1 离心式制冷压缩机在我国的发展

　　离心式制冷压缩机是离心式制冷机组的核心部件，而离心式制冷压缩机的设计制造技术和设备是制约离心式制冷压缩机发展的关键。1958年，苏联专家帮助我国在西安交通大学设立了压缩机、制冷机专业。自此，培养了大量的教学、科研、工程技术人才，为我国压缩机、制冷机的发展奠定了基础。1963年，重庆通用工业(集团)有限责任公司(原重庆通用机器厂)与西安交通大学联合设计制造了我国第一台离心式冷水机组(制冷剂R11，制冷量1 400 kW，供厦门纺织厂车间空调用)。此后，借鉴国外较好的模型级，结合自己的实验研究，以模化设计为主，国内几个厂家先后生产出化工用丙烯离心式制冷压缩机、高压聚乙烯装置的丙烯和乙烯离心式制冷压缩机、石油脱腊装置用氨离心式制冷压缩机，以及R1 1和R12离心式冷水机组系列;以一元流动理论为基础，设计制造出舰船用离心式冷水机组、低温(一5～ 一40℃)离心式制冷机组、一机多蒸发温度(一50℃ ，一40℃ ，一38℃ ，一22℃和0℃)离心式制冷机组等。所有这些国产设备，在当时国家外汇匮乏、外国人卡我们脖子的年代里，对国民经济的发展和国防建设发挥了重大作用，同时也培养和锻炼了我们自己的研发和制造队伍。

　　上世纪80年代中期，通过引进国外先进技术，我国的离心式制冷机达到当时的国际水平。在此基础上，90年代初，我们自行开发出替代当时的主流产品R11离心式制冷机的R123离心式制冷压缩机。此后，应用引进的离心式压缩机开发软件，运用三元流动理论，在上世纪末，自行设计制造出替代R12的R134a离心式制冷机系列，有力回击了某国际巨头断言中国人不可能自己设计制造出R134a离心式制冷机组的要挟，从而为实现我国向国际社会承诺的在2010年前禁止包括R11和R12在内的破坏大气臭氧层的CFCs物质的生产和使用做出了贡献。

　　经过几十年的努力，我国离心式制冷压缩机的水平已经有很大的提高，研发和制造能力也有了很大的提升，生产厂家也不止一二家了，能够满足国民经济发展和人们日常生活中对舒适性空调和工艺流程用及其他特殊要求的离心式制冷设备的需要。但是，进一步增强自主创新能力，提高能效、提高可靠性、降低成本，是所有国产离心式制冷压缩机厂家在当前和今后一个相当长时期内的首要任务。

　　2 离心式制冷压缩机的技术特点和研究现状

　　2.1 理论研究与设计方法

　　气体流经离心式压缩机叶轮和静止通道时，其实际流动是非常复杂的：气流参数沿截面分布是不均匀的，并随时间而变化;由于黏性的影响，气流参数的不均匀性更为严重，而且会引起二次流和分离流动。因此，离心式压缩机内的气体流动是非常复杂的三元非定常黏性流动。更甚于此，离心式制冷压缩机使用的制冷剂通常相对分子质量大、音速低，流道截面积变化大，气流很容易达到甚至超过音速，更容易产生气体分离甚或激波。这些都增加了离心式制冷压缩机设计的难度，在目前对离心式压缩机内许多现象的流动机制还没有充分认识以前，不可能通过数值计算求得离心式压缩机惟一精确的数值解。当前通常的做法是先做若干假设使问题简化，建立计算模型，然后将通过大量试验得到的若干经验数据引入设计计算，得到初步的计算结果，再进行优化设计。当今不论是采用三元流理论还是准三元流理论，或是哪一家的设计软件，大体都是这么一个基本设计思路。设计出的离心式压缩机不仅要求在额定工况下满足所需的流量、压力及有比较高的效率，还希望有比较宽的稳定工作范围和高效区，即在变工况时也能良好工作。但目前尚不能对离心式压缩机在非设计工况下的性能进行准确的预测，加上对离心式压缩机各元件内流动的相互影响研究得还不是很充分，这些都增加了优化设计的困难。更何况通过流场分析评判设计的优劣时，也只能根据已有经验总结出的若干定性的原则[1]，并没有量化的评价指标。因此，真正好的设计还得通过模型试验实际测得压缩机整机及主要通流元件的性能，借鉴已有的研究成果，有针对性地进行修改，反复多次，直至得到满意的结果。由此也可以得到若干性能优良的模型级，今后据以通过相似模化设计来设计新机器，亦不失为一种有效的设计方法。

