一、團隊簡介

流體機械及工程系始建于 1956 年，是全國最早成立的壓縮機專業，自

1957 年開始培養研究生，1981 年批準為流體機械及流體動力工程全國首批博士點，并于 1988 年批準為首批國家重點學科，1989 年經國家計委批準建設流體機械國家專業實驗室，1995 年經國家計委批準依托于本學科建立流體機械及壓縮機國家工程研究中心，1998 年被批準為“長江學者”設點單位。 在 2002 年、2007 年歷屆國家重點學科的評選中，均以流體機械及工程學科第一名資格直接入選。

流體機械及工程系現有教職工 28 人，其中有教授 10 人，副教授 7 人，講師 6 人，高級工程師 4 人，工程師 1 人。擁有教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊 1 個，國家杰出青年基金獲得者 1 人，教育部跨/新世紀優秀人才 5 人，在專職教師隊伍中具有博士學位的比例超過 88%。目前在讀博士生90 名，碩士生 126 名。已經為國家培養了 2000 多名流體機械與工程專業的高級技術人才，其中全國百篇優秀博士學位論文獲得者 1 名。近五年來承擔國家973 課題、863 項目、國家自然科學基金項目、國防重要科研項目、武器探索重點項目、軍口 863 項目等共 35 項。

       二、團隊項目

1、大型透平壓縮機整機及部件氣動性能與流動測試技術負責人：宮武旗

（1）項目簡介

透平壓縮機，主要包括離心及軸流式壓縮機。它廣泛應用于航空發動機、燃氣輪機等重大關鍵裝備中，以及能源、石化、冶金、制冷及空分等重要行業中，對國民經濟的發展起著舉足輕重的作用。透平壓縮機由一系列部件按照一定規律組合而成，主要有進口集流器、進口導葉、一組基本級及出口蝸室等部件?；炯売钟梢唤M相鄰的動葉和靜葉排構成，或者由葉輪、擴壓器、彎道和回流器等部件構成。為研發高性能的透平壓縮機產品，傳統的壓縮機氣動測試分析技術局限于整機氣動性能、或單個部件性能、或單個部件流場的測試與分析。不能全面切實地反映壓縮機性能與內部流動之間的關系，對壓縮機研發形成阻礙。隨著對高性能壓縮機指標的不斷提高，在試驗研究上，不僅需要測試整機性能，更重要地還需要測試研究壓縮機各部件之間的性能和流場匹配情 況。這樣，才可能較全面系統地掌握壓縮機內流情況，為理解其非定常流動機理，分析和判斷影響產品性能的主因，為改進定位提供準確目標，使產品研發做到有的放矢，提高高性能壓縮機研發的效率，節省投資成本。

本項目通過創新性設計，在軸流及離心壓縮機各部件之間布置由計算機控制的微小型探針運動機構，將探針測試系統與壓縮機部件結構有機地融合為一體，實現對部件各關鍵位置截面流動參數分布的準確測試。本項目提供有完整配套的測試數據分析技術，能對透平壓縮機整機和部件性能進行綜合分析，全面反映壓縮機部件及整機性能與內部流場特性之間的關系，是服務于新一代高性能透平壓縮機產品研發的重要技術。其中部分技術 2016 年獲得陜西高等學?？茖W技術獎二等獎，2017 年獲中國通用機械工業協會科技創新突出貢獻獎。

（2）產品性能優勢

在目前透平壓縮機氣動計算與分析軟件發展迅速、種類繁多的情況下，本項目提出一種全面測試透平壓縮機整機及部件氣動性能，以及其內部流動參數的試驗技術，是對該領域研究技術手段很有價值的探索與發展。

項目通過試驗手段獲得壓縮機內部流動參量信息，測試精度高，測試數據的空間和時間分辨率高，測試過程實現了高度自動化，達到目前最先進水平。該測試技術獲得的氣動參量信息十分巨大，能全面覆蓋壓縮機運行的各種工 況，及所有關鍵流道區域，為掌握壓縮機部件和整機性能，以及內部流動提供大量有價值的直接數據信息。項目測試技術充分利用計算機自動控制功能，與最先進探針技術相結合，實現了測試技術的高適應和高智能化，測試精度和測試效率大大提高。項目組自行研發有各式微小型氣動探針及高頻動態探針，對各式探針校準測試技術有長期研究，開發有高精度氣動探針自動校準軟硬件系統。

