第三章-離心式壓縮機-6.ppt

離心式壓縮機 過程流體機械 機械設備 第三章離心式壓縮機 離心式壓縮機典型結(jié)構(gòu)和工作原理 3 1 性能調(diào)節(jié)與控制 3 2 安全可靠性 3 3 選型 軸流式壓縮機 3 4 菜單 離心式壓縮機的基本方程 概述 氣體壓縮機 容積式 透平式 往復式 回轉(zhuǎn)式 活塞式 柱塞式 隔膜式 羅茨式 葉氏式 螺桿式 滑片式 離心式 軸流式 斜流式 復合式 離心壓縮機和軸流式壓縮機等習慣稱為風機 分壓縮機 鼓風機和通風機 按排出壓力分類 0 015MPa通風機0 015MPa 0 3MPa 0 35MPa 鼓風機 0 3MPa 0 35MPa 壓縮機 離心壓縮機 速度式透平機械 概述 離心壓縮機的發(fā)展概況 新技術(shù) 新工藝使得離心壓縮機的應用領(lǐng)域愈來愈廣 石油化工 油氣集輸 離心壓縮機是在通風機基礎(chǔ)上發(fā)展起來流量10000m3 min提高了轉(zhuǎn)速 大都在35000rpm以上 同時解決了高速度軸承及其動平衡問題浮環(huán)密封結(jié)構(gòu) 解決了高壓下的軸端密封筒型及雙層殼解決了強度問題和機體密封電火花加工使小流量下窄流道葉輪的加工得到解決 吳仲華教授 1917 1992 1947年美國麻省理工博士學位美國NASA科學家 準三元流動基本理論 60年代開始應用準三元流動理論 設計空間扭曲葉片 以改善級的流動性能 提高效率 單軸離心式壓縮機 離心式壓縮機 能量轉(zhuǎn)化過程 機械能 氣體動能 壓能 進一步轉(zhuǎn)換成壓能葉輪轉(zhuǎn)速越高 直徑越大傳遞的能量越大 工作原理 驅(qū)動機 轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn) 葉輪入口產(chǎn)生負壓 吸氣 氣體在葉輪增速及后面流道中擴壓 被壓縮氣體連續(xù)從蝸殼排出 氣體的流動過程 EI120 6 35 0 95E 有中間冷卻器的多級高速離心壓縮機I 代表汽缸 羅馬字I 主要結(jié)構(gòu) v 離心式壓縮機典型結(jié)構(gòu) 葉輪 擴壓器 彎道 回流器 出口蝸殼 吸氣室 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)軸 固定在軸上的葉輪 軸套 聯(lián)軸器及平衡盤等 離心壓縮機 定子 壓縮機的固定元件 如機殼 擴壓器 彎道 回流器 蝸殼 吸氣室 離心式壓縮機典型結(jié)構(gòu) 葉輪 唯一做功部件 增加氣體能量 擴壓器 主要轉(zhuǎn)能裝置 泵中蝸殼或?qū)~ 速度能轉(zhuǎn)換為壓力能 彎道 在擴壓器后使離心流動變?yōu)橄蛐牧鲃?引入下一級 回流器 使氣流以一定方向均勻流入下一級葉輪入口 有的裝有導向葉片 吸氣室 將進氣管中氣體均勻?qū)肴~輪 蝸殼 收集氣體 引出 降速擴壓作用 主要過流部件 離心式壓縮機典型結(jié)構(gòu) 級 段 缸 由一個葉輪與其相配合的固定元件所構(gòu)成 以中間冷卻器作為分段的標志 可以由幾個級構(gòu)成 一個機殼稱為一缸 多機殼稱為多缸 在葉輪數(shù)較多時采用 吸氣室 葉輪 擴壓器 彎道 回流器 蝸殼 主要部件及典型結(jié)構(gòu) 級是離心壓縮機使氣體增壓的基本單元 分為首級 中間級 末級中間級 由葉輪 擴壓器 彎道 回流器組成 首級 吸氣室 中間級 末級 葉輪 擴壓器 蝸殼 級的典型結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵截面 離心壓縮機的典型結(jié)構(gòu)與特點級的典型結(jié)構(gòu) 