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流体机械学科中科学问题与发展谷传纲教授2008年8月2日按我国分类，流体机械是‘动力工程及工程热物理’一级学科下的二级学科。按美国ASME关于转动机械分为二类：PowerMech.Eng.,FluidsMech.Eng.按功能转换分类：动力机械—能转换为机械功流体机械—机械功转换为能流体机械主要包含：压缩机、鼓风机、通风机、水泵、水轮机及工程系统。是军工、石化、钢铁、冶金、发电、空调、制冷等行业中最关键的旋转机械，其工作的高效性、可靠性与安全性，直接关系到企业的效益。引言流体机械学科的理论基础为叶轮机械气动热力学、流体力学、气体动力学、工质热物性、优化设计理论、强度与转子动力学、轴承理论、监测与控制、密封技术、现代测量技术等学科的交叉。由于叶轮机械技术涉及军工、航空、航天、国家重大装备如炼油、化肥、化纤、乙烯、发电领域，是一个国家整体技术实力的反映，一直受到各国政府、企业、科研院校的极大重视。一学科的概况流体机械分类从应用领域分：供能：汽轮机、燃气轮机、水轮机耗能：压缩机、风机、水泵、油泵能量回收：轴流、离心，热泵,增压器从工作原理分：轴流式：大流量、低压力离心式：小流量、高压力容积式：(齿轮、罗兹、螺杆、回转、往复)更小流量、更高压力。叶轮机械透平机压缩机离心式轴流式大流量、低压头中小流量、高压头国家重大装备中的关键转动设备之一，如大型石化企业年产值在几十亿至几百亿以上，压缩机是关键设备之一。机组的高效性与可靠性是非常重要的。叶轮机分类流体机械在工业界应用石化行业：离心压缩机，少量空气轴流压缩机,往复式压缩机，能量回收透平电力行业：轴流与离心通风机，水泵、油泵，水轮机钢铁、冶金、水泥、车辆、交通、采矿行业：压缩机、风机、水泵、油泵制药、发酵、酒精行业：压缩机、风机、水泵环保行业：污水处理曝气风机、带气水泵、脱硫用风机制冷、空调行业：批量空调风机，隧道风机，制冷压缩机南水北调、西气东输：天然气压缩机、水泵燃气轮机中：轴流与离心压缩机燃气与气体行业：轴流与离心压缩机风力发电、潮汐发电、海水淡化(热泵、渗透膜)行业特点：规模量大面广叶轮式压缩机与透平的应用1)固定式(民用压缩机、透平、通风机、水轮机、水泵)炼油工业：炼化、加氢，采油用压缩机达1000ata化工过程：获得高温、高压：co2压缩机达几百ata矿山、冶金、钢铁：空分装置、能量回收透平TRT、氧压机，烧结风机发电用燃机、汽轮机、水轮机、通风机、水泵空调与通风、干燥、净化、湿化系统用压缩机、通风机2)移动式(军用)离心压缩机+向心透平轴流、离心压缩机+向心透平(轴流透平)轴流压缩机+轴流透平喷水推进，气垫船的气垫与动力流体机械国内外技术发展方向先进的气动力学、水动力学设计理论与优化方法：基于模型级的整机优化,直接优化设计强度与转子动力学设计气固、液固耦合设计先进制造技术：五座标铣床、真空焊接、动平衡，轴承与密封监测与控制系统高速化、小型化、高压比、小流量流体机械设计技术与发展从一维、二维到三维流场计算从定常设计到非定常设计从以经验与实验数据为基础的设计方法到三多设计(多设计工况、多约束条件、多目标函数)与二非(非定常流与非稳定流动)设计非定常流动引起轴系振动与气固、流固耦合分析等叶轮式机械持续发展的因素1基础理论方面：叶轮机气动力学，N-S方程、紊流目前仍处于无解的状态。CFD软件是在雷诺时均方程基础上发展，有很大的缺陷。其根本的问题是建立在表象法上，并非从物理上寻找本质的东西，其次是数据过多，难以分析。要解决的实际问题很多：高温、高压、高效、高转速、高推重比，宽工况范围、小型化、安全可靠性的要求，对设计、材料、加工工艺、安装调试，监测、控制提出越来越高的要求。叶轮式机械持续发展的因素2叶轮机理论并不是一个纯理论。由于叶轮机牵涉到军事工业与国家经济命脉的行业，各大国均十分重视。如我国863的投入与近年军工投入、西气东输，21套发电用燃机等投入。