壓縮機運轉中渦旋線形研討剖析

　　1隨著我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，冰箱空調(diào)等制冷設備的日趨普及，以及醫(yī)療器械、制藥、釀酒、食品、電子、電力、輕工、機械、化工等行業(yè)(industry)或作為加工(Processing)中心等設備用于壓縮空氣和其它渦輪增壓、渦旋發(fā)動機等特殊用途的需求，以共軛曲線嚙合和型腔容積(Capacity)變化為工作原理的渦旋壓縮理論被世界各國研究人員(personnel)廣泛研究，并應用在渦旋壓縮機的設計(design)制造中。昆山空壓機保養(yǎng)是回轉式連續(xù)氣流壓縮機，在其中高速旋轉的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發(fā)生在旋轉葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。這對提高壓縮效率(efficiency)，最大化減少能源消耗（consume)，降低噪聲感染，抑制全球變暖而導致全球大氣環(huán)流異常，避免爆發(fā)罕見異常雪災的發(fā)生，提高人類的生存質(zhì)量具(Measuring tool)有重大意義。
　　十一五期間，石化工業(yè)(gōng yè)、化學(huà xué)工業(yè)、煤電油工業(yè)、輕紡工業(yè)、冶金工業(yè)等各大領域內(nèi)成套設備(shèbèi)國產(chǎn)化的加大以及世界能源危機的加劇，為壓縮(compression)機行業(yè)的發(fā)展提供了巨大的市場，也為壓縮機行業(yè)加快提升壓縮機的品質(zhì)、趕超世界水準提供了前所未有的機遇，渦旋壓縮機的設計理論及生產(chǎn)技術在國內(nèi)外必將有一個大的突破與飛躍。開展原創(chuàng)性的研究（research)工作，擁有我國自主知識產(chǎn)權的渦旋壓縮機勢在必行。
　　2渦旋型線研究發(fā)展狀況
　　渦旋型線設計理論是決定渦旋壓縮機性能(property)的根本因素，一直是各國學者研究（research)的熱點所在，目前，主要集中在單一渦旋型線設計理論的研究已經(jīng)研究出的型線主要有圓漸開線、正偶多邊形漸開線、線段漸開線、半圓漸開線、代數(shù)螺線、變徑基圓漸開線、包絡型線等。在圓漸開線理論方面，日本學者森下悅生等首先作了詳細的研究，建立了渦旋壓縮幾何和力學模型，分析了壓縮過程；丹麥工業(yè)(gōng yè)大學的JensGravesen教授等從微分幾何理論的角度出發(fā)，的特性方程，研究了圓漸開線的型線理論，指出獲取高效型線的兩種途徑，并為優(yōu)化研究的可能性奠定了基礎；美國普渡大學（PurdueUniversity）的EckhardA.Groll教授等建立了渦旋壓縮整個工作過程的數(shù)學和熱力學性能分析、泄漏模型，在工作腔之間的壓力非線性耦合（Coupling）問題上，采用牛頓-拉夫松（NewtonRaphson）算法進行了分析。在線段漸開線理論方面，西安交通大學的李連生教授對線段漸開線進行了深入的探討，導出了容積表達式，分析了動力特性，完善了線段漸開線理論。日本學者MakotoHayano等則研究了半圓漸開線的幾何特性和熱力、動力解析（analysis 剖析；深入分析)關系式，建立了基于半圓漸開線的型線理論；西安交通大學的黃允東等發(fā)展(Develop)了基于半圓漸開線的型線理論。在代數(shù)螺線型線理論方面，日本日立的香曾我部等進行了詳盡的研究，其建立的型線被稱之為日立型線；其后又研究出新型的渦旋型線，以加速螺線為基準線，采用包絡法生成內(nèi)外渦旋型線。華中理工大學的劉揚娟對日立型線的理論謬誤進行了研究更正，以更簡單的內(nèi)外法向等距線法生成渦旋型線。但是，目前渦旋型線的研究和設計都是基于特定的幾何輪廓曲線或其組合型線，來研究其嚙合特性和介質(zhì)壓縮機理，并進行渦旋型線參數(shù)(parameter)的設計，由于特定的幾何輪廓曲線數(shù)學模型一經(jīng)確定，其固有的幾何特性和數(shù)學特性無法變更，因而性能受到根本制約。
