離心壓縮機(jī)1(3)

1、 離心壓縮機(jī)功率一般都很大，即使效率提高離心壓縮機(jī)功率一般都很大，即使效率提高百分之一，所節(jié)省的能量也很可觀，所以離心壓百分之一，所節(jié)省的能量也很可觀，所以離心壓縮機(jī)的效率是個重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。縮機(jī)的效率是個重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 效率直接和級中的流動損失、泄露損失和輪效率直接和級中的流動損失、泄露損失和輪阻損失有關(guān)。分析這些損失產(chǎn)生原因，并設(shè)法在阻損失有關(guān)。分析這些損失產(chǎn)生原因，并設(shè)法在設(shè)計、制造上盡可能減小，就可以提高壓縮機(jī)的設(shè)計、制造上盡可能減小，就可以提高壓縮機(jī)的效率，同時也改善壓縮機(jī)的性能。效率，同時也改善壓縮機(jī)的性能。內(nèi)漏氣損失內(nèi)漏氣損失輪阻損失輪阻損失流動損失：流動損失： （摩阻損失、沖擊損

2、失、分（摩阻損失、沖擊損失、分離損失、二次渦流損失、尾跡離損失、二次渦流損失、尾跡損失、波阻損失）損失、波阻損失） 由于葉輪輪蓋處存由于葉輪輪蓋處存在泄漏，有質(zhì)量流量為在泄漏，有質(zhì)量流量為 ml的氣體從葉輪出口返的氣體從葉輪出口返回到葉輪入口，并且反回到葉輪入口，并且反復(fù)循環(huán)，把能量白白消復(fù)循環(huán)，把能量白白消耗在輪蓋密封處，這項耗在輪蓋密封處，這項消耗功稱為內(nèi)漏氣損失消耗功稱為內(nèi)漏氣損失功功)51 ()100(23222DeugDkNdfdf增加D來提高能頭，會增加損失增加n來提高能頭，同時減小D，損失增加不大 與離心泵相比，由于氣體的物性（可壓縮性與離心泵相比，由于氣體的物性（可壓縮性等）及

3、其復(fù)雜的熱力學(xué)性質(zhì)，使得離心壓縮機(jī)級等）及其復(fù)雜的熱力學(xué)性質(zhì)，使得離心壓縮機(jī)級中流道內(nèi)氣體流動極為復(fù)雜，有關(guān)流動損失產(chǎn)生中流道內(nèi)氣體流動極為復(fù)雜，有關(guān)流動損失產(chǎn)生的機(jī)理及分析計算也變得極為困難，定量計算目的機(jī)理及分析計算也變得極為困難，定量計算目前還很不完善。前還很不完善。 出于定性分析需要，一般將流動損失大致分為：出于定性分析需要，一般將流動損失大致分為：摩阻損失、沖擊損失、分離損失、二次渦流損失、摩阻損失、沖擊損失、分離損失、二次渦流損失、尾跡損失以及波阻損失等等。尾跡損失以及波阻損失等等。1. 摩阻損失： 流體粘性是產(chǎn)生流動損失的根本原因。流體粘性是產(chǎn)生流動損失的根本原因。當(dāng)氣流流經(jīng)壓縮

4、機(jī)級的通流部分時，由于氣當(dāng)氣流流經(jīng)壓縮機(jī)級的通流部分時，由于氣體粘性的存在，流動模式將如圖所示：體粘性的存在，流動模式將如圖所示： 在貼近流道壁的地方，氣體受壁面的附著在貼近流道壁的地方，氣體受壁面的附著 作用，速度接近于零；作用，速度接近于零； 流道中間部分流速大，在湍流流動時速度流道中間部分流速大，在湍流流動時速度 分布比較均勻，該區(qū)域稱為主流區(qū)；分布比較均勻，該區(qū)域稱為主流區(qū)； 在主流區(qū)與壁面之間存在一速度梯度較大的薄層，這就是在主流區(qū)與壁面之間存在一速度梯度較大的薄層，這就是 邊界層（或稱附面層），邊界層（或稱附面層），是邊界層的厚度。是邊界層的厚度。 邊界層內(nèi)各層流體之間存在相對運動