　　基于上述理由，离心式压缩机内的气体流动还有很多问题亟待解决，离心式压缩机的研究领域相当广阔，当今许多学者根据自身的条件和专长，针对不同的课题进行着艰苦的理论研究和实验探索。譬如：边界层流动的研究;叶轮内二次流动与尾迹流的研究;叶轮内的损失计算，以及与马赫数、进口冲角的关系;叶轮叶栅最佳稠度的选定;双列叶栅叶轮最佳尺寸的决定(短叶片的截短长度和栅距差);叶轮出口到扩压器进口段损失的研究及其计算方法;扩压器内损失的计算方法;由扩压器出口过渡到回流器进口的环形弯道最佳几何参数的研究;弯道和回流器中损失的研究;蜗舌对级性能的影响;叶片扩压器和无叶片扩压器时，蜗舌的计算方法;蜗室的最佳截面形状(梯形、圆形、梨形等)，其截面相对于扩压器的位置(对称或非对称);蜗室进口气流角对蜗室和扩压器工作的影响;等等。除了上面列举的基础理论研究和研究级的各个单独元件几何参数的影响外，在整机设计和系统设计上也面临许多难题，如：相对分子质量大的制冷工质和多元制冷工质在高转速下导致跨音速;极小流量下的超低比转速窄叶轮(叶轮出口宽度b。与叶轮外径D：之比(6 /D )小于0.01，例如叶轮出口宽度在3 1TITI以下)，叶道内流动处于边界层内，导致效率低下，变工况性能极差;离心式压缩机特有的失速喘振问题及防喘策略;氨(NH3)等轻介质及低蒸发温度导致需经多缸、多级(如氨要2缸12级，合成气要3缸24级)压缩，如何分缸、分段、分级，确定转速、匹配，对整机设计技术提出更高要求;某些实际气体(如C ，某些制冷工质，多元制冷工质)的物性参数(绝热指数、比热容、可压缩系数等)在工作点落在近三相临界点附近时变化很大，导致设计困难(有资料指出，气体.I生质总是制冷压缩机实验和设计工作中大的误差源，如仅由于0.01的气体常数上的不肯定性便得出6.2个百分点级效率的总体不肯定性[2])。

　　近年来，刘高联、谷传纲等[3-4]提出三多(多设计工况、多目标函数、多约束条件)二非(非定常流动、非稳定流动)设计的新理念。所谓多设计工况是指压缩机工作过程中介质组分变化、中间冷却温度变化、冬夏环境温度或蒸发/冷凝温度变化、正常与开工阶段进口条件与要求不一致等，希望寻找模拟优化设计点;多目标函数指同时要求高效、宽工况范围、低造价，在原则上无最优解的情况下希望寻找协调解;多约束条件指必须同时满足强度、空气动力学和转子动力学方面的约束，而带约束的优化比无约束的优化在数学上更困难。优化设计的目标，不仅要求在设计工况点的效率要高，还应该满足多个设计工况且有高效的变工况性能、大的喘振裕度。在非定常流动情况下，叶轮机械内部动、静元件的干涉，背压的有规律或无规律的波动，进气蜗壳和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。从优化理论可知，多目标函数系统原则上没有最优解，刘高联、谷传纲等[3'4]提出适用于多级离心式压缩机的“协调关系法”，得到最优协调解或称之为次优解，提出模拟最优设计工况、折合效率等概念，解决了多级匹配和优化问题。而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和尽可能地扩大喘振裕度，并通过对系统的稳定性分析，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提供依据，并建立判断压缩机失速与喘振特性分析系统软件，保证机组高效节能安全运行，并在设计阶段就保证压缩机有足够的喘振裕度，这也就是所谓的离心式压缩机流动失稳的主动控制扩稳技术。

