器的發(fā)展趨勢;并研究了其技術(shù)發(fā)展趨勢;最后對我國離心式流體機(jī)械擴(kuò)壓器領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】流體機(jī)械;擴(kuò)壓器;有葉;無葉
離心式流體機(jī)械將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的能量,用于對流體進(jìn)行增速或增壓,是流程工業(yè)中的重要設(shè)備。離心式流體機(jī)械主要包括流體進(jìn)入通道、葉輪、擴(kuò)壓器以及流體出口蝸殼等。擴(kuò)壓器的主要作用是使從葉輪出來的具有較大動能的流體減速,使動能有效的轉(zhuǎn)化為壓力能。在完成動能向壓力能轉(zhuǎn)化時(shí),損失的有用能量占損失的比例較大,因此,對擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)水平的優(yōu)劣直接影響離心式流體機(jī)械的性能指標(biāo),對擴(kuò)壓器中結(jié)構(gòu)特征以及流體流動損失情況分析研究意義重大。
1、流體機(jī)械的含義
流體機(jī)械是指以流體(氣體或液體)為能量載體與工作介質(zhì)的機(jī)械設(shè)備。流體機(jī)械的工作過程是流體的能量與機(jī)械的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換或不同能量的流體之間能量傳遞的過程。在大多數(shù)的技術(shù)和生活領(lǐng)域中都需要輸送流體介質(zhì)或借助于流體進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,流體機(jī)械是一類應(yīng)用極為廣泛的機(jī)械設(shè)備。
2、流體機(jī)械的分類
流體機(jī)械可以按照能量傳遞方向、流體與機(jī)械的相互作用、工作介質(zhì)進(jìn)行分類。
2.1按能量傳遞方向分類
照能量傳遞方向,流體機(jī)械可分為原動機(jī)和工作機(jī)。原動機(jī)是將流體的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,用于驅(qū)動其他設(shè)備,如水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)、蒸汽機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等。工作機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體的能量,將流體輸送到位置更高或壓力更高的空間,或克服阻力進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送,如泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等。
此外,流體機(jī)械還包括液力傳動裝置和液力推進(jìn)裝置。液力傳動裝置裝有兩種葉輪,分別為泵葉輪和渦輪機(jī)(水輪機(jī))葉輪,以壓力油為介質(zhì)傳遞動力,實(shí)現(xiàn)無級變速或傳動功能。
2.2按流體與機(jī)械相互作用分類
按照流體與機(jī)械相互作用的特點(diǎn),流體機(jī)械可分為葉片式、容積式及其它形式。
葉片式流體機(jī)械中,能量轉(zhuǎn)換是在帶有葉片的轉(zhuǎn)子及連續(xù)繞流葉片的介質(zhì)之間進(jìn)行的。流體對葉片做連續(xù)繞流,葉片改變了流體的運(yùn)動狀態(tài),運(yùn)動的流體與轉(zhuǎn)的的葉片之間產(chǎn)生作用力和反作用力,實(shí)現(xiàn)流體與機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換。
葉片式流體機(jī)械可按葉輪轉(zhuǎn)換成流體能量的形式分為反擊式和沖擊式兩類。反擊式流體機(jī)械中流體的動能與勢能均發(fā)生變化,流體介質(zhì)充滿流道,進(jìn)口與出口處速度和壓力變化明顯。而在沖擊式流體機(jī)械中,僅流體的動能發(fā)生變化,進(jìn)出口處壓力不變,一般為大氣壓。反擊式水輪機(jī)可根據(jù)流體進(jìn)出葉輪的方向不同進(jìn)一步分為徑流式、混流式、斜流式與軸流式等。沖擊式又可細(xì)分為切擊式、斜擊式與雙擊式等形式。
容積式流體機(jī)械中,能量的交換是通過運(yùn)動部件和靜止部件或者兩個(gè)運(yùn)動部件之間的容積的周期性變化來實(shí)現(xiàn)的。流體與機(jī)械之間的相互作用力為靜壓力。根據(jù)運(yùn)動方式不同,可分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩類。
