離心式壓縮機工作原理

1、離心式壓縮機的工作原理是什么，為什么離心式壓縮機要有那么高的轉速? 答：離心式壓縮機用于壓縮氣體的主要工作部件是高速旋轉的葉輪和通流面積逐漸增加的擴壓器。簡而言之，離心式壓縮機的工作原理是通過葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內，利用離心升壓作用和降速擴壓作用，將機械能轉換為氣體壓力能的。 更通俗地說，氣體在流過離心式壓縮機的葉輪時，高速旋轉的葉輪使氣體在離心力的作用下，一方面壓力有所提高，另一方面速度也極大增加，即離心式壓縮機通過葉輪首先將原動機的機械能轉變?yōu)闅怏w的靜壓能和動能。此后，氣體在流經擴壓器的通道時，流道截面逐漸增大，前面的氣體分子流速降低，后面的氣體分子不斷涌流向前，使氣體的絕

2、大部分動能又轉變?yōu)殪o壓能，也就是進一步起到增壓的作用。 顯然，葉輪對氣體作功是氣體壓力得以升高的根本原因，而葉輪在單位時間內對單位質量氣體作功的多少是與葉輪外緣的圓周速度u2密切相關的：u2數值越大，葉輪對氣體所作的功就越大。而u2與葉輪轉速和葉輪的外徑尺寸有如下關系： 式中 D2-葉輪外緣直徑，m； n-葉輪轉速，r/min。 因此，離心式壓縮機之所以要有很高的轉速，是因為： 1)對于尺寸一定的葉輪來說，轉速n越高，氣體獲得的能量就越多，壓力的提高也就越大； 2)對于相同的圓周速度(亦可謂相同的葉輪作功能力)來說，轉速n越高，葉輪的直徑就可以越小，從而壓縮機的體積和重量也就越?。?3)由于離

3、心式壓縮機通過一個葉輪所能使氣體提高的壓力是有限的，單級壓比(出口壓力與進口壓力之比)一般僅為1.32.0。如果生產工藝所要求的氣體壓力較高，例如全低壓空分設備中離心式空氣壓縮機需要將空氣壓力由0.1MPa提高到0.60.7MPa，這就需要采用多級壓縮。那么，在葉輪尺寸確定之后，壓縮機的轉速越高，每一級的壓比相應就越大，從而對于一定的總壓比來說，壓縮機的級數就可以減少。所以，在進行離心式壓縮機的設計時，常常采用較高的轉速。但是，隨著轉速的提高，葉輪的強度便成了一個突出的矛盾。目前，采用一般合金鋼制造的閉式葉輪，其圓周速度多在300m/s以下。另外，對于容量較小的離心式壓縮機而言，由于風量較小，

4、葉輪直徑也較小，可采用較高的轉速；而容量較大的壓縮機，由于葉輪直徑較大，相應地轉速也應低一些。例如，為國產3200m3/h空分設備配套的DA350-61型離心式壓縮機，轉速為8600r/min；而為國產10000m3/h空分設備配套的1TY-1040/5.3型空氣壓縮機，轉速為6000r/min。軸流式壓縮機與離心式壓縮機都屬于速度型壓縮機，均稱為透平式壓縮機。   速度型壓縮機的含義是指它們的工作原理都是依賴葉片對氣體作功，并先使氣體的流動速度得以極大提高，然后再將動能轉變?yōu)閴毫δ堋?#160;   透平式壓縮機的含義是指它們都具有高速旋轉的葉片。“透

5、平”是英文“TURBINE”的譯音，其中文含義為：“葉片式機械”，對于這一英文單詞，全世界不管哪種語言，都采用音譯的方法，所以“透平式壓縮機”的意義也就是葉片式的壓縮機械。    與離心式壓縮機相比，由于氣體在壓縮機中的流動，不是沿半徑方向，而是沿軸向，所以軸流式壓縮機的最大特點在于：單位面積的氣體通流能力大，在相同加工氣體量的前提條件下，徑向尺寸小，特別適用于要求大流量的場合。    另外，軸流式壓縮機還具有結構簡單、運行維護方便等優(yōu)點。但葉片型線復雜，制造工藝要求高，以及穩(wěn)定工況區(qū)較窄、在定轉速下流量調節(jié)范圍小等方面則是明顯不及離