各元件通流截面變化及能量轉(zhuǎn)換情況 1 按葉輪結(jié)構(gòu)型式閉式葉輪 性能好 效率高 由于輪蓋的影響 葉輪圓周速度受到限制 半開式葉輪 效率較低 強度較高 雙面進氣葉輪 適用于大流量 且軸向力平衡好 離心式葉輪的典型結(jié)構(gòu) 按葉輪葉片彎曲型式 葉片的出口安裝角 后彎型葉輪 A 90 級效率高 穩(wěn)定工作范圍寬 徑向型葉輪 A 90 性能介于后彎型和前彎型之間 前彎型葉輪 A 90 級效率較低 穩(wěn)定工作范圍窄 A 速度三角形 葉輪進出口的速度三角形 氣流在葉輪中流動的絕對速度為相對速度和牽連速度的矢量和 位于葉輪葉道內(nèi)任一點的流體質(zhì)點的運動狀態(tài) 均可用一個速度三角形來表達 實際應用中 主要用進 出口的速度三角形 它的形狀和大小將直接關(guān)系到葉輪和流體間的能量交換 功耗 葉輪與速度三角形中各參數(shù)的含義如下 氣流絕對速度與圓周速度的夾角 氣流相對速度與圓周速度反方向的夾角 液流角 cr 絕對速度的徑向分速 cu 絕對速度的周向分速 A 葉片安置角 葉片在該點的切線與圓周速度反方向的夾角 當葉片數(shù)無窮多時 A 葉輪出口處的葉片安置角 A又叫葉片離角 離心葉輪的典型結(jié)構(gòu)葉輪速度三角形 葉輪透平機械理論基礎(chǔ)適用壓縮機 泵 汽輪機等下標 1 葉輪進口截面2 葉輪出口截面A 葉片th 理論參數(shù) 葉片無限多 無限薄 不占體積 理論參數(shù) 實際參數(shù) 葉輪出口速度三角形 葉輪進口速度三角形 絕對速度 葉輪出口速度三角形 葉輪進口速度三角形 離心葉輪的典型結(jié)構(gòu)葉輪速度三角形氣流速度 絕對速度 氣流速度 c c2 c1牽連速度 葉輪圓周速度 u r 角速度 u2 u1相對速度 流動速度 w w2 w1氣流角度 實際參數(shù) 2 w2 u2 2 c2 u2 結(jié)構(gòu)角度 理論參數(shù) 葉片出口角 2A 切線 u反向 與流動和介質(zhì)無關(guān) 理想狀況 2 2A 相對速度 圓周速度 葉輪進口速度三角形 葉輪進口速度三角形 離心葉輪的典型結(jié)構(gòu)葉輪速度三角形分速度 周向分速度 c在圓周方向分量 cu c2u c1u與能量 揚程 有關(guān)能量頭 周速 系數(shù) 2u c2u u2徑向分速度 c在直徑方向分量 cr c2r c1r與流量 流速 有關(guān)流量系數(shù) 2r c2r u2 徑向分速度 周向分速度 擴壓器 能量轉(zhuǎn)換元件 動能 壓能 氣流減速增壓 無葉 片 型 葉片 有葉 型 擴壓器結(jié)構(gòu) 擴壓器動能轉(zhuǎn)換為壓力能作用擴壓原理 氣流從葉輪中出來 速度高 動能大 進入擴壓器后 由于流通面積逐漸增大 使速度降低 依據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律 部分動能減少而轉(zhuǎn)換為壓能 實現(xiàn)增壓的目的 擴壓器種類 葉片式 直壁式 無葉擴壓器 優(yōu)點 1 排氣量大 氣體流經(jīng)離心壓縮機是連續(xù)的 其流通截面積較大 且葉輪轉(zhuǎn)速很高 故氣流速度很大 因而流量很大 2 結(jié)構(gòu)緊湊 尺寸小 它比同氣量的活塞式小得多 3 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠 連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長 維護費用省低 4 不污染被壓縮的氣體 這對化工生產(chǎn)是很重要的 5 