還有一些不屬于以上兩類的流體機(jī)械,在這些流體機(jī)械中,能量主要是在兩種具有不同能量的流體之間進(jìn)行傳播。
2.3按工作介質(zhì)分類
按照工作介質(zhì),流體機(jī)械可分為水利機(jī)械和熱力機(jī)械。水利機(jī)械以液體為工作介質(zhì),熱力機(jī)械以氣體為工作介質(zhì)。一般地,可認(rèn)為液體不可壓縮,氣體可壓縮。但要特別注意的是,可壓縮性概念是相對的,流體是否可壓縮,要視具體情況而定。
3、高轉(zhuǎn)速離心式壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀
3.1節(jié)能高效是當(dāng)前研究核心
當(dāng)今世界環(huán)境保護(hù)的主題之一就是節(jié)能,高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機(jī)當(dāng)然也是奔著節(jié)能高效研究,高效節(jié)能是當(dāng)前研究的核心。由于高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機(jī)主要應(yīng)用于大流量的制冷系統(tǒng)中,在該系統(tǒng)中預(yù)制最密切相關(guān)的就是壓縮機(jī)的流量和效率,而且也與運(yùn)行相關(guān),因此要特別關(guān)注?;顒硬考缴龠\(yùn)行性能就越可靠,壓縮機(jī)僅僅兩到三個(gè)活動部件,比較可靠,在荷載工作的時(shí)候還可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)整緩解。在大型系統(tǒng)中,相較與渦旋式、螺桿式還有回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速離心式制冷壓縮機(jī)不但輕巧、體積小、重量也只有其他形式壓縮機(jī)的幾分之幾,便于安裝在許多機(jī)械上,大大提高了效率。至于如何能做到高效節(jié)能,是重點(diǎn)研究的方向,國內(nèi)外不乏這方面的額研究,相關(guān)文獻(xiàn)也十分的多。從當(dāng)前的研究情況來看,離心式壓縮機(jī)的提高效能的改革方案主要集中在葉輪的選擇,即,究竟是全部采用最新的三元葉輪還是只是更換一部分,剩余的還是原來使用的一元葉輪或者二輪葉輪;還有是否采用小間隙軟密封;氣流通道的光滑;采用干氣密封;軸承是否選用磁力材質(zhì)來增加離心率;采用葉片調(diào)節(jié)葉片擴(kuò)壓器;采用可轉(zhuǎn)動的進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié);或者降低壓縮機(jī)各段的進(jìn)口溫度;最后就是合理匹配級與級之間的參數(shù)等。
3.2葉輪設(shè)計(jì)理論
離心式壓縮機(jī)中比較復(fù)雜的構(gòu)造在于流道的形狀,有著氣流的摩擦和邊界層,參數(shù)十分不穩(wěn)定,任何速度、壓力、溫度以及密度的變化或者在流道運(yùn)行過程中都可能沿道發(fā)生變化,參數(shù)的變化可能只是十分微小的,但是失之毫厘謬以千里,何況各個(gè)界面上的參數(shù)點(diǎn)數(shù)也都是不定的,也就是說,極中氣體是三元流動的,除此之外,不同元數(shù)的葉輪也對氣流參數(shù)產(chǎn)生影響,空間內(nèi),葉片上的任一點(diǎn)上氣流參數(shù)周期都隨著時(shí)間的變化在發(fā)生改變。這個(gè)非定數(shù)的流動參數(shù),當(dāng)氣流為三元葉輪時(shí)的非定常流動時(shí),研究過程相當(dāng)?shù)姆睆?fù),因?yàn)楫?dāng)中的不定因素太多,幾乎每一個(gè)步驟都要進(jìn)行小心假設(shè)。三元葉輪是現(xiàn)代壓縮機(jī)技術(shù)中最能提高效率的一種,所以大多數(shù)高效節(jié)能的壓縮機(jī)都采用三元流動理論做支撐的三元葉輪設(shè)計(jì)。
3.3潤滑、密封和軸承
離心式壓縮機(jī)的熱力計(jì)算需要研究許多方面,從軸端泄露對其的影響來看,現(xiàn)今階段的研究結(jié)果表明,軸端泄露對其性能影響十分顯著,軸端密封顯得必不可少。于是,為了更好地運(yùn)行離心式壓縮機(jī),軸端密封中采取干氣密封。干氣密封有其他密封方式?jīng)]有的優(yōu)點(diǎn),它是一種氣流運(yùn)動的流體動壓潤滑的非接觸式密封方式,這種密封方式因?yàn)闆]有接觸,比傳統(tǒng)密封方式磨損相對少,壽命也就相對較長,而且泄露的量也少。
