博客分享 | 设计蜗壳时的重要考虑因素

在径向叶轮机械排气时，气流可以通过蜗壳引导到切向出口管道。一个成功的蜗壳的设计涉及几个因素: 来流条件、适当的蜗壳尺寸、喉口位置和蜗舌结构，以及出口锥形扩压器的布局。

简单的蜗壳示例：转子和蜗壳之间是一个短的无叶空间

蜗壳的设计不是从蜗壳开始，而是从上游部件开始的。一个特别关注的点是气流是如何进入蜗壳的。来流必须根据所使用的蜗壳类型及适用条件相匹配。如果进入蜗壳的气流没有匹配，那么蜗壳的有效性已然受到限制，其性能也一定不是最优的。如何调整来流以确保蜗壳的成功取决于使用该蜗壳的机器类型。在叶轮/蜗壳紧密相接设计中，叶轮通常设计有更大的后弯角，以帮助降低蜗壳进口速度，从而减少损失，提高整级性能。如果在蜗壳之前使用无叶扩压器，扩压器通常采用压缩高度来帮助调整来流。

蜗壳截面尺寸会对泵或压缩机的整体性能图产生巨大的影响。 蜗壳通过横截面积沿周向从0°到360°变化来定义的。蜗舌位于0°位置。在压缩机或泵的设计工况下，通过仔细控制周向截面面积变化规律，蜗壳通常被设计有少许或者没有静压恢复。基于角动量守恒计算截面面积，但也可以在圆周上稍微增加尺寸，以考虑边界层的增长。如果蜗壳与泵或压缩机不匹配，则性能曲线(扬程或效率与流量的函数)将向更高或更低的流量偏离。如果蜗壳尺寸过小，曲线将向小流量方向移动。如果过大，性能曲线将转向更高的流量。有时，这种转变是有意将机器微调到所需的流量范围。

蜗壳截面可以具有不同的形状，这对性能有不同的影响，这主要是由于摩擦。尽管圆形蜗壳横截面提供了每单位体积最小的壁面积，但最终，其形状通常由安装几何约束决定。压缩机设计者通常使用悬臂式蜗壳，而商业泵设计者则倾向于使用对称蜗壳。

蜗壳设计的另一个关键是蜗舌，因为涡舌对性能和范围有很大影响。根据用途的不同，有许多因素需要考虑。这些因素包括制造方法和公差、材料应力、流体侵蚀、蜗舌角、与上游叶轮的距离、扩压叶片阻塞等。

设计时还需要考虑性能和范围问题。设计良好的相对厚度较小的蜗舌可以提供最小的损耗，但可能会减小工作范围。一个大半径蜗舌将提供更大的工作范围，但也可能招致增加设计点损失。

蜗舌设计的另一个关键是蜗舌形成的喉部(或最小)面积。该面积决定了蜗壳的容量，也是出口锥形扩压器开始的地方。因为其复杂的几何形状, 这可能是一个在CAD建模非常困难的区域。必须注意，最终的喉部面积必须符合预期，否则蜗壳将不能像预期的那样工作。同样重要的是，合理设计蜗舌和喉口几何是下游锥形扩压器表现良好的保证。

蜗壳最后需要认真设计的部分是锥管扩压器，从蜗壳喉部到配套管道法兰。这部分的面积比可能相当大，如果锥形扩压器没有提供足够的长度来进行良好的扩压，则会导致性能损失很大。锥形扩压器性能图显示了给定面积比和长度下的预期压力恢复，可用于该元件的快速设计参考。

蜗壳初看相当简单和且布局直接，但如果蜗壳设计没有以往设计的测试经验作参考，设计应该通过建模来检查。经验建模是实现这一目标的一种快速有效的方法。计算流体动力学(CFD)也是评估蜗壳几何形状和提高对预期设计性能信心的有效工具。

 

作者 | Jamin Bitter