5、，邊界層內(nèi)各層流體之間存在相對運動，速度較小的流層將對臨近速度較高的流層產(chǎn)速度較小的流層將對臨近速度較高的流層產(chǎn)生生“阻滯阻滯”作用；而速度較高的流層則有動作用；而速度較高的流層則有動能傳給速度較小的流層，對它起能傳給速度較小的流層，對它起“拖動拖動”作作用，拖動力與阻滯力大小相等，方向相反，用，拖動力與阻滯力大小相等，方向相反，分別作用在兩個緊挨的層面上，這樣的力就分別作用在兩個緊挨的層面上，這樣的力就是內(nèi)摩擦力，或稱是內(nèi)摩擦力，或稱粘滯力。粘滯力。 摩擦損失也包括流體層與壁面之間的摩擦損失也包括流體層與壁面之間的附著摩擦損失附著摩擦損失。 為了維持流體的運動，就必須外加能量來克服內(nèi)摩擦力所

6、造為了維持流體的運動，就必須外加能量來克服內(nèi)摩擦力所造成的能量損失（機(jī)械能變成無用的熱能），這是成的能量損失（機(jī)械能變成無用的熱能），這是摩擦損失。摩擦損失。 在主氣流區(qū)中因為速度梯度很小，內(nèi)摩擦在主氣流區(qū)中因為速度梯度很小，內(nèi)摩擦力也就很小，所以流體的沿程摩擦損失主要存力也就很小，所以流體的沿程摩擦損失主要存在于邊界層中，邊界層愈厚，摩擦損失也就愈在于邊界層中，邊界層愈厚，摩擦損失也就愈大。大。 摩擦損失的計算式可用類似于管道摩擦摩擦損失的計算式可用類似于管道摩擦損失計算式。從流道截面損失計算式。從流道截面1-11-1到截面到截面2-22-2，單，單位質(zhì)量氣體的摩擦損失為位質(zhì)量氣體的摩擦損失

7、為：2122skfQccdlh 計算計算h hf f的關(guān)鍵在于確定摩擦阻力系數(shù)的關(guān)鍵在于確定摩擦阻力系數(shù)，而，而是雷諾數(shù)、是雷諾數(shù)、壁面粗糙度等的函數(shù)。壁面粗糙度等的函數(shù)。C Ck1k1與流道表面粗糙度及過流面積有關(guān)的系數(shù)與流道表面粗糙度及過流面積有關(guān)的系數(shù)2122skfQccdlhC Ck1k1與流道表面粗糙度及過流面積有關(guān)的系數(shù)與流道表面粗糙度及過流面積有關(guān)的系數(shù)1wrc11u1w 1w1rc 1w1A11wrc11u1w 1w1rc 1w1A1Arrccwww111 11 1cot2122112 1cot22QQccwhdsArrsss沖擊損失hs22)(sdksQQchCk2與沖擊損失

8、系數(shù)及過流面積有關(guān)的系數(shù)與沖擊損失系數(shù)及過流面積有關(guān)的系數(shù)1A1 稱為沖角，造成沖擊損失的相對速度： 在擴(kuò)壓流道中邊在擴(kuò)壓流道中邊界層會增厚，進(jìn)而邊界層會增厚，進(jìn)而邊界層與流道壁面脫離，界層與流道壁面脫離，甚至在接近壁面的邊甚至在接近壁面的邊層氣流中產(chǎn)生反向流層氣流中產(chǎn)生反向流動出現(xiàn)反向流動旋渦，動出現(xiàn)反向流動旋渦，引起很大損失，稱引起很大損失，稱邊邊界層分離界層分離, ,產(chǎn)生的損失產(chǎn)生的損失稱為分離損失。稱為分離損失。 圖圖1-11 1-11 流體沿壁面流流體沿壁面流動時的流場示意圖動時的流場示意圖 如圖所示，在壓縮機(jī)的擴(kuò)張流道中，沿著流動方向，主如圖所示，在壓縮機(jī)的擴(kuò)張流道中，沿著流動方向