轉(zhuǎn)速較高 適宜用蒸汽輪機或燃氣輪機直接拖動 離心式壓縮機的特點 由于高壓密封 小流量窄葉輪的加工和多油楔軸承等技術(shù)關(guān)鍵的研制成功 使離心壓縮機的應用范圍大為擴展 以致在許多場合可以取代往復活塞式壓縮機 缺點 1 單級壓力比不高 不適用于較小的流量 2 穩(wěn)定工況區(qū)較窄 盡管氣量調(diào)節(jié)較方便 但經(jīng)濟性較差 離心式壓縮機的特點 續(xù) 3 1 2離心壓縮機的基本方程 3 1 2 1連續(xù)方程3 1 2 2歐拉方程3 1 2 3能量方程3 1 2 4伯努利方程3 1 2 5壓縮過程與壓縮功 壓縮機中氣體流動實為三元非定常流動 有粘性 壓縮性 情況復雜 工程上?？珊喕癁橐辉ǔＡ鲃舆M行分析處理 即進氣狀態(tài) 排氣狀態(tài) n不變時 認為流體中同一載面上各點氣流參數(shù)均一 在保持穩(wěn)定工作條件下氣流參數(shù)不隨時間變化 連續(xù)方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學中的數(shù)學表達式 在定常一元流動情況下 其連續(xù)方程表示為 3 1 2 1連續(xù)方程 為了反映流量與葉輪幾何尺寸及氣流速度的相互關(guān)系 常應用連續(xù)方程在葉輪出口的表達式為 葉輪出口相對寬度 出口葉片阻塞系數(shù) 2 0 95 0 98 0 025 b2 D2 0 065 理想情況 每千克氣體所獲得的能量Hth應等于葉輪所輸出的功Lth 此式即為歐拉方程式 Hth 為流體的理論能量頭 3 1 2 2歐拉方程 歐拉方程的物理意義 1 是葉輪機械理論計算 性能分析 結(jié)構(gòu)設計的依據(jù) 對所有葉輪式 非封閉體系都適用 無論是原動機還是工作機 2 介質(zhì)能量的增加Hth 只與葉輪進 出口介質(zhì)的速度u w c有關(guān) 只要知道葉輪進出口速度 即可計算流體所獲得能力 不管葉輪內(nèi)部流動情況 3 描述葉輪與流體之間能量轉(zhuǎn)換關(guān)系 遵循能量守恒定律 1 工程上理論能量頭計算理論能量頭計算 在理論流量下 額定流量 葉輪進口氣體無沖擊 無預旋的進入葉道 此時 C1 C1rC1u 0 1 90 進出口速度三角形 工程上理論能量頭計算 歐拉方程 其中 理論能量頭 理論流量下的歐拉方程 式中 結(jié)論 葉輪結(jié)構(gòu)一定 轉(zhuǎn)速一定 則理論能量頭即確定 因而 氣體經(jīng)過葉輪后所得到的能量就一定了 理論能量頭系數(shù) 理論能量頭的影響因素分析 圓周速度 n 或D u2 Hth 影響最顯著 流量系數(shù) 后彎式葉輪在其它參數(shù)一定時 q c2r 則Hth 即 流量增加 則理論能量頭降低 理論能量頭的影響因素分析 葉片安裝角度 2Aa 后彎葉片 2A 90 葉片彎曲與旋轉(zhuǎn)方向相反 當 2A 1 89 ctg 2A 而Hth 略有升高 2 直角葉片 2A 90 3 前彎葉片 2A 90 ctg 2A 負值 C2 則 Hth 采用前彎葉片時 絕對速度C2成倍提高 前彎式葉輪的做功能力最強 動能最大 在擴壓管 殼體內(nèi)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象 效率較低 故壓縮機不采用前彎葉片一般情況下 離心通風機選 2A 90 航空渦輪發(fā)動機選 2A 90 大中型壓縮機 2A 30 60 能量方程用于計算級內(nèi)氣體溫度 焓 的變化和速度 動能 變化 當外界對級內(nèi)氣體做功或輸入能量后 就單位質(zhì)量氣體而言 根據(jù)能量守衡定律 