6、心式壓縮機。第八章        離心式壓縮機原理 §1  離心式壓縮機的結構及應用排氣壓力超過34.3×104N/m2以上的氣體機械為壓縮機。壓縮機分為容積式和透平式兩大類，后者是屬于葉片式旋轉機械，又分為離心式和軸流式兩種。透平式主要應用于低中壓力，大流量場合。離心式壓縮機用途很廣。例如石油化學工業(yè)中，合成氨化肥生產中的氮，氫氣體的離心壓縮機，煉油和石化工業(yè)中普遍使用各種壓縮機，天然氣輸送和制冷等場合的各種壓縮機。在動力工程中，離心式壓縮機主要用于小功率的燃氣輪機，內燃機增壓以及動

7、力風源等。離心壓縮機的結構如圖8-1所示。高壓的離心壓縮機由多級組成，為了減少后級的壓縮功，還需要中間冷卻，其主要可分為轉子和定子兩大部分。分述如下：1.轉子。轉子由主軸、葉輪、平衡盤、推力盤、聯軸器等主要部件組成。2.定子。由機殼、擴壓器、彎道、回流器、軸承和蝸殼等組成。圖8-1  離心式壓縮機縱剖面結構圖(1:吸氣室 2:葉輪 3:擴壓器 4:彎道 5:回流器 6:渦室 7，8:密封 9:隔板密封 10:輪蓋密封 11: 平衡盤12:推力盤 13:聯軸節(jié) 14:卡環(huán) 15:主軸 16:機殼 17:軸承 18:推力軸承 19:隔板 20:導流葉片 ) §

8、;2  離心式壓縮機的基本方程一、歐拉方程離心式壓縮機制的流動是很復雜的，是三元，周期性不穩(wěn)定的流動。我們在講述基本方程一般采用如下的簡化，即假設流動沿流道的每一個截面，氣動參數是相同的，用平均值表示，這就是用一元流動來處理，同時平均后，認為氣體流動時穩(wěn)定的流動。根據動量矩定理可以得到葉輪機械的歐拉方程，它表示葉輪的機械功能變成氣體的能量，如果按每單位質量的氣體計算，用表示，稱為單位質量氣體的理論能量：               &#

9、160;                            （8-1）式中和分別為氣體絕對速度的周向分量，和葉輪的周向牽連速度，下標1和2分別表示進出口。利用速度三角形可以得到歐拉方程的另一種形式：           

10、60;                       （8-2）二、能量方程離心式壓縮機對于每單位質量氣體所消耗的總功，可以認為是由葉輪對氣體做功，內漏氣損失和輪組損失所組成的。 首先根據能量守恒定律可以得到：             

11、60;    （8-3）式中為輸入的熱量，為內能，為 壓能，為動能。那么（8-3）式表示：葉輪對氣體所做功，加上外界傳入的熱量等于壓縮機內氣體的內能，壓能和動能的增加之和?？梢园褍嚷鈸p失和輪阻損失看成是傳入到氣體內的熱量，因為損失和轉化成熱量會使機內氣體的溫度升高。那么：                        

12、0;   (8-4)就會得到                 （8-5）那么壓氣機所做的總功等于氣體的焓增和動能的增加。三、伯諾里方程對于可壓縮的氣體，壓縮機中的伯諾里方程可以用下式表示：                   &#

13、160;                   （8-6）式中：為壓縮機中從進口1到出口2之間的流動損失，積分表示壓縮機壓縮過程的壓縮功，與變化的過程有關。（8-6）式可以從熱力學第一定律和能量方程（9-3）式得出，熱力學第一定律的微分形式為：               

14、;                   (8-7)即系統(tǒng)能量的增加等于傳入的熱量與絕對功之和，其中為比容，積分（8-7）式得到：                        &#

15、160;                                   （8-8）其中                

16、60;                                                   &

17、#160;                                                 &

18、#160;                  (8-9)是流動損失，、為出口和進口的焓。上兩式與式（8-4）（8-5）結合可以得到式（8-6）式，（8-6）與式（8-2）比較，得出：                    

19、0;           （8-10）式（8-10）中為壓縮功表示為了提高壓力所做的功，壓力的提高由葉輪通道進出口的動能減少和離心力所做的功()組成，并且要減去流動損失部分。壓縮功與葉輪中的氣體變化過程有關。1  等溫過程。用表示壓縮功                （8-11）2  絕熱過程對于完全絕熱過程，。其過程方程為：=