由于叶轮机是提供动力与能源，所以，无论其他如生物，基因，微电子技术发展，仍不能代替叶轮机的作用。目前大至120万千瓦的单机，小至几十毫米见方的微型燃机。很小的几十微米的水泵。发展空间很大。麻省理工开发的微型燃机移动式离心压缩机的发展1与轴流相比，流量小，压比高，效率较低，简单来自航空推进技术与工业需求的动力航空推进技术的引入推动了离心压缩机的发展。英国的FrankWhittle和德国的HansJoachlmPabstvonchain分别造出了世界上第一台喷气发动机，他们都使用了离心压缩机Vonchain的HeW3B发动机与1939年4月27日装在亨克尔78式战斗机上完成了世界上第一次喷气飞行，安装Whitttle的WI发动机的幽灵式E28／39战机于1941年5月15日第一次飞行。移动式离心压缩机的发展2FrankWhittle于1930年7月申请了喷气式发动机专利，图4和图5是WhitttleWI型发动机的剖面图和转子图，装有一个两侧进气的单级离心压缩机，由同轴的单级透平带动，使用双面进气转子是为了防止转子尖部流速超音，并减少轴承承受的轴向力，他曾设想制造单级压比为4的压缩机，当时最高的压比为2.5。早期使用离心式压缩机与向心式透平的燃机移动式离心压缩机的发展4二战后，离心式压缩机主要在小型飞行器上得到广泛的应用，如直升机和一些小型飞机的辅助动力装置。直升机的性能取决于发动机的性能，尤其式军用发动机要有紧凑的结构和高的推重比。直升机最理想的压缩机配置是单级压缩机，主要是简单，耐用。对没有回热器的燃气轮机而言，需要具有高压比和高的透平进口温度。这样，单级离心压缩机压比为8：l～12：l时，在合理的叶尖间隙条件下，级效率需要达到80％。移动式离心压缩机的发展5一个替代方法是压缩机前几级采用轴流式，最后一级或两级采用离心式，这种设计常用在公务机的发动机上，下图是RTM332发动机，单台功率为1369千瓦，最大连续功率1253千瓦。主要用于NH90直升机。用在稍大型飞机上的轴马力可达到1750。固定式离心压缩机的发展1大流量轴流压缩机一般效率应在0.88～0.92,如GHH、Sulzer、陕鼓采用静叶可调，俄罗斯一家原用于军工生产的基里夫工厂的轴流压缩机效率高达0.92，涅瓦工厂达到0.90左右。大流量的离心压缩机效率达0.85以上，如欧美、日、俄诸厂家Demag、Delava、Elliot、Sultzer，新皮隆，日立，三菱，荏原，神户制钢所及国内沈鼓、陕鼓、锦西都能达到此水平左右。大型炼油、乙烯、化肥、尼龙、等石化企业中对离心压缩机的更苛刻的要求是混合介质在压缩过程中的物性变化(如Cp、粘度、可压缩性系数等)的掌握，特别在临界点附近的急剧变化。固定式离心压缩机的发展2目前的关键在于高压比、小流量压缩机的效率。由于小流量压缩机管道很窄，对整个流道来讲，摩擦损失所占的比重很大，因此，效率较难提高。另外，叶轮的效率高低与叶轮的某些尺寸有很大的关系。如轮廓比Dh、叶轮轴向长度Z、叶片形状．在一定的D2下．如轮廓比Dh较大；叶片变短，叶片负荷增大，一般效率会下降；Z过小，会使流动的转弯过急，效率也会下降．固定式离心压缩机的发展3对单轴多级压气机来讲，轴径较细或两轴承间间距过大，会引起转子动力学问题．因此对单轮多级压气机而言，在高压（即小流量）时,一般效率不可能过高.如沈鼓、俄罗斯、新皮隆模型级中(b2/D20.01)效率约为0.55，就已经是国际中上水平了。小流量高压头叶轮是主攻方向，各种怪叶型很多。国内外民用界轴流、离心压缩机发展现状国外公司沈阳鼓风机厂：引进意大利新皮隆技术，Demag、日立部分技术(离心)陕西鼓风机厂：引进瑞士Sulzer技术(轴流)，俄技术(离心)，三菱TRT上海鼓风机厂：引进动叶可调轴流通风机技术江津增压机厂:ABB增压器，杭氧：离心、增压器、氧压机南京燃气轮机厂：引进GE几个型号的许可证，技术含量较低。