9、，主氣流的速度不斷下降，靜壓不斷升高。其中邊界層中的流體氣流的速度不斷下降，靜壓不斷升高。其中邊界層中的流體由于得不到主氣流足夠的拖動作用，速度衰減更快，邊界層由于得不到主氣流足夠的拖動作用，速度衰減更快，邊界層的厚度也就逐漸增加。的厚度也就逐漸增加。 至于邊界層中的壓力，流體力學(xué)中已證明，它與至于邊界層中的壓力，流體力學(xué)中已證明，它與當(dāng)?shù)刂鳉饬鞯膲毫ο嗟龋杂较掠危吔鐚觾?nèi)當(dāng)?shù)刂鳉饬鞯膲毫ο嗟?，所以愈到下游，邊界層?nèi)的壓力愈高。當(dāng)擴(kuò)壓流動達(dá)到某一種擴(kuò)壓程度時，的壓力愈高。當(dāng)擴(kuò)壓流動達(dá)到某一種擴(kuò)壓程度時，就會發(fā)生主氣流的動能不足以帶動整個邊界層前進(jìn)，就會發(fā)生主氣流的動能不足以帶動整個邊界層

10、前進(jìn)，致使該處緊挨壁面的流體將首先停滯下來，再往前致使該處緊挨壁面的流體將首先停滯下來，再往前流動，就會因為抵抗不住迎面的壓差阻力而發(fā)生局流動，就會因為抵抗不住迎面的壓差阻力而發(fā)生局部倒流，這就是所謂的邊界層分離。部倒流，這就是所謂的邊界層分離。 粘性流體在擴(kuò)壓面流動才可能出現(xiàn)分離損失粘性流體在擴(kuò)壓面流動才可能出現(xiàn)分離損失。 分離損失與流道形狀、壁面粗造度、氣流雷諾數(shù)分離損失與流道形狀、壁面粗造度、氣流雷諾數(shù)有關(guān)，尤以流道形狀影響最大。有關(guān)，尤以流道形狀影響最大。 離心壓縮機(jī)中有很多減速擴(kuò)壓流道，就可能離心壓縮機(jī)中有很多減速擴(kuò)壓流道，就可能出現(xiàn)邊界層分離，產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致分離損失產(chǎn)生；出現(xiàn)邊界層

11、分離，產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致分離損失產(chǎn)生；同時，邊界層增厚、分離，使主流通道流通面積同時，邊界層增厚、分離，使主流通道流通面積變小，達(dá)不到擴(kuò)壓目的，流動惡化變小，達(dá)不到擴(kuò)壓目的，流動惡化。粘性流體在壓力降落面內(nèi)流動（加速、減壓流動）不會粘性流體在壓力降落面內(nèi)流動（加速、減壓流動）不會出現(xiàn)邊界層分離。出現(xiàn)邊界層分離。為減少分離損失，需限制擴(kuò)壓通道的擴(kuò)張角或擴(kuò)張度。ldd2arctan212zlbDbDAAeq111222sinsinarctan2一般規(guī)定壓縮機(jī)流道的當(dāng)量擴(kuò)張角小于67擴(kuò)壓度：對可壓縮流體，用流道的進(jìn)出口速度之比，w1/w2，一般在1.6-1.8之間，不能大于2.當(dāng)量擴(kuò)張角： 葉輪葉道內(nèi)，

12、是一個有能量加入的擴(kuò)壓流道。葉輪葉道內(nèi)，是一個有能量加入的擴(kuò)壓流道。葉輪的旋轉(zhuǎn)使得邊界層中氣流還受到離心力作用，葉輪的旋轉(zhuǎn)使得邊界層中氣流還受到離心力作用，從而減緩了邊界層的分離。從而減緩了邊界層的分離。軸向渦流的滑移影響使軸向渦流的滑移影響使得葉道中邊界層分離多產(chǎn)生在非工作面，尤其是葉得葉道中邊界層分離多產(chǎn)生在非工作面，尤其是葉輪出口附近。輪出口附近。非工作面的氣流分離非工作面的氣流分離葉片擴(kuò)壓器流道中，因無能量加入，因而葉片擴(kuò)壓器流道中，因無能量加入，因而容易出現(xiàn)氣流的邊界層分離。容易出現(xiàn)氣流的邊界層分離。不同沖角下葉道中邊界層分離不同沖角下葉道中邊界層分離示意圖示意圖 在離心壓縮機(jī)的級中

