哈工大讲课流体机械学科中科学问题与发展

流体机械学科中科学问题与发展上海交通大学叶轮机研究所谷传纲教授

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/D2<0.01)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：气固磨损与分离中的问题微尺度部件中流动新一代反命题与优化命题研究(存在性、唯一性)

N-S方程的数值解与紊流模型数值解：关键：N-S方程本身可信性问题，数学上存在混沌、分岔等一系列难点

N-S方程的雷诺平均方法可信性问题

雷诺方程模化的可信性问题，基于均匀、各向同性紊流的实验数据传输方程的理念是一阶的概念，对强非线性系统是一种简单化处理生成项、耗散项、源项的模化，系数的取法计算格式的选取，边界条件确定

大涡模拟非线性系统动力学固有问题

非线性系统动力学固有问题：三论(控制论、系统论、信息论)

非线性科学是新三论(突变论、耗散结构论、协同论)的基础

1)突变论：某一参数改变至临界值，系统状态出现突变，实质上是失稳。物理上如相变、物种灭亡、战争、南北极调换、流体中失速团的演变、系统喘振、磁滞曲线、喘振环、材料断裂、放大器放大率突变等。数学上则认为是、微分方程进入失效的固有问题如混沌、分岔、极限环或可能的分数维结构。这是非线性系统的固有特征(如磁滞曲线、喘振环的不可能直接返回初始点)，是避开还是利用?

非线性系统动力学固有问题2非线性科学是新三论(突变论、耗散结构论、协同论)的基础

2)耗散结构论：系统可以在某些条件下稳定，没有耗散的系统必然是不稳定的，但耗散过大最终停止运动。因此对于一个远离平衡态的开放系统(指有能量与质量交换，封闭系统一般指有能量交换而无质量交换)通过与外部的能量与质量交换，以及内部的不可逆过程(耗散)，无序的非平衡态可能失稳，某些涨落可能被放大，而使原来的混沌无序状态发生突变，可能出现稳定的有序结构。这种有序结构(无序—有序)的形成与维持都需要能量的耗散，称之为耗散结构。如N-S方程到雷诺方程到输运方程，就要制造一种生成、耗散、源项的物理意义上趋向平衡的结构，边界层内生成等于耗散的假定等。系统失稳条件是：远离平衡态，动力学过程中有适当的非线性作用

非线性系统动力学固有问题3非线性科学是新三论(突变论、耗散结构论、协同论)的基础

3)协同论：大系统(可以是自然界、人类社会、金融系统等)是许多分层次的、互相联系的、互相作用但又独立的子系统组成。子系统有自发的无序的独立运动，但又能互相耦合。如种群数目减少与增生的协同，如大系统多目标优化的协调解。

非线性系统动力学固有问题4流体力学与流体机械内部流动中非线性问题相变，如工质冷凝中气液相平衡问题实际是非平衡态的问题失速团生成、演变喘振环系统喘振机翼叶栅大攻角工况的立涡出现?

旋转园环中涡带生成、演变(极限环?)

叶片表面紊流斑与自然界紊流斑现象非定常流体动力学固有问题1

速度与压力传播的频率、相位变化物性粘性、紊流粘性(流动结构)对其影响非定常流动数值计算中问题非定常流动与固体件(烟囱、桥梁、高楼、叶片)的气固耦合及颤振问题非定常流动对叶片、机组性能影响非定常效应的利用：扩压空间摆动流、间隙流、强升力非定常流体动力学固有问题2非定常流动设计问题：连续有规律变化来流，如进气道畴变，径向导气涡壳进气连续有规律固壁变化如直升机翼，大型空冷电站风机叶片，风力机叶片攻角不敏感叶片设计

Clockingeffects的研究与应用(性能、降噪)

非定常流动的三维分离、极限流线，分离准则等相邻叶栅间尾缘与前缘线空间位置分布之降噪三透平压缩机优化设计方法与原理多级离心压缩机整体优化设计理论与方法现代最优控制理论应用于叶轮机械设计建立离心式压缩机喘振判断方法与准则以往的设计：

考虑单一设计工况点，定常流场分析

(基于流线曲率法的各种算法、S1-S2流面、 有限元法)叶轮设计强度计算流场计算静子设计一维设计现代设计方法：

多设计工况点动、静干涉，进口非均匀、非定常系统喘振预测、叶片颤振整机或部件中实际粘性流动分析(N-S方程)当今流体机械设计观念的发展以往设计：单设计工况，定常三多设计

(多设计工况，多目标函数、多约束)二非设计

(非定常、非稳定设计)

