博客分享 | 基于氢气的叶轮机设计

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把氢气作为一种工作流体或是简单的将其从一个地方移动至另一个地方均需要叶轮机械。根据不同的应用场景，流体热力学和流体力学性质通常能够简单的建模。对于接近常温常压的应用场景更是如此。而对于将气态转化为液态储存的应用场景，则需要更复杂的模型来处理多相流问题。尽管看上去氢气的性质有些特殊，但是对于氢气的建模难度其实与对于空气和水的建模难度差不多。

在中等温度和压力下，真正的挑战来自于机械结构、强度上的设计（而非气动）。当然，氢是原子量最低的元素。这种低密度的流体需要大量能量才能达到所需要的压力。对于叶轮类机械，需要大量能量意味着需要更高的速度。而更高的速度又意味着旋转部件需要承受更高的应力。

从下图中可以更为直观的了解这个问题。下图右侧是一个基于空气的压比为2的离心压缩机的设计，左侧是一个基于氢气的类似压比的离心压缩机的设计，两者各级的轮周线速度相同，均采用我司COMPAL一维设计软件完成。由于叶轮轮周线速度很大程度上表征了叶轮最大应力。因此可以认为两组设计中各级叶轮最大应力基本一致。也就是说，在保证各级叶轮最大应力一致的前提下，达到相同的压比，氢气压缩机需要5级，空气压缩机仅需1级。

这种情况下，对于氢气叶轮机的气动设计过程没有什么特别困难或复杂的地方。一般的设计规则和损失模型可以对几乎任何流体通用。唯一需要注意的是，针对氢气的一维设计的程序可能需用更多的审核，因为很多一维设计的程序的经验数据都来源于空气介质。

除此之外，基于氢气的叶轮机设计过程与基于空气的叶轮机设计过程非常类似。下图是一张基于氢气的多级离心压缩机三维结构图，采用我司Axcent三维设计软件完成。可以看到基于氢气的多级离心压缩机的三维几何结构的形状、尺寸与传统空气压缩机相比差别不大。

一台5级离心压缩机的成本和复杂性要比单级高得多。这种情况下，设计者可能想要突破常规的应力极限或至少做出一些气动上的妥协来减少级数。最终，与所有其他的设计过程一样，设计者必须在性能和成本之间做出权衡。一款先进、可靠、精准的设计系统（如Concepts NREC的敏捷工程设计系统）可以极大的促进这一过程并在最短的时间内给您提供最佳的组合。

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