必然使氣體的焓值和動能增加 能量方程為 3 1 2 3能量方程 其中 0 葉輪進口或級的進口截面 0 級的出口截面 能量守衡定律任何一段流道 故此 上式簡化為 在離心式壓縮機中 由于氣體流速很快 通常 通過機殼 與外界的熱交換很小 可認為是絕熱流動 即 幾乎無熱量傳遞 q 0 對葉輪進出口截面而言 能量方程為 即 葉輪傳給氣體的能量 一部分轉(zhuǎn)化為焓的增量 一部分轉(zhuǎn)化為動能增量 對擴壓器進出口截面而言 氣體既沒有獲得也沒有輸出機械功和能量 故H 0 q 0 即為絕能流動 能量方程為 即 當氣體做絕能流動時 流道內(nèi)任意截面處的焓值和動能之和為一常數(shù) 或 應用伯努力方程將流體所獲得的能量區(qū)分為有用能量和能量損失 葉輪所做的機械功還可與級內(nèi)表征流體壓力升高的靜壓能聯(lián)系起來 表達成通用的伯努力方程 對級內(nèi)流體而言有 3 1 2 4伯努利方程 級內(nèi)的流動損失 對包含葉輪的一段流道 伯努利方程為 impeller 對照可見 上式表明 流體在葉輪中牽連速度的增加和相對速度的減少 一部分轉(zhuǎn)化為靜壓能增高 一部分用于克服葉輪中的流動損失 對不包含葉輪的一段流道 如擴壓器 diffuser 伯努利方程為 或為 動能的減少 一部分變?yōu)閴毫ι?降速擴壓 一部分用于克服流動阻力 伯努利方程的物理意義為 表示葉輪所做機械功轉(zhuǎn)換為級中流體的有用能量 靜壓能和動能增加 的同時 還需付出一部分能量克服流動損失或級中的所有損失 它建立了機械能與氣體壓力p 流速c和能量損失之間的相互關(guān)系 該方程適用一級 亦適用于多級整機或其中任一通流通部件 這由所取的進出口截面而定 對于不可壓縮流體來說應用伯努利方程計算壓力的升高是方便的 而對于可壓縮流體 尚需獲知壓力和密度的函數(shù)關(guān)系才能求解靜壓能頭積分 這還要聯(lián)系熱力學的基礎(chǔ)知識加以解決 3 1 2 5壓縮過程與壓縮功 對不可壓縮的液體 靜壓能頭的增量 對可壓縮的氣體 由于壓力的改變必將引起比容 密度 的改變 而比容的改變與壓縮過程有關(guān) 因此 有等溫 isothermal 等熵 adiabatical 和多變 polytrope 三種形式 等溫壓縮功 絕熱壓縮功 多變壓縮功 氣流在離心式壓縮機的葉輪及固定元件中的流動多數(shù)為多變過程 Hpol稱為多變壓縮有效能量頭單位kJ kg 通常把能量頭與之比成為能量頭系數(shù) 常用多變能頭系數(shù) pol表示葉輪圓周速度在提高氣體壓力上的能量利用程度 連續(xù)性方程 歐拉方程 能量方程 伯努利方程和壓縮功計算式關(guān)聯(lián)后 可推出流量或流體速度在機器中的變化 連續(xù)性方程 歐拉方程 能量方程 伯努利方程和壓縮功計算式關(guān)聯(lián)后 通常離心式壓縮機整機的進口和出口速度以及各級的進 出口速度是基本相同的 只要按照實驗統(tǒng)計和設計經(jīng)驗選定氣流速度 流道內(nèi)各截面的尺寸即可確定 3 1 3級內(nèi)的各種流動損失 損失種類 泄漏損失HL總損失輪阻損失Hdf流動損失Hhyd摩阻損失分離損失沖擊損失二次流損失尾跡損失 df df 1 摩阻損失 產(chǎn)生原因 流體的粘性是根本原因 從葉輪進口到出口有流體與壁面接觸 就有邊界層存在 就將產(chǎn)生摩阻損失 大小 為摩阻系數(shù) 是Re與壁面粗糙度的函數(shù) 通常離心壓縮機中 是常數(shù) 則hf與qv2成正比 減小措施 提高加工精度 3 1 3級內(nèi)的流動損失 2 分離損失 產(chǎn)生原因 通道截面突然變化 速度降低 近壁邊界層增厚 引起分離損失 