三多设计(多设计工况、多目标、多约束的优化)多设计工况：介质组份变化、冷却温度、冬夏环境、正常与开工阶段等、希望寻找模拟优化设计点。多目标函数：高效、宽工况范围、低造价。从优化理论知，原则上多目标无最优解。希望寻找协调解(从可行解集中求取)。多约束条件：为了保证设计的可靠性，必须满足强度、转子动力学与一些气动方面的约束。带约束比无约束的优化在数学上更困难。达到优化设计的目标：即不仅要有高的单设计工况点效率，并且还应该有能满足多个设计工况的设计以及高效的变工况性能和大的喘振裕度来考核机组的综合先进性。

二非设计(非定常、非稳定)非定常流动设计：叶轮机械内部动、静部件的干涉、背压的有规律或无规律的波动、进气蜗壳，进气道中的周向非均匀、非定常来流、对叶片气固耦合、颤振、级性能及整机性能的作用与影响，应该在设计过程中，通过对叶片数、动静部件间隙与周向位置分布、动静叶的叶型、扩压器、回流器、蜗壳设计等的控制达到最好效果。非稳定流动设计：主要针对失速及系统喘振，希望在设计阶段能有效地计算出可靠的喘振警戒线与尽可能地扩大喘振裕度，并通过压缩系统的稳定性分析得到当发生喘振时，回流的强度、喘振频率等重要参数，为设置防喘回路与防喘阀的开启速度控制提供依据。

压缩机喘振会导致严重事故非稳定流体动力学1物理背景是非定常流动发展至某一临时参数，流动发生突变、非稳定流动失速与喘振的判断技术二非设计失速与喘振是压缩机的特殊问题主要解决三个关键问题

失速点、喘振点的确定方法与准确度；如何扩大喘振裕度(即扩大工况范围)；如何在设计前预测系统的喘振参数，确定防喘振策略。非稳定流体动力学2级失速

扩压器中的流态。通过叶轮与扩压器进出口的安装角与气流轨迹的流动计算,提出实验数据关联的准则：Qsurge/Qdes=F(i,a2,b3/d2,d4/d2)压缩系统喘振(已获得软件版权登记)

采用小扰动理论、集中参数模型，通过稳定性分析，确定喘振点、喘振频率、强度、回流量。失速与喘振的具体处理非稳定流体动力学3

辽河油田二缸13级进口天然气压缩机组设计改造项目1）气量减少——经常喘振——打回流维持生产——耗能2）分子量降低——出口压力降低——影响后续工艺——减产

用户要求在不改变机壳与转速的条件下:

提高出口压力，关闭回流阀15～25%

73000Nm3/h

辽河油田进口天然气压缩机组改造后情况

改造后完全关闭回流阀，消除喘振与回流，节省能源，增加产量，使效益大增。达到与超过新皮隆公司的招标书上的技术指标。目前工厂的设计：1)以模型级为基础，匹配成机

2)整机与级都重新设计难点：模型级是离散系统，但许多参数是连续系统，是混 合系统优化优化目标的确定:效率高、工况大、价格低多目标系统优化，一般无解多设计工况情况：确定最优模拟工况点多约束条件：增加求优难度、但保证了设计的可行性3-1多级离心压缩机总体优化设计方法多设计工况点： 多目标函数： 多约束条件：由于介质组份 效率最高 气动、强度进口温度、压力 工况范围最大 转子动力学中冷器温度变化等 造价最低 等等模拟最优工况点折合效率

三多设计状态变量：第k个工况点的结构变量：整机效率：整机压头：喘振裕度：整机工况范围:主要指标基于模型级数据库上的总体优化模型

多工况优化命题的建立，即是从N个设计工况中寻找达到目标函数极大值的最优模拟工况。

模拟工况点的数学表达式：

满足以下约束：一般约束：工况约束：多工况优化命题

最高效率，年经济收益、大工况范围

、低造价

。旨在考虑寻找一个合理的优化目标与协调方式。

折合效率：折合效率

目标函数(泛函)的讨论进口流量满足用户要求出口压力满足用户要求单缸中的级数在给定范围内(保证临界转速)在一般叶片厚度下，圆周速度在给定范围内各段中的最小级数不得小于给定值同一段中模型级的直径相等，单缸不冷却时可以变化前面一段中的叶轮直径比后一段中的叶轮直径大一档或相等相邻两段中的级数相等或只相差一级各段的出口温度必须在防爆防燃的安全范围内，整机出口温度必须满足用户要求各段直径在要求范围内各段出口角在要求范围内各段相对宽度在要求范围内约束条件的建立1每一工况的安全工况范围满足用户要求, Qmin(k)－Qmin,pr(k)≤0 Qmax,pr(k)－Qmax(k)≤0k=1,2,…,N工况约束条件：约束条件的建立2多级离心压缩机优化求优方法选择优化具体算法可求导(梯度法、共轭梯度法等)