国内情况GE,Siemens,NuovoPignone,Delava,Demag,GHH,Sultz,Elliot,Ingersoll-Rand,DresserRand,ABB，涅瓦工厂，日立，三菱、荏原，神户制钢所等。技术支持方面：如NASA,NREC,Concept等。国内外轴流、离心压缩机设计方法现状在叶轮机械气动力学理论发展中，以吴仲华先生S1-S2流面理论为代表的我国一批专家，如刘高联、蔡睿贤、王仲奇、徐建中、蒋洪德等院士，作出了重大的贡献，使我国在叶轮机械气动力学领域在国际上占据较高的地位。实际设计能力，由于受到材料、加工工艺的限制，与国外发达国家是有差距的。设计方法与理论方面：技术支持方面：如NASA,NREC,Concept等。流场计算CFD软件：Fluent,Numeca,CFX,StarCD,Phenix2)设计技术方面近十年来，国外对我国进行技术封锁，只出口产品，而不出售技术。而同时从70年代后期起引进的石化大型成套装置，都面临更新换代、挖潜增效的任务，需要开发自主的气动设计方法与技术。中国每年有20亿元以上的叶轮式压缩机市场，国外公司进入，国内公司追求发展，己形成一定的技术市场。约8家购买NREC的叶轮机械气动设计软件，使用情况并不理想。3)发展方向：高压、高效、优良的变工况性能、小型化国内仍在运行的进口大型机组的水平国内三十万吨合成氨（75年）机组水平空压机（101－J）效率约0.725原料气压缩机（102－J）效率约0.627合成气压缩机（103-J)效率约0.709氨压机，CO2压缩机效率．国内三十万吨乙烯装置（75年）机组水平裂解气压缩机（GB201）效率约0.757丙烯压缩机（GB501）效率约0.75乙烯压缩机（GB601）效率约0.68目前国内外同类机组的水平（90年代），效率要比70年代的机组高2－5％以上，因此有必要进行更新或改造．CO2压缩机的防喘、防振等问题的改造。离心式压缩机的发展方向最近50年，离心式压缩机得到了飞速发展，单级压比可达到8:l，现在仍需要更高效率的压缩机。气动设计方法的改进：相似设计法设计理论方法+经验公式实验方法(性能与内部流场)机组先进性的标志与发展方向先进的气动设计与强度与转子动力学设计制造技术(五座标铣床、焊接)与检测技术可靠的实际混合气体热物性计算轴承、密封技术良好的中冷器与冷凝量计算安全可靠的运行保障系统机组先进性的标志主要包括机组的高效率、大工况范围、高转速、小型化、组合化（低价格），精良的制造技术，材料，安全可靠的运行保障等内容．离心式压缩机的关键技术发展气动设计方法的发展：使流体能很顺畅地流过(最小能量泛函原理)物性计算(工艺过程中变化、换热、冷凝)寻找一个较好的P-Q匹配的设计点变工况性能曲线喘振与失速线之预测导致现代设计理论与方法：三多与二非二流体机械气动设计理念发展中的前沿问题新一代反命题与优化命题研究叶轮机械三多二非设计理念以往设计：单设计工况，定常三多设计：多设计工况，多目标函数、多约束条件二非设计：非定常流动、非稳定流动设计基于CFD的叶轮机优化方法基于最优控制理论离心压缩机现代设计方法流体机械机械设计中的前沿问题强度与转子动力学设计，不平衡响应与调频材料气固耦合与颤振制造技术(五座标铣床、焊接)与检测技术，气动设计与快速造型技术的配合，激光成形等新技趋可靠的实际混合气体热物性计算轴承(气体、磁悬浮)、密封技术(高压干气)良好的中冷器与冷凝量计算安全可靠的运行保障系统、仿真流体机械发展中所蕴藏的科学问题流体力学以及叶轮机械气(水)动力学的基本理论：关键：流体是有粘的、各向异性、非线性、非定常N-S方程的不可解。势流流动---理论流体力学、场论、复变函数、奇点、保角变换等发展到提出的儒可夫斯基机翼理论。粘流流动：实验流体力学基于边界层假定欧拉方程与个别N-S方程的特殊解N-S方程的数值解与紊流模型数值解。流体机械发展中所蕴藏的科学问题N-S方程的数值解与紊流模型数值解。非线性系统动力学固有问题非定常流体动力学固有问题非稳定流体动力学跨、超音速流动汽液：汽泡动力学，汽蚀与泥沙微团混合磨损问题气固：气固磨损与分离