20、常數            或           常數絕熱過程壓縮功為：                   （8-12）3  多變過程的壓縮功為：    &

21、#160;               （8-13）四、壓縮過程在TS圖上的表示熱力學第二定律的表達式為：                              &#

22、160;                  （8-14）式中S為熵。在TS圖中，為過程曲線下的面積，如圖8-2(a)表示。圖8-2（a）                        

23、60;                     圖8-2(b) 同樣，從過程起點1至終點2，熱量為：q12=     如圖8-2(b)所示，為吸入熱量根據熱力學第一定律可以得出：              &#

24、160;                     （8-15）對于等壓過程：常數，故有：                          

25、               （8-16）                  （8-17）由式（8-16）可知等壓過程在ST圖上為對數曲線，如圖8-3所示。所吸入的熱量用式（8-17）表示。圖8-3  等壓過程線1  等溫過程等溫過程在TS圖上為水平線，當從至點時（），

26、即從圖8-4上的1點至點，此時應該傳出熱量，其值由圖8-4中的面積表示，即：                                        （8-18）式（8-18）表示傳出的熱量為等溫過程中的

27、壓縮功。圖8-4  等溫過程線2  絕熱過程絕熱過程在ST圖上為垂直線，即為圖8-4中的線。絕熱過程中，傳入的熱量，同時沒有流動損失，即那么dS0，S常數，故又稱為等熵過程，此時壓縮功可表示為：                       （8-19）即相當于等壓壓縮從至，也相當于所圍的面積，同時可以看出：所以等熵壓縮功大于等溫壓縮功，差值為，這是由于等熵壓

28、縮的終點溫度高，壓縮功就必然大。3  多變過程實際的壓縮過程比較復雜，可用多變過程表示，在多變過程中，為了簡單分別討論：a在多變過程中存在流動損失，無傳入的熱量，即， 此種多變過程由圖8-5（a）中12曲線表示。 圖8-5（a）  多變過程線路              圖8-5（b）多變壓縮功為            

29、;                 (8-20)為圖8-5（a）中的a2”221ba所圍的面積。而理論功為：              （8-21）其中為圖8-5（a）中所圍的面積，在不考慮動能變化時，為所圍的面積，在圖8-5（a）中流動損失所做的功即為損失轉化為熱量傳入系統(tǒng)，此熱量為。當有熱量傳入時，總功為：  &#

30、160;                 （8-22）當不考慮動能變化時，此時即為所圍的面積。此時圖8-中為。b有熱交換的多變過程，考慮比較簡單的，的情況，可用圖8-5（b）中的曲線12表示，此時過程為放熱過程。仍由圖8-5(b)中面積表示，為，而為那么在不考慮動能變化時，              

31、;                                        為所圍的面積。此種多變過程為放熱過程，由于有冷卻那么。五、總耗功和功率對于壓縮機的一個工作級，其理論功率可用表示：  

32、          (w)，為有效質量流量。同理，總功率為：                            式中：為輪阻損失功率，為漏氣損失。       

33、60;                               （8-21a）可用下式表示：其中：和那么：   那么總功率為： (kw)           

34、;                  （8-21b）輪阻功率為：                 (kw)              

35、60;                   （8-21c）漏氣功率為： (kw)                              

36、               (8-21d)六、滯止參數的表示：令為滯止溫度（即總溫），其表示為：                             （8-22a）或令M為馬赫數，那用

37、表示時，總功可以寫成：         （8-22b）為滯止焓。滯止壓力，可以用絕熱過程表示出：在絕熱流動中，那么如果有流動損失存在，故在絕熱流動中存在，使減少，那么七、壓縮機效率的表達式由于壓縮機中存在多種壓縮過程，故可以用各種效率來表示，其中有多變效率，絕熱效率，以及等溫效率1  多變效率多變效率為多變壓縮功與總功率之比：                

38、                             （8-23a）其中                     多

39、變效率          （8-23b）當忽略的動能變化時：                                     

40、60;            （8-23c）2  絕熱效率絕熱效率可以用和表示，后者為滯止絕熱效率，它們分別定義如下：        （8-24a）忽略動能變化時：                    

