论文分享 | 压缩机设计:轴流式、混流式还是离心式？

现在每年都有很多的论文发表，当一篇特别好的论文出现在我面前时，我喜欢把它分享出来。2021年我最喜欢的是一篇名为《选择一台压缩机的子午向拓扑形式：轴流式、混流式、离心式》的论文。一篇好的论文不仅应显示出作者有多聪明(尽管他们显然是聪明的)，更重要的是教给读者一些他们可以在自己的行业中使用的东西。这篇论文的主要作者为Smyth 和 Miller，来自剑桥大学的惠特尔实验室。这位Smyth不是著名的史密斯图表中的史密斯，但显然是受到了与他同名的史密斯的启发。

这篇论文的基本前提是通过将离心式、混流式、轴流式压缩机的布局视为流量“负荷”的函数来找到最佳设计点。多年来，很多论文都是以此为思路展开了研究。多种不同的方法按照旋转机械的不同种类（泵、压缩机、涡轮）和不同的设计形式（离心式、混流式、轴流式）被开发出来。针对不同类型的涡轮机械(泵、压气机、涡轮)和不同类型的设计(径向、混合、轴向)开发了不同的方法。这些方法在设计的初始阶段是有效的，因此被广泛使用。但是这些有效的方法到底有多好还有待商榷。这些方法中的部分方法的确相对其他方法更好，但在我看来，所有这些方法都有三个基本的弱点：

○需要恰当选择相关设计参数

○校正时都是基于有限的数据集

○设计起点没有考虑（工况）范围

（那么如何恰当的选择相关设计参数呢？）作者并不认可比转速这一离心式压缩机的设计概念，声称它没有物理意义，因此不适合用作选择标准。相反，他们将“负载”定义为m1/r1 r3 W，这使得它大致相当于进口流量系数。我不认为这是最终的相关设计参数（如果这个所谓最终的相关设计参数真的存在的话）。但我同意这个参数是一个很好的选择，远比比转速有价值。另一个相关参数就是传统的载荷系数Dh/U22。

本篇论文克服第二个潜在弱点（校正时都是基于有限的数据集）的方法是利用大量CFD使得结论具有统计学意义。作者声称已经使用了6000多个CFD结果。CFD有它的限制，但这些误差在设计点附近已被极小化。6000个CFD例子无疑是重要的抽样。这一点至关重要，因为类似这类工作（以及其他受到史密斯图启发的出版物）告诉你的是你设计（方案）的潜力而不是你必须遵循的。要做到这一点，你需要大量的数据来得出结论性的结论。

最后，通过探究指定的叶片数范围，找到最高效率和最大压升之间的平衡，以此解决了(第三个弱点)范围问题。由于最大效率和（工况）范围之间的权衡是一个相当主观的标准，因此作者的方法在这方面做的和其他人的一样好。

所有的想法都在下图中得到了体现，代表了在设计点附近的最大可能的效率。