　　于是，研究人員對特定的渦旋型線進行改良和修正，如增加根部輪廓厚度、設置過渡圓弧、采用多基圓、改變基圓圓心位置等，以期獲得較高的性能。日本學者平野隆久（TakahisaHirano）等在對渦旋壓縮性能研究的基礎上，提出了一種修正型線理論，在基圓漸開線的起始端基于加工和改善排氣角的考慮，利用兩段圓弧進行修正，即PMP渦旋型線。PMP型線可以較好的改善壓縮性能。而后，各國研究人員在此基礎上提出了各種改進方案并加以理論論證，形成了一系列改進型線理論?；鶊A漸開線修正理論包括無余隙修正理論和有余隙修正理論，其中無余隙修正理論分為EA類修正理論和UA類修正理論，而有余隙修正理論又分為EASA修正理論和EASAL修正理論。在基圓漸開線型線修正上，日本三菱重工近期的研究成果體現(xiàn)在：竹內(nèi)真實等的以基圓漸開線構成的嚙合渦旋體上緣做成為被分割為多個部位且該部位的高度在渦旋方向(direction)的中心側低、在外周端側高的階梯形狀，來提高壓縮比和性能。臺灣大學的吳文方教授等研究了平面旋轉(Rotating)機械(machinery)的嚙合原理；在PMP型線理論的基礎上進行了深入的研究，引入了CA概念，從而使排氣角從負值變化到正值，導出了輪廓型線的各種變化形式，利用理論推導和數(shù)值模擬兩種數(shù)學手段，對PMP型線的各種修正形式進行研究，得出最優(yōu)修正型線。西安交通(traffic)大學的高秀峰博士等對等角圓弧類渦旋修正齒型進行了深入研究，得出齒端生成方法、齒型特性及齒端修正參數(shù)的通用表達式，采用控制容積法導出了工作(gōng zuò)腔容積隨動盤轉角變化的解析計算式，提出了動態(tài)的徑向和切向氣體(gas)作用力面積的精確計算和簡化計算方法。韓國LG的研究人員張英逸等設計的一種由基于不同的基圓和起始點的兩條或多條基圓漸開線構成的渦旋型線，旨在提高容積效率和可靠性。西安交通大學王國梁博士、李連生教授等提出了一種新型AAL型線，研究了雙圓弧加直線單元組合型線。蘭州理工大學劉濤博士、劉振全教授等提出了復雜組合型線，研究了幾何參數(shù)隨主軸旋轉的動態(tài)變化規(guī)律。但是，上述研究通過(tōng guò)對單一渦旋型線的局部形狀的改變和修型或?qū)我恍途€進行組合來提高壓縮性能，其改良和組合的基礎都是基于單一的特定型線，因而，也難以取得突破性的進展。
　　而對于渦旋型線的優(yōu)化研究也集中于單一的特定型線參數(shù)優(yōu)化，確定基圓半徑、起始角、渦線圈數(shù)、渦線壁厚、渦線節(jié)距、渦盤半徑等設計(design)參數(shù)。
　　J.W.Bush等學者進行了單一渦旋型線參數(shù)(parameter)尺寸優(yōu)化（optimalize）的研究（research)工作日本學者IshiiN等對型線結構參數(shù)進行了優(yōu)化，得到一組符合樣機的具體結構參數(shù)。
　　蘭州理工大學劉振全教授等提出了基于粒子群算法的渦旋壓縮機渦旋盤優(yōu)化的研究（research)，建立了基于粒子群優(yōu)化算法的渦旋壓縮機動靜渦旋盤能效比的數(shù)學模型，采用粒子群算法來優(yōu)化渦旋壓縮機渦旋盤的結構參數(shù)，同時提出基于遺傳算法的動靜渦旋盤優(yōu)化設計(design)。西安交通大學的屈宗長教授等針對不同的結構參數(shù)，分別建立了參數(shù)優(yōu)化設計的數(shù)學模型；引入準則數(shù)與型線結構參數(shù)之間的關系，通過分析準則數(shù)對性能的影響，得到準則數(shù)的優(yōu)選范圍，給出了準則數(shù)在不同條件下的優(yōu)選策略。但是，上述所作的研究同樣由于受型線數(shù)學特性的限制，只能優(yōu)化型線參數(shù)，而不能優(yōu)選型線，不能從根本上解除制約因素，從而提高壓縮性能。