　　2.2 测试技术

　　如前所述，分析改进原有离心式压缩机、研究设计新型机器，不仅依靠理论研究的进一步深入，而且有赖于试验技术的发展。

　　2.2.1 试验台与试验方法

　　在实验室对模型级或实物机器进行实验研究可以不受现场条件的限制，不仅可以测得压缩机整机的性能，而且可以测得各段、各级以及各个单独元件内的流场分布，便于有针对性地对各元件进行分析和改进。实验室里的试验研究一般有2种方式：一种是以空气为工作介质的开式试验;一种是用压缩机的实际工作介质或性质与之相近的代用气体进行的闭式循环试验。闭式试验台对于工质性质严重偏离理想气体或贵重的、有毒气体的压缩机试验是必要的，试验前后只须进行简单的处理(对马赫数较高的离心式制冷压缩机按等马赫数确定当量试验转速并对试验结果做适当修正[5])，就可由试验结果直接得到机器的实际性能而毋需繁复的性能换算，并避免由此产生的性能偏差。但闭式试验台的建造费用昂贵、试验成本高，国内除重庆通用工业(集团)有限责任公司在上世纪80年代曾建有250 kW 闭式气体循环试验台外，还没有其他单位建有闭式台(重庆美的通用制冷设备有限公司2010年曾准备建，后因种种原因而中途放弃)，国外也不多见。开式试验台虽然用空气作为试验气体最为方便，但其最大的难点在于难以将压缩机以空气为介质的试验结果准确地换算为指定介质的性能。除美国机械工程学会的《压缩机和排气机动力试验规程》(ASMEPTC10—1965，于1986年和1992年经重新确认)之外，还没有发表过关于从试验气体到指定气体的压缩机性能换算方面的试验规程。在PTC10中，虽然按能否可靠地在指定运转条件以指定气体进行试验及按试验气体和指定气体的气体性质与理想气体定律的可允许的偏离度，将试验分为I，Ⅱ和Ⅲ三种类型，并分别给出了确定这3种类型试验的当量试验转速、试验结果的计算及将类型Ⅱ和类型Ⅲ的试验结果换算成在指定条件下用指定气体的性能的方法，但是，这些方法中规定的每个试验参数(如容积比、机器马赫数、机器雷诺数等)与指定设计参数之间允许的偏离度和换算的精确度并没有得到澄清。B.Φ.里斯[6]针对指定气体为理想气体时与空气的绝热指数相等(相近)或不等、周速马赫数不大与大、多级机器以及指定气体性质偏离理想气体等几种情况，分别提出了用空气做试验的方法及性能换算方法，并且声称，“上述用空气做试验以求得机器以气体工作时的性能曲线的方法在H3JI(前苏联列宁格勒涅瓦工厂)生产实践中得到应用，并得到完全可靠的结果”。遗憾的是，该作者也没有提及上述方法所能达到的精确度。为此，要想对自己由空气试验换算得到的机器用指定气体的性能与机器用指定气体的真实性能之间的偏差做到心中有数，必须广泛收集关于不同条件下各种型式离心式压缩机的试验资料，以期在将来制定出一个适用于一切条件的理论上或经验上的空气试验性能换算方法。离心式制冷压缩机使用的制冷剂，基本都是气体性质严重偏离理想气体定律的实际气体，如果不建闭式试验台，则当前只能参照已有的试验规程和经验，在开式试验台上用空气试验，通过换算得到工程上尽可能满意的机器性能。

　　如国外某公司的做法就是：根据设计要求，先按指定气体(如R134a)的物性参数计算压缩机通流部件的几何尺寸，然后在几何尺寸不变的条件下计算其用空气做介质时机器的性能，再做成模型级用空气做试验，比较机器的空气试验性能与空气计算性能，以机器的空气试验性能最佳并最接近换算后指定气体要求的性能为准，修改通流部件的几何尺寸。这种试验方法虽然不严谨，空气试验性能换算后与指定气体真实性能之间的偏差也无法精确计算，但仍不失为一种实用的设计与试验方法。

　　2.2.2 测量技术

　　不论是了解压缩机流道内的流场分布，还是获取压缩机的性能，都必须准确测得压缩机的基本气动热力参数。要测量的压缩机的基本参数包括气体的压力、温度、气流速度和方向、流量、转速、功率以及机组的振动和噪声，做闭式试验时还需要测量分析循环系统中试验气体的组分。