41、60;                          （8-24b）                       （8-25a

42、）                                   (8-25b)此時：               

43、;                                                   

44、60;                                                  (8-26)3 

45、; 等溫效率和流動效率等溫效率為：                                               

46、（8-27）流動效率為：                             （8-28） §3    壓縮機內的基本過程變化 圖8-6  離心式壓縮機簡圖    離心式壓縮機的每一個工作級一般由（1）、進氣道；（2

47、）、葉輪分導風輪和工作輪組成；（3）、無葉擴壓器2233；（4）、葉片擴壓器3355（44斷面為葉片擴壓器喉部截面）；（5）、集氣管等組成（55有時表示集氣管出口）。葉輪進口直徑為 (和分別為進口輪緣和輪轂直徑)。各部分的氣動參數變化如圖8-7所示。圖8-7  壓氣機多部分參數的變化壓縮機工作級中的氣體壓縮過程可以用焓熵圖表示。如圖8-8所示，各部分的壓縮過程分別敘述如下：1  壓縮機進氣道進氣道從至11，進氣道的滯止壓力為，葉輪進口的滯止壓力為，如圖8-8所示，由于有流動損失 <，可以認為在進氣道的膨振過程由點至1點，1點（點）的熵值大于的熵值，流動損失使的內能加大

48、，而滯止焓                    而                              

49、;                可以認為                                  

50、                （8-29）圖8-8  離心機壓縮機級的焓熵圖2  工作級間的等熵壓縮過程現在考慮工作級間11至55斷面的壓縮過程，首先考慮等熵壓縮過程，即不考慮流動損失于外界的熱交換。在整個工作級中，從葉輪進口1點到擴壓器出口5點，等熵壓縮的過程線為至，在葉輪中從11至22斷面，工作過程線為圖8-8中1*點至2I點，在全部擴壓器中為2I點至。3  級中實際壓縮過程實際上空氣在葉輪內的流動過程存在著流

51、動損失，所以實際上葉輪出口狀態(tài)2點的溫度比等熵壓縮2I點的溫度I高。這樣全部擴壓器中的等熵過程線不是2I至點，而是圖8-8中的2點至點。葉輪出口的總焓為所以葉輪做功使氣體在葉輪中獲得的總焓增量為，                                 

52、0;     （8-30）葉輪出口氣體的動能為。如果在擴壓器全部等熵的轉變成壓力能的話，那么擴壓器出口的靜壓力為，即圖8-9上的點，但這實際上是不可能的，因為擴壓器中的實際擴壓過程中存在流動損失和余速損失。擴壓器中的實際擴壓線為2點至5點。擴壓器中出口靜壓為，而滯止壓力為，即點，而 <但是點和點的總焓相等                    

53、0;                     （8-31）相當于上述各狀態(tài)的壓縮功表示如下：（1）、1點至2點，或1點至5點的多變壓縮功如（8-20）式所示。（2）、從點至點多變壓縮功（滯止功），包括靜壓壓縮功以及動能的變化用表示：           （8-32a）（3）、從點至點的等熵壓縮總功為： 

54、60;                  (8-32b）葉輪的反作用度為：               （8-33） §4  進氣道進氣道的形式有三種：軸向進氣，徑向軸向進氣，彎管進氣。當進氣需有予旋時，進氣管安裝靜止導葉。一、管內氣動參數的決定1  進口截面

55、處的氣流參數該處的滯止氣流參數就等于環(huán)境的氣體參數：                      由能量方程，并忽略與外界的熱交換后有：                     &#

56、160;                       （8-34）                          &

57、#160;                （8-35）由于進口的速度值較小，所以計算中常用：，                   2  出口截面11處的氣流參數，         

58、;                      (8-36)                            

59、60;     (8-37)為了使進氣均勻，減少流動損失，進氣道截面沿氣流方向是收斂的。出口處的氣流壓力于溫度都有所下降，而速度稍有增加。一般出口的平均速度50150m/s，該膨脹過程是多變得膨振過程。多變指數一般為1.371.39。主要與進氣道的流動損失有關，流動損失為：                        

60、;                    (8-38)式中進氣道的流動損失系數，它與進氣道的形式，長度，進出口面積之比有關。軸向進氣道0.050.1。徑向一軸向進氣道為0.10.2。求以后，可以求出                  