在軸承的選擇上,最新的壓縮機(jī)軸承選擇一般都是有很好動力學(xué)特性的磁力軸承。它最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是無論在什么時(shí)刻,軸上的部件都是處于懸浮狀態(tài)中,沒有和軸承直接的接觸,這樣說明,無論在什么時(shí)候都可以任意地停止轉(zhuǎn)子,也可以在任意地轉(zhuǎn)速中使轉(zhuǎn)子正常地工作。
潤滑系統(tǒng)可以說是任何一個(gè)壓縮機(jī)中都不可或缺的部分。其主要的構(gòu)造包括油泵、電機(jī)、冷卻器、過濾器、加速器、油管和油壓表等等部件。在使用離心式制冷壓縮機(jī)的空調(diào)中被廣泛地應(yīng)用。在這個(gè)有著很多零件的系統(tǒng)中,使得制冷系統(tǒng)組合構(gòu)造有些復(fù)雜,也增加了其重量,潤滑油的保溫導(dǎo)熱的特性也明顯降低了制冷效果,讓制冷劑有些有心無力,但世界的技術(shù)總是在發(fā)展的,通過磁力轉(zhuǎn)子和磁力軸承的完美配合組成的同步電機(jī),扭轉(zhuǎn)了這一局面,使系統(tǒng)性能提高了近三成的百分點(diǎn)。
4、流體機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用
流體機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)的各部門和社會生活各領(lǐng)域都得到了極廣泛的應(yīng)用,而且技術(shù)越發(fā)展,(下轉(zhuǎn)第頁)
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流體機(jī)械的應(yīng)用也越廣泛、作用越大。可以說,幾乎沒有哪一個(gè)生活領(lǐng)域沒有流體機(jī)械。
1)電力工業(yè):目前的電力生產(chǎn)有三種主要方式:熱力發(fā)電(火電)、水力發(fā)電和核能發(fā)電,在這三種發(fā)電方式中,流體機(jī)械都起著重要的作用。在火電站和核電站中,除用作主機(jī)的汽輪機(jī)外,還有許多泵和風(fēng)機(jī)。
2)水利工程:水利工程不管是灌溉、排澇還是供水,都需要相應(yīng)容量的泵。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國排灌機(jī)械的配套功率,在20世紀(jì)80年代已達(dá)57000MW。
3)化學(xué)工業(yè):在化工流程中,參與反應(yīng)的原料、中間產(chǎn)品經(jīng)常是液體或氣體,即便是固體物料,也經(jīng)常以溶液或溶液的形態(tài)參與化學(xué)反應(yīng),所以輸送各種流體的泵和壓縮機(jī)被稱為化工廠的心臟。
4)石油工業(yè):在石油和天然氣的鉆探、開采、運(yùn)輸和加工過程中,泵和壓縮機(jī)都是重要的設(shè)備,其中包括一些為適應(yīng)特殊使用要求而開發(fā)的高技術(shù)產(chǎn)品。
5)鋼鐵工業(yè):在鋼鐵的冶煉過程中需要大量的空氣和氧氣支持燃燒,需要使用大量的風(fēng)機(jī),另外,生產(chǎn)過程中也需消耗大量的水,在供水和水處理方面使用泵的數(shù)量也很多。
可以說,凡是需要有氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)流送的地方,都需要有泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等流體機(jī)械。
結(jié)論:
隨著我國重工業(yè)的發(fā)展,諸如壓縮機(jī)和泵等過程設(shè)備在石油、化工和發(fā)電等很多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用,因此,我國的擴(kuò)壓器技術(shù)也得到了快速發(fā)展,取得了一些成果,但與國外擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓技術(shù)相比還存在較大差距,縱觀目前擴(kuò)壓器技術(shù)的研究現(xiàn)狀,對今后的發(fā)展方向歸納為:1)加強(qiáng)對擴(kuò)壓器的理論技術(shù)研究,尋求新的技術(shù)突破點(diǎn),進(jìn)一步提高自主創(chuàng)新能力;2)根據(jù)市場需求,進(jìn)一步加大導(dǎo)葉可調(diào)式擴(kuò)壓器的研究力度,提高壓縮機(jī)的工作效率;3)加強(qiáng)國內(nèi)市場占有率的同時(shí),逐漸進(jìn)入海外市場,逐步形成參與國際競爭的優(yōu)勢。
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