　　对于静止元件中稳定气流的压力、温度、速度和方向，采用压力探针、温度探针、方向探针进行测量的技术已经很成熟了，只是对使用在闭式循环系统中的气动探针必须用试验气体(而不是用

　　空气)在闭式校正风洞中进行校正L7]。但是，对于转动叶轮中相对运动气流参数的测量以及不稳定气流参数的测量，则困难得多，不论是测量方法还是测量仪器，都在继续研究中。已有的气压法和电测法，都是或者设法将测得的气流参数直接引出，或者将气流参数转变为电量、通过引电器或无线电遥测技术输出该电量信号，通过放大器、记录仪得到气流参数。对于不稳定气流，通常用特制的压力传感器和热线风速仪测量气流的压力、速度和方向，也有利用激光多普勒技术测量气流速度和方向的。

　　3 对我国离心式制冷压缩机产业持续发展的几点思考

　　3.1 政府应当为民族工业营造一个公平竞争的环境

　　自上世纪80年代中期到90年代初，世界知名制冷企业纷纷涌人中国大陆，或创办合资企业，或创办独资企业。他们在很长一段时间内享受“超国民待遇”(税收等方面)，他们充分利用他们的品牌优势和技术优势，加之不是个别项目在招标文件中公然敢违背国家“招投标法”的规定，设置“压缩机必须是原装进口或合资企业生产”的壁垒，将国产品牌拒之门外，使国内离心式制冷压缩机的发展受到抑制和打压。正如有的(对汽车产业的)评论指出，“市场换技术”的战略在过去的10多年中基本可以宣告失败，过于依赖外资并没有给这个产业带来多少自主创新内容，反而陷入“合资陷阱”。事实上，外资企业真正意义上的研发设计都在国外，国内企业根本不可能分享外资企业的技术;出于种种政治因素的考虑，国民经济和国防建设所需要的关键设备还需要依靠国内企业提供。因此，在改革开放的大形势下，政府应当为民族工业营造一个公平竞争的环境，鼓励和支持民族工业提高自主创新能力。国内企业则不要奢望有天上掉下来的馅饼，应着力于通过自身的努力，不断提高自主创新能力，才能在激烈的市场竞争中争得自己的一席立身之地。当今世界上普遍采用的叶轮机械三元流动理论，最早就是由中国科学家吴仲华教授提出来的，中国人应该有志气、有能力在离心式制冷压缩机领域赶超世界先进水平。

　　3.2 企业应提高对离心式压缩机技术的认识

　　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、基于紊流模型与

　　CFD的计算流体动力学、工质热物性、优化设计理论、强度与转子动力学、传动技术、轴承理论、监测与控制技术、密封技术、现代测量技术及制造工艺学等多学科的交叉。其产品质量取决于各学科的综合成果。因此，上世纪8O年代就出现所谓“多学科设计优化”(Multidisciplinary Design Optimiza—tion，简称MDO)。实际上，以往的设计其实都是多学科知识与设计原理、准则的协调解。当前许多民营企业在实现了资本的原始积累以后，根据市场调查都想生产离心式制冷机，但由于他们对离心式压缩机技术的复杂性以及制造、售后服务的难度缺乏认识，不重视专业技术人才和熟练技工的引进和使用，以为只要有产品图纸和有几个外资企业待过几天而并没有真正从事过新产品开发、又没有扎实的流体力学、热力学、传热学理论基础和系统的离心式压缩机专业知识的人就可以挺进离心式制冷机市场，往往要么停滞在贴牌或长期外购压缩机的水平上，要么一旦不能像以往的简单产品那样迅速占领市场、立见显著盈利就如啖鸡肋。这些都是不尊重科学、急功近利的表现。鉴于前述离心式压缩机技术复杂的秉性和国内外的研究现状，没有潜心研究的热情和耐心，没有大量人力物力的投入，没有研发、制造、管理经验的长期积累，要想在短期内把离心式制冷机产品形成产业，那是根本不可能的。否则，建议不要涉足该领域。这是企业高层和职业经理人决策时应把握的原则。