綜合起來，項目是系統性解決大型透平壓縮機的部件和整機，以及內部流動測試的當今先進技術。

（3）市場前景及應用

項目主要應用于航空發動機/重型燃氣輪機的氣動試驗研究，以及石化、空分、制冷行業中大型透平壓縮機的氣動試驗研究，能為高性能透平壓縮機產品的研發提供技術支持。

為沈陽透平機械股份有限公司，陜鼓動力股份有限公司，中國空氣動力研究與發展中心（29），荏原冷熱系統（中國）有限公司等單位均有合作。為荏原冷熱系統（中國）有限公司提供冷水機組性能升級服務，目標是 COP 提升6%，達到一級能效。主要工作是，通過對其離心式壓縮機整機及各部件性能及流動進行測試與分析，對其流道進行了優化設計，完全實現了其能效指標要 求。

（4）技術成熟度

□概念驗證 □原理樣機□ 工程樣機 □中試 □產業化

項目組開發有適用于各式氣動探針的自動校準系統。采用計算機控制伺服電機，實現對各種探針的運動控制；采用高精度數據采集和科學的誤差處理方法，實現了探針的高精度校準；自動化提高了探針校準工作效率。

2、基于機械蒸汽再壓縮（MVR）的結晶系統優化研究負責人：宮武旗

（1）項目簡介

蒸發結晶作為工業生產中最基本的工藝流程，可廣泛應用于化工生產、食品制藥、海水淡化、工業廢水或廢液處理等領域。主要技術有單效蒸發、多效蒸發、熱泵蒸發等幾大類，單效蒸發和多效蒸發均屬于傳統蒸發方式，基于傳統蒸發方式的結晶系統中，產生的二次蒸汽直接被排放或通過冷卻水處理后排放，造成大量熱量能源和冷卻水資源的浪費。

在熱泵蒸發技術中，機械蒸汽再壓縮（MVR）技術采用機械壓縮的方法，將蒸發過程產生二次蒸汽的壓力和溫度提高后再次作為熱源蒸汽，該過程在蒸氣壓縮機中進行，同時免去了后續的冷卻處理。通過消耗少量的電力能源，可回收大量熱能和蒸汽，具有顯著的節能和節水優勢。該技術在對物料進行處理后的產物為冷凝水、濃縮液或晶體，過程無污染，屬于環境友好型技術。對高效且節能的蒸發結晶處理技術進行分析研究，能夠帶來明顯的經濟效益和社會效益。

本項目開發的是一種 MVR 并聯雙效蒸發結晶系統，主要部件有降膜蒸發器、強制循環蒸發器、離心式蒸汽壓縮機等。本系統考慮到不同類型蒸發器的物料適用性及節能性，將降膜蒸發器與強制循環蒸發器聯用，建立系統及部件的數學模型，與傳統蒸發結晶系統進行性能對比，并對系統的操作參數組合進行了多目標優化。

①—原料液泵；②—預熱器；③—凝水泵；④—凝水箱；⑤—降膜蒸發器；⑥— 強制循環蒸發加熱室；⑦—強制循環蒸發蒸發室；⑧—氣液分離器；⑨—蒸汽壓縮機；⑩—循環泵原料液泵； ?—結晶分離器；?—晶體儲存罐

（2）產品性能優勢

本項目為一種 MVR 并聯雙效蒸發結晶系統，其流程如圖 1 所示。本系統中原料液先通過降膜蒸發器進行蒸發濃縮處理，產生的濃溶液再經過強制循環蒸發器進行結晶，既克服了降膜蒸發器不適用于結晶物料的限制，也減少了強制循環蒸發器運行需要的驅動功率。項目組建立了系統和各部件的數學模型，計算確定系統中各管段不同介質的熱力學參數。通過能量和?分析，本系統與傳統多效蒸發結晶系統相比，在相同蒸發量下耗能更少、COP 值和?效率更高， 節能性和熱力學完善程度都較好。