61、60; (8-39)已求出                                               （40）滯止參數為：

62、                           一般可以選取=(8-0.9750.995) (8-0.9750.995)  §5  葉輪壓氣機葉輪一般分為兩部分：前一部分為導風輪，后一部分叫工作輪。這是由于壓氣機葉片前緣部分彎曲較大，形狀復雜。大型的壓氣機為了便于制造把前后二部分分開制造，而形成兩個輪子。尤其實對

63、于徑向直葉片的工作輪，前面設導風輪是必要的。因為葉輪進口處從輪轂到輪緣的半徑是變化的，圓周速度也就是變化的，那么進口氣流角是變化的。全進口葉片角為，那么                               (8-41)式中為沖角，那么葉輪進口葉片角也是變化的。圖8-9  葉輪導風輪也是一個擴

64、張性流道，出口速度大于進口速度，故氣體靜壓有所提高。葉數的結構形式分為以下幾種：（1）、閉式葉輪，由于輪盤、葉片、輪蓋三部分組成，由于輪蓋的強度不夠，使葉輪的轉速受到限制，一般閉式葉輪的周圍速度在320m/s以下。（2）、半開式葉輪，這種葉輪強度和剛度均好，可達到450540m/s圓周速度，用于高壓比，高轉速壓氣機中，在內燃機的透平增壓器和小功率燃氣輪機中得到廣泛應用。（3）、此外還有雙進氣葉輪，全開式葉輪。一、葉道中的流動葉輪葉片形式分為后彎、徑向和前彎葉片。為了便于分析假設空氣的軸向進入導風輪，以徑向流出工作輪，并假定葉輪上的葉片點有無限多個?？諝庋厝~片角形狀流動，進出口速度沿圓周方向均勻

65、分布；那么                                                  

66、                                                  

67、  （8-42）下標”表示無限多葉片假設下的理論化。引入壓頭系數：                                            

68、60;      （8-43）表示理論壓頭系數，表示滯止絕熱壓頭系數，表示了葉輪圓周速度利用的有效程度。對于無預旋進口：                                  （8-44）在無限多葉片時，理論

69、壓頭系數                                  （8-45）為葉片出口角，在無限多葉片時，同樣可以畫出于通風機相似的及的關系曲線。在求的的情況下，前彎葉片理論的壓頭系數最大，后彎葉片的最小。由壓氣機級的反作用度定義：   

70、                        （8-46a）                      (8-46b)由此可知：徑向葉片  ，后彎葉

71、片反作用度大，而前彎反作用小。這樣前彎葉片所做的功主要轉輪為空氣的動能，這部分動能要在擴壓器和集氣管中轉變?yōu)殪o壓力能。而固定擴壓器中產生邊界層的脫流，流動損失很大。此外前彎葉片的工作應力較大，不能很高，故在一般壓氣機中不使用前彎葉片。圖 8-10由于出口有限葉片數的影響，使氣體出口的相對速度較向后滑移了從而使，  葉輪對空氣做功的能力，引入滑移系數                    

72、                      （8-47a）對于徑向葉輪：                          

73、60;      （8-47b）是葉片數，對于后彎葉輪：                             （8-47c）二、葉輪中的損失（一）、輪盤損失葉輪的摩擦損失分為三部分：1工作軟盤表面與殼體間氣體的相互摩擦所引起的損失，即（輪阻損失）3  轂風

74、損失轂風環(huán)流損失，如圖8-11所示，在開式葉輪的輪緣側和輪轂側的輪盤面外均形成了轂風環(huán)流，即（漏氣損失）圖8-11轂風環(huán)流損失 3.潛流損失，由于開式葉輪存在葉片與輪殼體間的間隙，這樣空氣會形成從壓力面到吸力面的橫向流動用表示。圖8-12 潛流損失計算上述各項損失很困難，通常用圓盤在殼體中的摩擦功的理論公式乘以實驗系數來計算葉輪出口轉盤的摩擦功率                     

75、                                  （8-48）式中，是摩擦系數。23       （開式）1.01.5  （封閉式）為葉輪出口處的密度（/m3）每氣體流過工作輪時的輪

76、盤損失功為：                                               （8-49a） 

77、0;                       (8-49b)令