叶轮的发展与使用

　　今天的离心泵和离心压缩机，在效率上，已高达90%以上，在规格上，也已由几瓦到几兆瓦。在应用范围上，已用来处理高温，高压下的各种液体，气体。所以，整个工业越来越依赖于叶轮机械。叶轮的结构构成了复杂的，各种用途的流体机械。尽管叶轮的迅速发展是在*近60年中，但是，它有着与现代工业同步发展的漫长历史。我们在此所展示的正是这段历史。叶轮是使用*广泛的涡轮机械，并且，它将会继续成为主要的研究，发展课题。被认为已起到叶轮作用的，*原始的机械，是1772年，在圣多明各的一个废弃的葡萄牙人铜矿里被发现的，它有10个木制双弯叶片，当时没有人知道怎么使用它。直到15世纪，它几乎都一直代表着那个时代的特征。早在16世纪，离心式风扇就已用作矿井通风设备了。

　　究竟是谁发明了叶轮有人相信是LeonardodaVinci，他提出了用离心力提升液体。也有人相信是JohannJorann，据说，大约在1680年，他已经讨论过相似的理论，而他只是个名不见经传的无名小卒。很多地方将叶轮的出处归结到DenisPapin（1689年，法国物理学家，发明家）的身上。他是*早解释有关在圆形或螺旋形蜗壳内利用叶片产生强制涡流这一理论的人。随后，KernelienLeDemour在1732年，Dainel GabrielFahrenheit（以温标闻名的德国物理学家）在1736年分别提出了对叶轮进行的其他设计，但都无法说明它们的实际用途。LeonhardEuler（高等数学的奠基人之一）在他的1754年的一篇学术论文中，提出将牛顿定律应用到叶轮上，此过程是以贯式水轮机逆转这一概念为基础的。正是由此，从理论上引出了现在众所周知的欧拉公式，即将一个纯数学不等式，引入到一个凭借离心力作媒介输送流体的方法中来。18世纪，欧拉公式的公布大大激发了水轮机的使用，但对叶轮的进一步发展却未起到丝毫作用，叶轮不得不通过繁笨的试差法缓慢发展起来。金属制成的又大又笨的叶轮，在当时的18世纪还算可以。那么究竟为什么，在19世纪以前，从商业角度上来说，离心泵或离心压缩机一直未得到发展呢一个障碍是：离心机械要求高速，而直到19世纪末还没有找到适合提供高速的原动力。另外一个障碍是：当时往复泵和往复压缩机比较盛行，它们已能满足那个时代的要求。

　　1早期的泵

　　*早的叶轮发展出现在泵上，人们一直将叶轮发展作为发展叶轮机械的关键。在20世纪早期之前，泵的发展比压缩机的发展更胜一筹。二次大战后，该领域的主要的知识才来源于压缩机。

　　1818年，美国的麻省泵厂开始生产商业用离心泵。这在叶轮历史上可以算是一个里程碑。这种泵是以Papin的理论为基础的，配有开放式叶轮，一组直切向叶片被安装在矩形截面的环壳内，且大致呈螺旋形式排列。

　　1818年，卧式泵在康涅狄格州的布莱克公司诞生，它有一个水平轮盘，其下部连有一组径向叶片，它们刚好完全在外壳内部旋转，这就是半开式叶轮的雏形。

　　遵循Papin的理论，combs在1838年发表了一篇关于弯曲叶片和曲面作用的文章。随后，这些就被证明在叶轮发展中是一个重要的环节。在1839年，W.H.Andrews发明了蜗壳，五年后，他**次采用完全封闭的叶轮。