　　同時，渦旋壓縮機整機各項性能(property)指標的研究是渦旋壓縮機走向成熟性、產(chǎn)業(yè)化的關鍵因素，目前，對渦旋壓縮機性能的研究主要集中在機構（organization)力學特性、空氣動力特性、振動噪聲特性等單一性能或單一學科的研究。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。但是，由于受單一性能或單一學科特性因素的限制，沒有從整機特性層面上來全面考量渦旋型線的優(yōu)劣，同樣不能從根本上解除制約整機全性能的因素，從而難以提高整機特性。
　　3總結與展望
　　綜上表明，目前國內(nèi)外對渦旋壓縮機設計理論的研究（research)，其出發(fā)點或是對于給定的單一渦旋型線數(shù)學模型(model)，在研究其嚙合特性和介質(zhì)壓縮機理的基礎上進行改進、修型或優(yōu)化；或是對于渦旋壓縮機的機構力學特性、空氣動力特性、振動噪聲(noise)特性等單一性能或單一學科進行研究。昆山空壓機保養(yǎng)是回轉式連續(xù)氣流壓縮機，在其中高速旋轉的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發(fā)生在旋轉葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。但是，由于受單一渦旋型線數(shù)學模型固有特性的限制和渦旋型線單一性能或單一學科研究的限制，不能對表征渦旋型線本質(zhì)特征的渦旋型線的形函數(shù)本身進行優(yōu)選，同時，也沒有深入考慮渦旋壓縮機整機全性能耦合效應和多學科協(xié)同設計機制，因而，難以在渦旋壓縮機的研究和創(chuàng)新中取得根本性的突破。
　　因此，渦旋壓縮機的設計研究（research)建立在提高渦旋壓縮機整機特性基礎上對表征渦旋型線本質(zhì)特征的渦旋型線的形函數(shù)本身-通用渦旋型線進行多學科協(xié)同優(yōu)化設計研究是非常關鍵的。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。昆山空壓機保養(yǎng)是回轉式連續(xù)氣流壓縮機，在其中高速旋轉的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發(fā)生在旋轉葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。渦旋壓縮機的工作性能除了與渦旋型線設計有關外，還與型線加工(Processing)精度、渦旋氣流脈動(pulsation)特性、機構力學特性、渦盤動平衡特性、摩擦熱力特性、振動噪聲特性、壓縮機功率特性等配置情況(Condition)密切相關，因而，研究表征渦旋型線本質(zhì)特性的通用渦旋型線的整機全性能耦合效應和多學科協(xié)同優(yōu)化設計理論與方法，對于建立渦旋型線廓線的完整理論，并根據(jù)實際情況構造出具有最佳性能的渦旋壓縮具有重大的論意義和工業(yè)用價值(value)。
　　鑒于此，本文提出基于整機特性及學科協(xié)同的通用渦型線設計理論及優(yōu)化方法，正是在于通用渦旋型線的基礎上，利用泛函分析理論和多學科優(yōu)化設計方法與思想，深入研究通用渦旋型線形狀變化規(guī)律及其廣義泛函收特性，確定通用渦旋型線形狀變化規(guī)律并建立通用渦旋型線廣義泛函的收斂原則，研究渦旋氣流脈動(pulsation)特性、機構力學特性、渦盤動平衡特性、摩擦熱力特性、振動噪聲(noise)特性、壓縮機功率特性等多學科作用于渦旋型線的耦合機理及其對通用渦旋型線的要求及影響規(guī)律等深層次問題，從而得出通用渦旋型線整機全性能耦合效應(effect)和多學科協(xié)同機制及規(guī)律，建立通用渦旋型線整機全性能多學科協(xié)同優(yōu)化設計理論與方法，優(yōu)化出具有最佳性能的渦旋型線