直接求优法(单纯形法等)计算中应注意：优化方向，优化步长，状态方程的形态，初值灵敏度分析与多次选取。多目标函数的协调优化：我们在模型级的基础上首次建立了混合系统（即系统中同时含有离散变量与连续变量）的多目标优化的非线性规划的数学模型，并提出了工程实用的约束条件和解决此类问题的新方法——混合搜索法及协调关系法。多设计工况点的示意图某富气压缩机改造实例

通过改变转速均能到达各工况点要求，并使每个工况点都有一定的喘振裕度。3-2.现代最优控制理论应用于叶轮机械设计最优控制理论:由自动控制d/dt机械设计d/dr优化命题：代数方程描述的系统，用数学规划理论解决微分方程描述的系统，用最优控制理论解决

常微分方程：集中参数最优控制偏微分方程；分布参数最优控制必须将由N-S方程控制的流动过程结合叶轮机械的特点，转化为由常微分方程描述的流动系统，用集中参数最优控制理论解决压缩机的优化设计命题。设计方法内容轴流式与混流式叶片的扩压因子最优流型设计方法

扩压通道表面最优速度分布研究离心三元叶轮与二元窄叶轮的子午流道与叶片形线优化设计理论与方法数学模型引入等环面积曲线坐标的各截面的计算方程：流量方程：

3-2-1轴流式与混流式叶片

的扩压因子流型设计方法

首先将该方程中所有非独立的未知量都化为r的函数，经整理后得到一个未知变量的一阶非线性常微分方程：根据流型的分布，采用隐式求解，求解上式

扩压因子流型建模

寻找最优扩压因子流型分布，在满足各约束(控制变量与状态变量、等式与不等式)与初、终值条件下，使目标泛函（可为效率或总压比或功量）达到最大值。

数学模型“扩充代价函数法”“连续变换术”将不等式状态约束转化为无约束问题扩压因子最优流型

数学模型

优化命题的数学表述：

目标函数：

初始状态：

自由；

状态约束：

终端状态：

自由；

为了将不等式状态约束转化为无约束问题：采用“扩充代价函数法”“连续变换术”转化后的状态方程组：引入算子，组成Hamilton’s函数，经过转换，原目标泛函转化为：初端条件：终端条件：Pontryagin极大值原理动态规划法

在扩压器型线设计方面，基于最优控制理论建立控制固壁表面速度分布的模型与合理可行的目标泛函，在满足各种约束条件和初、终值条件下求取最优解。目标函数为:无分离的最大扩压度3-2-2扩压通道表面最优速度分布研究

Pontryagin极大值原理1.最优命题的提法2.状态方程的建立3.控制约束：4.边界条件：5.目标函数:

J=V(*)min6.哈密尔顿函数：最优轨线为：

其中：

动态规划法

以代替S作为自变量，则：

状态方程：

初端条件：

终端条件：控制约束：根据最优性原理导出递推方程：状态约束：扩压器壁面(不分离理论)最优速度分布分离区不分离区离心三元叶轮与二元窄叶轮的子午流道与叶片形线统一优 化命题

将由N-S方程控制的流动过程结合叶轮机械的特点，转化为由常微分方程组描述的流动系统，在此基础上建立的优化命题，然后可用最优控制理论予以解决。通过一些数学处理，将状态方程归化为相应的最优控制形式。将出口角b（r）作为控制变量，目标泛函为在给定的子午型线与叶片厚度分布条件下的具有理论上无分离的最大扩压度,并满足各种约束。3-2-3离心叶轮的子午流道与叶片形线