通過分析各參數對系統總功耗及滿足生產要求所需的總換熱面積的影響規律，主要操作參數為壓縮溫升和蒸發溫度，分析得到兩者的取值范圍。在取值范圍內，以系統總功耗最小和總換熱面積最小為優化目標，利用遺傳算法進行多目標優化計算，確定一組最優的壓縮溫升和蒸發溫度組合。在相同蒸發量 下，優化后的參數組合可使系統總功耗及總換熱面積均相對較小，且能使系統具有更高的 COP 值和?效率，節能性和熱力學完善程度都有所提高。以蒸發量15000kg/h 為計算實例，結合實際工程對溫度的控制精度，在模糊集合選優的基礎上確定最優解.

（3）市場前景及應用

本項目的技術主要應用于大型工業的廢水處理和回收、海水淡化，以及化工、制藥、食品加工等過程的蒸發結晶中。

（4）技術成熟度

? 概念驗證 □原理樣機 □工程樣機 □中試 □產業化

3、基于透平壓縮機的跨臨界二氧化碳熱泵循環系統研究負責人：宮武旗

（1）項目簡介

當前環境問題已成為一個重要的全球問題，其中臭氧層破壞和溫室效應問題引起人們高度重視。傳統的熱泵熱水器以氟利昂作為工質，不符合環保要 求，而人工合成的制冷劑又可能對環境造成潛在的、不可預知的危害。因此， 開發環保意義上的熱泵熱水器具有重要價值。

熱泵熱水器是以消耗少部分電能為代價，通過熱力循環，將環境介質水、地熱源、空氣等儲存的能量加以發掘利用，用來生產熱水。CO2 作為自然工質，以其環保性、經濟性、安全性、優良的傳熱特性、大單位容積制冷量等綜合優勢，成為熱泵工質的首選。由于其較低的臨界溫度，循環一般處于跨臨界狀態下運行。所謂跨臨界循環就是壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力，但是排氣壓力高于臨界壓力，工質在高壓側換熱主要通過顯熱交換完成，其蒸發溫度低于臨界溫度，循環吸熱過程仍在亞臨界條件下，換熱依靠潛熱，高壓側溫度和壓力相互獨立，使得系統多了一個自由度或者可控參數。相較于常規亞臨界循環，CO2 跨臨界循環中氣體冷卻器所具有的較高排氣溫度和較大溫度滑移正好和冷卻介質的溫升過程相匹配，溫差不可逆損失減小，有利于提高系統性能， 非常適用于家用水的加熱。而且 CO2 跨臨界循環的容積膨脹比為 2~4，是常規工質的 1/10，膨脹功約占壓縮功的 20％~40％，將其回收用于驅動壓縮機，可以輔助提高系統效率。

本項目開發的是一種較大容量跨臨界二氧化碳熱泵系統，由離心壓縮機、氣體冷卻器、透平膨脹機、蒸發器等主要部件構成。該系統具有供熱系數高， 結構緊湊，生產熱水溫度高，膨脹比小，膨脹功大的特點。采用透平膨脹機回收膨脹功，可有效減少節流損失，提高系統 COP 值及效率。系統采用離心壓縮機，具有體積小、振動噪音小、氣量大且供熱集中的優點。所以，本項目所開發的二氧化碳熱泵循環系統，不但在環境保護方面具有很大優勢，而且節能潛力非常大，所以市場應用前景廣闊。

（2）產品性能優勢

項目組通過研究自行建立了跨臨界二氧化碳熱泵系統的數學模型，對系統各部件進行了數學建模；計算確定了系統各狀態點的熱力參數，研究了各參數的取值范圍，以及各參數對系統 COP 及效率的影響規律；采用多目標優化方法對系統進行優化，確定了最優參數組合，使得系統 COP 及效率達到最高。