大小 大于沿程摩阻損失 受流道形狀 壁面粗糙度 氣流雷諾數(shù) 氣體湍流程度影響 減少措施 控制通道的當量擴張角 控制進出口的相對速度比 3 沖擊損失 產(chǎn)生原因 流量偏離設計工況點 使得葉輪和葉片擴壓器的進氣沖角i 0 在葉片進口附近產(chǎn)生較大的擴張角 導致氣流對葉片的沖擊 造成分離損失 減少措施 控制在設計工況點附近運行 在葉輪前安裝可轉(zhuǎn)動導向葉片 大小 采用沖擊速度來表示 正沖角損失是負沖角損失的10 15倍 4 二次流損失 產(chǎn)生原因 葉道同一截面上氣流速度與壓力分布不均勻 存在壓差 產(chǎn)生流動 干擾主氣流的流動 產(chǎn)生能量損失 在葉輪和彎道處急劇轉(zhuǎn)彎部位出現(xiàn) 減少措施 增加葉片數(shù) 避免急劇轉(zhuǎn)彎 大小 葉道的彎曲 氣流速度方向的變化急劇與否 5 尾跡損失 產(chǎn)生原因 葉片尾部有一定厚度 氣體從葉道中流出時 通流面積突然擴大 氣流速度下降 邊界層發(fā)生突然分離 在葉片尾部外緣形成氣流旋渦區(qū) 尾跡區(qū) 尾跡區(qū)氣流速度與主氣流速度 壓力相差較大 相互混合 產(chǎn)生的能量損失 減少措施 采用翼型葉片代替等厚葉片 將等厚葉片出口非工作面削薄 大小 與葉道出口速度 葉片厚度及葉道邊界層有關(guān) 3 1 3 2漏氣損失 產(chǎn)生漏氣損失的原因 存在間隙 存在壓力差 出口壓力大于進口壓力 級出口壓力大于葉輪出口壓力 在葉輪兩側(cè)與固定件之間的間隙 軸端的間隙 產(chǎn)生漏氣 存在能量損失 Hl lHth 漏氣損失系數(shù) l 根據(jù)漏氣量 密封結(jié)構(gòu)形式確定 2 密封件的結(jié)構(gòu)形式 結(jié)構(gòu)形式 在固定部件與輪蓋 隔板與軸套 采用梳齒式 迷宮式 密封 工作原理 利用節(jié)流原理 減小通流截面積 經(jīng)多次節(jié)流減壓 使在壓差作用下的漏氣量盡量減小 即通過產(chǎn)生的壓力降來平衡密封裝置前后的壓力差 密封特點 非接觸式密封 有一定的泄漏量 3 1 3 3輪阻損失 產(chǎn)生原因葉輪旋轉(zhuǎn) 輪蓋 輪盤的外緣和輪緣與周圍的氣體發(fā)生摩擦 產(chǎn)生的損失大小 與輪盤的粗糙度 相對間隙及雷諾數(shù)有關(guān) 利用等厚度圓盤在水中作低速旋轉(zhuǎn)實驗 分析計算得輪阻損失功率為 得到輪阻損失系數(shù) 在一級中存在氣流損失項 流動損失 泄漏損失 輪阻損失 葉輪旋轉(zhuǎn)所消耗的功 級內(nèi)總功 總能量頭 即葉輪總輸出功 Hth Htot 3 1 4多級壓縮 1 采用多級串聯(lián)和多缸串聯(lián)的必要性 2 分段與中間冷卻以減少耗功 3 級數(shù)與葉輪圓周速度和氣體分子量的關(guān)系 a 級數(shù)與氣體分子量的關(guān)系 氣體分子量對所需壓縮功的影響 達到相同壓比2 5時 壓縮不同氣體時所需壓縮功和級數(shù)的比較 壓縮氣體的分子量越小 達到相同的排氣壓力 需要的多變功越大 轉(zhuǎn)速及葉輪結(jié)構(gòu)一定的情況下 所需要的級數(shù)就會越多 b 級數(shù)與葉輪圓周速度的關(guān)系 在達到所需壓力比條件下要求盡可能減少級數(shù) 提高葉輪圓周速度u2 受到以下幾種因素限制葉輪材料強度限制 氣流馬赫數(shù)限制 葉輪出口相對寬度限制D2 u2 b2 D2 為了降低氣體溫度 節(jié)省功率 在離心壓縮機中往往采用分段中間冷卻的結(jié)構(gòu) 而不采用汽缸套冷卻 各段由一級或若干級組成 段與段之間在機器之外由管道連接中間冷卻