13、，二次渦流的產(chǎn)生是由在離心壓縮機(jī)的級中，二次渦流的產(chǎn)生是由流道同一截面流道同一截面中存在壓差中存在壓差而引起的，主要發(fā)生在葉輪葉道、彎道及吸氣室等而引起的，主要發(fā)生在葉輪葉道、彎道及吸氣室等有急劇轉(zhuǎn)彎之處有急劇轉(zhuǎn)彎之處；同樣，在；同樣，在葉片擴(kuò)壓器葉片擴(kuò)壓器中也有二次渦流產(chǎn)生。中也有二次渦流產(chǎn)生。二次渦流問題很復(fù)雜，仍處于研究階段，在此只作定性分析。二次渦流問題很復(fù)雜，仍處于研究階段，在此只作定性分析。 葉輪葉道中二次流葉輪葉道中二次流葉輪葉道呈曲線形，并存在葉輪葉道呈曲線形，并存在軸向渦流軸向渦流，因此在同一截面上氣，因此在同一截面上氣流的流的速度和壓力的分布是不均勻速度和壓力的分布是不均勻

14、的。的。 對于后彎葉片來說，葉片工作面一側(cè)速度小，對于后彎葉片來說，葉片工作面一側(cè)速度小，壓力高；而非工作面的一邊相反，壓力最低，速壓力高；而非工作面的一邊相反，壓力最低，速度最大。度最大。 邊界層中氣體在上述邊界層中氣體在上述壓力差壓力差的作用下將產(chǎn)生的作用下將產(chǎn)生由工作面向非工作面的流動由工作面向非工作面的流動，流動的方向與主氣，流動的方向與主氣流方向大致相流方向大致相垂直垂直，這就是所謂的，這就是所謂的二次流二次流。二次流二次流的存在：的存在： 干擾了主流流動，造成能量損失；干擾了主流流動，造成能量損失；同時還會使葉輪葉片的非工作面更容同時還會使葉輪葉片的非工作面更容易分離。易分離。 因

15、為二次流的流動使葉片工作面因為二次流的流動使葉片工作面邊界層中的氣流被吸走，邊界層變薄，邊界層中的氣流被吸走，邊界層變薄，并有較大動能的主流氣體來補(bǔ)充；而并有較大動能的主流氣體來補(bǔ)充；而非工作面邊界層非工作面邊界層由于接受了沿壁面流由于接受了沿壁面流來的能量較低的氣體，來的能量較低的氣體，邊界層變厚邊界層變厚，速度減小，甚至小于工作面的速度，速度減小，甚至小于工作面的速度，因此非工作面變得容易出現(xiàn)氣體分離。因此非工作面變得容易出現(xiàn)氣體分離。 葉道中的二次渦流葉道中的二次渦流 閉式葉輪頂部的閉式葉輪頂部的二次渦流二次渦流 葉片擴(kuò)壓器中的二次流葉片擴(kuò)壓器中的二次流 在葉片擴(kuò)壓器中同樣存在二次流。但

16、擴(kuò)壓器中壓力較高區(qū)在葉片擴(kuò)壓器中同樣存在二次流。但擴(kuò)壓器中壓力較高區(qū)是在葉片的凹面，低壓區(qū)是在葉片的凸面，所以擴(kuò)壓器中的二是在葉片的凹面，低壓區(qū)是在葉片的凸面，所以擴(kuò)壓器中的二次流是從葉片的凹面流向凸面，這一點與葉輪中的二次流凸面次流是從葉片的凹面流向凸面，這一點與葉輪中的二次流凸面流向凹面相反流向凹面相反( (實際是一致的實際是一致的) )。 彎道中的二次流彎道中的二次流在彎曲管道中，由于氣體在轉(zhuǎn)彎處在彎曲管道中，由于氣體在轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生產(chǎn)生離心慣性力離心慣性力，使外壁處壓力增，使外壁處壓力增大，大于流道中的平均壓力，速度大，大于流道中的平均壓力，速度減??；彎道內(nèi)壁處壓力減小，小于減小；彎道內(nèi)壁處壓力減小，小于流道中的平均壓力，速度則增大。流道中的平均壓力，速度則增大。彎管中除了有二次渦流以外還有邊界層分離。彎管中除了有二次渦流以外還有邊界層分離。彎管中二次渦流及邊界層分離的影響因素：流道截面沿長度彎管中二次渦流及邊界層分離的影響因素：流道截面沿長度方向的變化（即擴(kuò)壓度）的均勻性、曲率半徑方向的變化（即擴(kuò)壓度）的均勻性、曲率半徑l 馬赫數(shù)M：某一點氣流速度與當(dāng)?shù)匾羲俚谋戎蹬c沖角，葉片厚度、進(jìn)出口面積及邊界層