TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展


TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖1

1853年都納爾(Tournaire)向法國科學院提出了多級軸流壓縮機的概念。1884年英國C.A.帕森斯(Parsons)將多級反動式透平反向旋轉,得出了第一臺軸流式壓縮機,19級,流量85kg/s,壓力12.1kPa·G,轉速4000r/min,效率約60%。由于效率低,故軸流式壓縮機未能成功地推廣應用。

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖2

從二十世紀三十年代開始,由于航空事業發展的需要,對航空燃氣輪機進行了大量的理論和試驗研究,特別是對軸流式壓縮機的氣體動力學的理論研究和平面葉柵吹風的試驗研究,使軸流式壓縮機的理論和設計方法不斷完善,效率提高到80~85%。從四十年代開始,軸流式壓縮機已廣泛應用于航空燃氣輪機中,迄今仍占有很重要的地位。現代軸流式壓縮機的效率可高達89~91%,甚至更高。

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖3

我國的軸流壓縮機發展起步較晚,也是從燃氣輪機中的壓縮機研究開始起步的,到二十世紀六十年代末期第一臺試制成功,1970年開始投運。該軸流壓縮機為全部靜葉固定,效率為85~86%。一般軸流壓縮機分為:等中徑軸流壓縮機、等內徑軸流壓縮機和等外徑軸流壓縮機,如下圖所示:

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖4


TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖5
等內徑軸流壓縮機的典型結構示意圖

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖6
等外徑軸流壓縮機的典型結構示意圖

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖7
等中徑軸流壓縮機的典型結構示意圖


由于軸流壓縮機技術是非常成熟的,氣體壓縮過程的流道短且簡單,氣體轉向變化小,基本是沿軸流動,離心壓縮機壓縮氣體的流道長且有較多的急劇轉彎,因而軸流壓縮機損失小,效率高。再次,軸流壓縮機的葉柵在空氣動力學方面的理論研究和試驗工作相對比較充分,試驗數據和設計方法比較成熟,所以軸流壓縮機效率通常比離心壓縮機高8%~10%。壓縮相同容積的氣體時,具有復雜流道的多級離心壓縮機機器尺寸比軸流壓縮機大的多。另外,軸流機的故障率較低,比離心機少很多。沒有易損件,維護也比離心機方便。

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖8


我國近年來軸流壓縮機設計技術快速提升,但是現在工業的迅速發展,催使軸流壓縮機設計需要更大的葉輪直徑、更高的流量系數、更廣的高效運行區、更低的泄漏量,進而實現同等量級壓縮機在尺寸上進一步減小,生產制造成本的進一步降低。未來,更先進的設計理念及更精確到CFD仿真技術,更新穎高效的結構布局、高度集成的系統會不斷的出現,必然會促使軸流壓縮機設計技術的快速進步。

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖9

目前,隨著設計認知進一步提高,國際上流體機械的研發工具在國內不斷的推進,加快了我國自主研發的水平,但具有自主知識產權的CAE設計軟件在國內屈指可數。在高端軸流壓縮機設計的國家,CAE建模仿真技術一直在制造業發展中的戰略核心位置,高性能計算建模與模擬能夠明顯的縮短設計周期,加強競爭力,將其立于服務于國家利益的關鍵技術。

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖10

設計先進、高效、經濟、緊湊的葉輪機械,同時降低設計成本和縮短設計周期,已經成為現代葉輪機械設計的一個重要目標。Turbotides作為聚焦于透平機械設計的一體化CAE研發平臺,其包括總體設計、一維設計、幾何造型和二維通流分析、三維CFD仿真及FEA轉子動力學分析,將各個模塊高度集成,數據無損傳輸。同時結合強大的知識庫功能,可將用戶的所有設計數字化、標準化。借助Turbotides平臺,可實現透平機械的快速、高效一站式設計,必將助力國內軸流壓縮機設計技術的快速發展。

TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展的圖11
文章來源:太澤
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