系統中的離心式壓縮機，采用兩級壓縮、中間冷卻的設計方案，對壓縮機進行了詳細設計。通過對系統的研究確定透平膨脹機的進出口參數，編制膨脹機熱力設計計算程序，設計了膨脹機蝸殼、噴嘴、工作輪、擴壓器的基本幾何參數。對壓縮機和膨脹機建立了三維模型，數值計算網格模型，并進行數值計算分析，對葉片流道及工作輪流道進行優化，獲得高效的壓縮機和膨脹機方 案。

由于二氧化碳的臨界溫度只有 31.1℃，臨界壓力為 7.38MPa，它的臨界溫度通常低于空調和熱泵系統的排氣溫度，因此本系統采用跨臨界循環模式。而冷卻放熱的高壓側壓力高達 9~11MPa，低壓側壓力在 3MPa 左右，節流部分壓差高達 6-8MPa，結合近臨界區二氧化碳特殊的熱物性和傳輸性，所以常規二氧化碳跨臨界循環系統性能并不高，提高整個系統性能的關鍵在于降低節流部分的損失。本項目采取兩級壓縮以及單級膨脹回收膨脹功的方式來提高系統性能， 可以獲得高性能的跨臨界二氧化碳熱泵系統.

（3）市場前景及應用

本項目主要應用于城市居民或企業大規模供熱系統，以及低溫熱源的再利用和能源回收等系統。由于二氧化碳的特性，以及跨臨界系統循環的特性，本項目研制的熱泵系統有供熱熱水溫度較高，系統結構緊湊簡潔，占地面積小， 可以代替熱水鍋爐進行采暖和生活熱水供應，也可用于汽車空調的研發。二氧化碳熱泵目前來說是一個新生事物，但是由于工質以及循環特性，有較高的研究價值和應用前景。

（4）技術成熟度

□概念驗證 □ 原理樣機 □工程樣機 □中試 □產業化

4、燒結風機模型機三元高效葉輪節能技術負責人：宮武旗

（1）項目簡介

燒結主抽風機的電能消耗約占整個燒結廠電能總消耗的 50%，是能源消耗的大戶。目前燒結風機大多是依據二元理論設計的風機，它制造較為簡單，成本低，技術成熟，但是運行效率偏低，對能源有較大浪費。

本課題組通過對某燒結離心風機模型機葉輪進出口流動狀態，子午面流動分離，葉片成型加載規律，以及蝸舌影響的研究，在不改變原蝸殼幾何尺寸，

以及采用直線錐前盤葉輪的條件下，開發了一種高效的三元葉輪燒結風機模型機.

該三元葉輪對工作介質在通過葉輪時能進行有效地控制，減少或消除葉輪內部的渦流，最大限度地利用葉輪結構尺寸，形成最適合氣流通過的葉片流道形狀，能較大幅度提升葉輪作功能力和風機效率。因此，在目前二元葉輪燒結風機應用還比較普遍的情況下，采用該三元流葉輪風機進行增容改造，具有比較突出的節能減排意義。

（2）產品性能優勢

項目組掌握了三元風機氣動設計研發的關鍵技術，可以依據用戶參數要求開發高效的三元燒結風機模型機。所研發燒結風機不改變用戶原有蝸殼主要尺寸，只改變葉輪，能最大限度節約用戶的節能改造成本。

針對陜鼓通風設備有限公司某型號二元燒結風機模型機，本項目開發的三元風機模型機在額定條件下總壓效率為 86.7%，靜壓效率為 78.8%，比原二元葉輪風機總壓效率提高了 7.7%，靜壓效率提高了 6.5%，且高效工況區大幅度拓寬。對于實際尺寸的大型燒結風機機型，效率還會有顯著提升空間，預計會提升在 12%以上，項目具有顯著的節能效益。（3）市場前景及應用

項目組可為燒結風機設計制造企業提供技術服務，開展合作研發。為燒結風機節能改造，以及其它大型高壓離心風機的節能改造提供技術支持及合作研發。項目組可以依據用戶需求開發新型高效離心風機。

（4）技術成熟度

□概念驗證 □原理樣機 □ 工程樣機 □中試 □產業化

三、合作方式

□聯合研發 □技術入股 □轉讓 □授權（許可） □面議