优化设计理论与方法

a)离心叶轮的子午流道与叶片形线统一优化设计理论与技术以安装角

b(r)为控制变量；目标泛函为在给定的子午型线与叶片厚度分布条件下，具有理论上无分离的最大扩压度，并满足各种约束。b)流场分析

修正K-ε紊流模型动、静部件统一流动命题计算软件，分析定常与非定常流场

叶片流道表面速度分布基本确定叶轮尺寸后，使用自行开发的动、静部件统一流动命题计算软件，分析离心叶轮内部定常与非定常流场。该软件求解可压缩实际粘性流动N-S方程，采用虑及叶片曲率、叶道扩压度、旋转等因素影响的修正K-ε紊流模型，及应用滑移网格、非结构网格与先进的计算格式。在设计计算中主要是控制涡的位置与大小，并考虑非设计工况下流动情况以扩大喘振裕度。达到安全运行、变工况范围大的目的。流场分析基于CFD的叶道参数化的优化设计(PWD)理论与方法参数化叶片的优化设计的最大优点，使所设计的叶型表面连续可导的，不仅使气流顺畅并且具有良好的加工特性提出流场特征值作为目标函数3）非线性系统的寻优演化算法。非线性规划，神经网络或遗传算法及新变种，如基于小生境算法

基于紊流模型的CFD优化设计方法与PIV实验研究轴流叶型的Bezier曲线参数化表述

三次曲线族水泵叶型

采用Bezier曲线、三次曲线族表述叶型，能够减小叶型控制点，缩小优化变量空间，并采用神经网络、改进的遗传算法等高维非线性系统的寻优方法较快地找到全局最优点。

设计工况下流场矢量大流量工况 小流量工况基于整场紊流计算的叶型优化模型在叶片数Z、内外径、对于低比转速离心泵，叶轮内的摩擦损失在水力总损失中占有较大的份量当有流动分离时损失猛增，因此，只有流场没有出现流动分离的叶型才能作为可行解但是在旋转的叶轮中流动分离是不可避免的以何处无流动分离作为判别准则很重要

不同叶型的泵轮内的相对速度场与分离情况C1

C5

C9

C13

基于CFD计算的叶型优化模型在叶片数Z、内外径相同的条件下、目标函数：

约束条件：

针对设计工况点进行优化4个试验水泵叶轮内部流动的三维PIV测量叶轮的五个位置

小流量工况点，叶轮C5叶片处于B位置小流量工况点，叶轮C9叶片处于B位置

优化的叶轮C9与近似单园弧叶片叶轮C5，

在同一B位置处PIV实测流场比较轴流通风机PDA实验台测量离心式压缩机PIV试验台旋转离心叶轮内部流动PIV测量与计算3-3离心式压缩机喘振判断方法与准则防喘振策略是系统安全运行的重要保护在设计过程中就能预测系统中喘振频率等重要参数，为防喘振系统的设定提供数据。

a.系统分析非定常动力学系统（以小扰动理论为基础，用集中参数模型建立系统动力学 模型，通过稳定性分析来确定喘振点等）

b.级喘振判断准则

（叶轮与扩压器的进、出口安装角和其流动的理论分析与实 验数据关联而建立的喘振准则）是以小扰动理论为基础，用集中参数模型建立复杂系统中的喘振点计算动力学模型，通过对系统的稳定性分析来确定喘振点。

典型的离心压缩机简化系统

基本方程组：冷凝过程对喘振点流量的影响

饱和温度对稳定性的影响

根据对叶轮与扩压器的进、出口安装角和其流动的理论分析与实验数据关联而建立的喘振准则，使在压缩机设计阶段中就可以来判断喘振。这些方法己在小型试验台与实际机组的运行中得到验证，这是压缩机设计成功的最重要保证。

级喘振判断准则

b2=90的径向三元叶轮单级离心压缩机开发

该工作在德国著名压缩机厂家Demag公司进行并经模型级试验。其多变效率达84%，比同类流量、压比的b2=65三元叶轮效率还高，为高压比的离心压缩机级的国际最高水平。

中石油辽阳分公司4级空气压缩机

在不改变外壳和汽轮机的情况下，增大流量25%、压力提高10%。该改造设计由锦西化机厂的精心制作、安装、调试，从2000年年初，一次开车成功，运行至今。机组运行平稳可靠，最大振值<15m，满足改造要求，效率较进口原机提高至少2～3%以上。

中石油辽阳分公司7级加氢压缩机改造项目

在不改变外壳和汽轮机的情况下，对进口原机进行改造，增大流量20%、压力提高8%。从2000年年中，一次开车成功，运行至今。机组运行平稳可靠，最大振值<15m，满足改造要求。深受用户的好评。

赤天化101J空气压缩机转子改造设计

原进口机组为二缸13级空压机，要求在不改变外壳、扩压器、弯道、回流器和汽轮机的情况下，流量与压比略增3～5%及提高效率。在改造设计中，低压缸及高压缸的第一段全部采用三元叶轮，低压缸的第二段采用自行开发的性能优秀的小流量窄叶轮。一次开车成功，运