　　3.3 关于产学研合作

　　对离心式压缩机而言，除了航天航空部门的特殊要求(如质量最轻、寿命较短)外，对一般民用工业，应以气动性能、运行效率、转子动力学、强度、机组质量、加工工艺性为主要追求目标，而满足气动要求乃是第一位的，其他都是为其服务的。就目前国内的现状而言，高校和研究院所偏重于本专业领域内气动性能和基础理论的研究，对于企业生产实践中出现的疑难杂症(如能效的提升;压缩机转速提高仅功率升高很快而流量及制冷量却几乎不变;同一台机组不做任何改变放置几天后可以由振动超差变得合格或相反;等等)，或因为忙不过来、或认为题目太小成果的意义不大而一般不愿意介入;企业则重于应用，科研力量一般都比较薄弱，虽然有产品开发规划，却没有或不能合理分解(细化)为技术开发计划自行进行前期预研或寻求与高校进行专项合作，到产品设计完成时给产品留下许多遗憾甚或技术隐患。企业对于高校和研究院所已有的对自己有用的科研成果也不是很了解，造成常说的科技成果不能很快转化为生产力。这些都妨碍了行业的技术进步。所幸由中国制冷空调工业协会、西安交通大学、清华大学、合肥通用机械研究院等单位发起，2011年在西安举办了第一届“中国制冷空调专业产学研论坛”，旨在提供展现企业、高校和研究院所在技术创新中各自的优势和已有成果的平台;交流产学研结合的经验，推进成果的转化和对接，推动企业可持续发展;探寻企业技术需求，探讨未来研究热点及方向，提高制冷空调专业的前沿研究水平，实现科学技术的原始创新。此为行业破冰之举，可谓切中时弊，用心良苦。笔者以为：高校和研究院所除了继续本专业领域带普遍性的基础课题的研究外，应瞄准世界技术前沿，尽量多从企业生产实践中选题，这是国情和形势的需要;还可根据自身的优势，与企业结成“一对一”(或“多对一”)的紧密关系，深入企业，帮助企业分析制约企业发展的技术瓶颈，指导企业确定提升产品档次中需要解决的攻关课题和解决方案，并协助企业解决生产中常见的重大技术难题。这样不仅提高了企业的产品质量，也有益于企业长远的技术进步;对高校和研究院所来说，也可以使自己的研究课题更具针对性、实用性，能更好地为国民经济和生产建设服务，还能为自己的硕士生、博士生找到更现实的课题，让他们能尽早融人生产实践，提高他们分析

　　和解决实际问题的能力。可谓双方受益，也有利于我国制冷空调行业整体的技术进步。

　　3.4 企业必须有自己的实验研究基地

　　企业必须有技术自主创新能力，专业的离心式制冷压缩机制造厂家必须有自己的实验研究基地。由于离心式压缩机内部流动的复杂性和各元件对气体流动的相互影响，别人的研究成果是针对其特定的结构型式和几何尺寸得到的，只可以借鉴，不能照搬，如果结构和/或尺寸不同，也许结果就不一样，这也是难以总结出适合所有条件的离心式压缩机设计准则的原因之一。企业开发的新产品必须通过试验验证设计的正确性和性能的可靠性，但产品的出厂检验不能替代企业的实验研究，因为与螺杆式压缩机不同，对离心式压缩机不能仅满足于测得整机性能，还应测试各元件的性能(有条件时再测量各元件内部的流场分布)，逐步积累自己的试验数据，这样才有可能有针对性地对自己设计的压缩机元件进行分析改进，扎扎实实地提高能效。这是提高企业自主创新能力和产品质量的必由之路，除此没有任何捷径可走，任何希冀通过偷换概念、混淆工况条件进行商业炒作以求一时轰动之举，都是短视的、没有前途的。

　　4 结论

　　在制冷空调领域得到广泛应用的螺杆式制冷压缩机在国内取得了重要发展，整体技术水平与市场份额都得到了很大提高，并逐步成为热泵系统与冷冻冷藏系统的标准配置。作为技术密集型产品，螺杆式制冷压缩机还需要国内从业人员在转子加工设备制造、轴承与机械密封可靠性、噪声控制与机电一体化等方面做出更大的努力，牢牢把握节能和环保2个主要方向，加快开发新型高效螺杆式制冷压缩机产品的步伐，进一步缩小与国际领先水平的差距，为国家能源建设与国民经济发展做出更大的贡献。
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