　　在1846年，W.H.Johnson制成了**台三级离心泵。在1849年，JamesS.Gwynne制成了**台多级离心泵，并开始进行这些泵的首次系统检测。

　　大约在同时，为确定叶轮的*佳形状，JohnAppold做了一系列详细的，经验性的定向实验。*终发现：泵效率依赖于叶片的弯曲部分。

　　大约1850年，JamesThomson提出使用蜗壳，它使单级泵的效率大大提高。

　　离心泵在水晶宫举办的1851年英格兰大展上，更是引起世人的注目，那里陈列并比较了离心泵的多种设计。特别是，具有弯曲叶片的Appold的泵表现出68%的效率，比其他参展泵的效率高出三倍之多，出尽了风头。从那时起，离心泵开始迅速发展起来。

　　在1875年中，OsbomeReynolds申请关于有叶扩压器的专利，在1887年，具有此类扩压器的泵问世。1893年以后，Mather&Platt公司，SulzerBrothers公司和其他公司开始大规模生产此类离心泵。

　　从此，用一元流动理论设计叶轮成了常规的设计方法。

　　每个制造商都建立了自己的一套方法，尽管每家的计算方法都稍有不同，但基本原则都是相似的。

　　2早期的压缩机

　　早期的泵或压缩机中都没有使用扩压器，而且，都只适用于低压头，低压比的场合。大多数效率只有45%~65%，而且直接用往复蒸汽式发动机驱动。离心压缩机叶轮的发展与燃气轮机的发展息息相关，同样也与钢铁业和采矿业的发展相关。

　　在19世纪之前，离心压缩机只能获得1m的能量头。在1899年，A.Rateau设计和试验了一台叶轮直径250mm的离心压缩机，它的能量头可达到5.8m，进口流量达2，000m3 h，圆周速度达264ms，转速达20，200rmin.根据这台离心压缩机的成功，他又设计了另外两台离心压缩机。**台是在1903年设计的，用于钢厂，其能量头达34m，进口流量达10，000m3 h，转速达14，500rmin.第二台是1904年设计的，用于糖厂，各项性能与**台相似。

　　A.Rateau还设计了**台多级离心压缩机，它是1905年问世的。它在同一根轴上有5级，其能量头达4m，进口流量达2，500m3 h，转速达4，500rmin.他花费了几十年的时间寻找轴流压缩机的优良性能。

　　大约同时，CharlesParsons也调查了约30台用于燃气轮机的轴流压缩机，结果表明：这类压缩机的效率和稳定性较差。

　　Rateau成功后，许多压缩机制造公司申请他的专利。自1910年到1920年，随着离心压缩机的工业应用日益增加，叶轮设计者都将精力集中到大流量，高效率，高圆周速度上来。

　　燃气轮机的概念是在往复压缩机的基础上发展起来的（于1791年，被JohnBarber申请了专利），也就是说，在完全得到流体机械的详细知识与理论之前，有关燃气轮机原理的理论就已为人所知。

　　直到1939年，在苏黎世的瑞士国际展览会上，Brow Boveri展示了**个大型燃气轮发电厂，才有了实用型燃气轮机的发展。同年，**架涡轮喷气式飞机问世。对于涡轮喷气发动机来说，为得到合适的压比和有效效率，采用的*早压缩机类型就是离心压缩机。这种压缩机于1939年用于来自欧汉的发动机中，1941年用于惠特的发动机中。今天的喷气发动机大多采用轴流压缩机而不采用离心压缩机，因后者为达到输送要求，结构尺寸不得不大得不切实际。

　　3早期的流体物理

　　本世纪，关于离心泵和离心压缩机的流体动力学和空气动力学的理论发展一直很缓慢。这方面，*初的主要任务是去建立叶轮性能参数，流动形式和流道型式之间的关系。各个关系中*重要的是：叶轮传递到流体上的扭矩与在流体通过叶轮时，流体的性能变化之间的关系。此关系就是欧拉方程。

　　然而，叶轮还有许多其他的固有功能，而欧拉方程又不适用于它们，但它们却同样很重要。

　　本世纪初，要想获得较高效率的泵或压缩机，设计者仅仅是借助一元流动理论得到的有效功率，再利用多年的经验，*后得到可以接受的设计。他们并未将注意力放在叶轮流动的细节上。

　　对叶轮的*初的深入研究是在1910年到1930年之间。

　　前提是在一个理想的假设下：叶轮中的流体流动是无粘性的，不可压缩的，二元，无旋涡的流动。A.Busemann等人曾经试图对流动进行理论性分析。A.Stodola等人为进一步理解叶轮机械，做了大量的实验。结果是：他们虽能观察到二次流，但因缺乏足够的测量和分析工具，无法将定量结构性扩展到他们的观察中去。

　　对叶轮流动的*初的综合性研究是K.Fischer和D.Thom a所作的研究（离心泵流动条件的调查ASME学报#第54卷，1932年），其中指出：事实上，实际流体的所有流动条件确实不同于在理想的，无摩擦流体下，理论推导而得出的流动条件。实际速度是沿着以叶轮旋转轴为中心的圆环分布的，与通常的假设是不一样的。

　　在1915年，R.L.Daugherty写了一本名为离心泵#的书，它成为20年代的设计参考书。然而，后来由C.Pfleiderer和A.JStepanoff共同着成有关叶轮完整设计过程的，权威性的参考书。

　　在50年代末之前，由于缺乏有关涡轮泵，涡轮压缩机轴承径向推力方面的正确认识，设计者都面临着诸如轴承易损，压盖易漏和轴疲劳失效等方面的严重问题。

　　今天，借助CFD和其他有关程序就可以设计出一个典型的叶轮来，并进行优化。在此过程中，一个规范可以自动产生另一个规范所需的输入文件，并且输出数据也被很清楚地显示出来。

　　4目前的应用

　　目前，叶轮不仅应用于离心泵，小型燃气轮发动机，涡轮增压器和制冷机中，而且，在石油化学和加工业中也被广泛应用。离心泵的应用大致可分为四大领域：电厂，水库，加工和环境以及工业和半工业中的应用。

　　叶轮必须满足的设计要求分为两类：应力要求是由材料强度极限决定的。因此，必须精确预测叶片及转子的稳定状态以及复杂形状和高转速下的叶轮的振动应力。%流体动力要求就是：解决高流速下的大转向，大扩压问题，同时，解决通过高效率，高压力的小流道时所增加的其他麻烦。

　　尽管有的单个通流元件能达到很高效率，但是级效率才是*重要的。因此，元件匹配是设计的一个基本方面。往往，由于不合适的匹配，工程师不得不重新设计一个或多个压缩元件，而且，有时为达到*优的匹配，他们宁可牺牲某元件的高效率。

　　燃气轮压气机的主要要求来自于性能和机械因素两方面，对这些机械的要求包括：中等~高压比，各转速下的高效率，以及约束全径。但是，范围要求并不象在其他应用中那么重要。

　　现在，只有在低流量的燃气轮机中使用离心压缩机。例如在涡轮螺旋桨飞机，直升飞机和喷气式飞机中都可发现离心压缩机。在用来发电和驱动的固定式燃气轮机中，离心压缩机仅用于1MW以下输出的场合中。

　　在加工业中，流体分子量和组分分布会发生很大变化。

　　30%~40%的稳定操作范围（即设计工况~喘振）。

　　制冷机除了级压比和流动条件是通过独特的热力循环定义之外，与加工业压缩机十分相似。由于制冷热力学特性的缘故，制冷常常在接近于气室顶部的地方进行，所以，用实际气体特性进行的设计计算常常有些强制性。制冷机*显着的特点是：操作要求是从夏季到冬季各种气候条件，因而，要求的负荷可以从设计负荷的10%到110%.今天，一台每级扬程850m，圆周速度135ms的离心泵，在市场上随便可以得到的。而任何时候，每级扬程都超过1000m是不一定能达到的，但是，平均扬程不断增加是有可能的。高性能的离心压缩机叶轮能达到每级压比在10以上，圆周速度为600ms.