過程流體機(jī)械課件,過程裝備要控制工程,離心壓縮機(jī)1

過程流體機(jī)械——離心壓縮機(jī)第三章離心壓縮機(jī)

主要內(nèi)容一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)二離心壓縮機(jī)的工作原理三離心壓縮機(jī)的性能、調(diào)節(jié)與控制四離心壓縮機(jī)的可靠性五離心壓縮機(jī)的選型一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)1.離心壓縮機(jī)的定義離心壓縮機(jī)：通過旋轉(zhuǎn)葉輪，使氣體主要沿徑向離心力方向流動(dòng)，從而提高氣體的壓力和動(dòng)能，最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成氣體的壓力能的機(jī)器。一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子部分：軸、葉輪、平衡盤、軸套、聯(lián)軸器等。定子部分：機(jī)殼、氣體流道部分（擴(kuò)壓器、彎道、回流器、蝸殼）、密封、軸承等。2.離心壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)級(jí)：是離心壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)氣體壓力升高的基本單元，由一個(gè)葉輪和一組與其相配合的固定元件組成。段：每一進(jìn)氣口到排氣口之間的“級(jí)”組成一“段”，每個(gè)“段”通常由一個(gè)或幾個(gè)“級(jí)”組成。（1）離心壓縮機(jī)的“級(jí)”和“段”注：“段”之間設(shè)置中間冷卻器，以減少功耗。單級(jí)離心式制冷壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)（兩段七級(jí)）離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

離心式壓縮機(jī)一級(jí)的氣體流道一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)（2）離心壓縮機(jī)”級(jí)”的組成“級(jí)”的類型：首級(jí)：吸氣室、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器中間級(jí)：葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器末級(jí)：葉輪、擴(kuò)壓器、排氣蝸室

首級(jí)中間級(jí)末級(jí)

一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)吸氣室：將氣體從進(jìn)氣管均勻?qū)肴~輪入口，以減少氣體進(jìn)入葉輪時(shí)的流動(dòng)損失。葉輪：是壓縮機(jī)最重要的部件，高速回轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體作功而使氣體獲得能量（動(dòng)能和壓力能）。擴(kuò)壓器：由兩個(gè)垂直葉輪軸的平行壁面形成的環(huán)形通道。從葉輪流出的高速氣體，通過流通截面逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器時(shí)，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能（降速增壓）。彎道：把從擴(kuò)壓器出來的氣體由離心方向改變?yōu)橄蛐姆较颍员阋龑?dǎo)到下一級(jí)繼續(xù)進(jìn)行壓縮。回流器：可使氣體以一定的方向均勻地進(jìn)入下一級(jí)葉輪的入口。蝸殼：將氣流匯集起來引出壓縮機(jī)；對(duì)氣體有降速擴(kuò)壓作用?！凹?jí)”的典型結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)（3）離心葉輪的結(jié)構(gòu)形式閉式葉輪：由輪盤、葉片、輪蓋組成。漏氣量小，效率高；但強(qiáng)度低，影響了葉輪圓周速度的提高，單級(jí)壓力比較低。半開式葉輪：由輪盤和葉片組成。葉輪強(qiáng)度高，可獲得高的單級(jí)壓力比；但漏氣量大，效率低。雙面進(jìn)氣葉輪：流量大，葉輪軸向力可得到平衡。一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)葉輪結(jié)構(gòu)分類：

閉式葉輪半開式葉輪雙面進(jìn)氣葉輪一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

按葉片類型分類：即按葉片出口角β2A前彎型（β2A>90）后彎型（β2A<90）徑向型（β2A＝90）一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

（4）擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)形式擴(kuò)壓器一般分為無葉擴(kuò)壓器、葉片擴(kuò)壓器兩種。無葉擴(kuò)壓器：

由兩個(gè)平行壁面構(gòu)成的環(huán)形通道。氣體從葉輪中排出，經(jīng)過該環(huán)形通道時(shí)降速增壓。是一種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的擴(kuò)壓器，造價(jià)低，變工況適應(yīng)性好。葉片擴(kuò)壓器：

在無葉擴(kuò)壓器的環(huán)形通道上，沿圓周安裝均布的葉片，就構(gòu)成葉片擴(kuò)壓器。具有擴(kuò)壓程度大、結(jié)構(gòu)尺寸小的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是變工況性能差。一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

（5）平衡盤軸向力產(chǎn)生原因：葉輪兩側(cè)間隙內(nèi)氣體壓力分布不對(duì)稱，使作用在葉輪兩側(cè)的力不平衡所產(chǎn)生的軸向力；氣體以一定速度沿軸向進(jìn)入葉輪，而后改為徑向流入葉輪通道，其速度大小和方向的改變，對(duì)葉輪產(chǎn)生一個(gè)軸向動(dòng)反力。軸向力一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

平衡原理：

平衡盤安裝在高壓端。一側(cè)受末級(jí)葉輪出口的氣體壓力；另一側(cè)與吸氣室相接。平衡盤外緣與氣缸間設(shè)有迷宮密封，使平衡盤兩側(cè)保持壓差，產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子的軸向力方向相反的平衡力。軸向力平衡力

一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)（6）離心壓縮機(jī)的其它組成部分密封件：輪蓋密封；級(jí)間密封；軸端密封。非接觸式的迷宮密封；機(jī)械密封；浮環(huán)油膜密封軸承：小型——滾動(dòng)軸承其它——?jiǎng)訅夯瑒?dòng)軸承：支撐軸承和止推軸承冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)

一離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：流量大；轉(zhuǎn)速高；結(jié)構(gòu)緊湊；運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，維修方便。3.離心壓縮機(jī)的特點(diǎn)缺點(diǎn)：?jiǎn)渭?jí)壓力比不高，高壓力比所需的級(jí)數(shù)比活塞式的多；不能適用于太小流量工況；價(jià)格高。

氣體在葉輪中的流動(dòng)及速度離心壓縮機(jī)的基本方程級(jí)內(nèi)的各種能量損失多級(jí)壓縮功率與效率主要內(nèi)容二離心壓縮機(jī)的工作原理二離心壓縮機(jī)的工作原理（1）氣體在葉輪中的流動(dòng)假設(shè)條件：流道中任意點(diǎn)的氣流參數(shù)不隨時(shí)間變化，即是穩(wěn)定流動(dòng)；流道中與流速相垂直的任意截面上的氣流參數(shù)相同，即當(dāng)作一元流動(dòng)。1.氣體在葉輪中的流動(dòng)及速度

在假設(shè)條件下，離心式壓縮機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)可作為一元穩(wěn)定流動(dòng)，即氣體的參數(shù)（速度、壓力、溫度等）只與流道的長(zhǎng)度有關(guān)。

離心式壓縮機(jī)內(nèi)的實(shí)際氣體流動(dòng)過程，是三元不穩(wěn)定流動(dòng)。

（a）相對(duì)速度（b）圓周速度（c）絕對(duì)速度（牽連速度）（2）氣體在葉輪中的速度——速度三角形α1和α2：絕對(duì)速度的方向角β1和β2：相對(duì)速度的方向角進(jìn)出口的速度三角形C2rC2uC1rC1u二離心壓縮機(jī)的工作原理

三種類型葉輪的速度三角形（a）后彎型（b）徑向型（c）前彎型二離心壓縮機(jī)的工作原理二離心壓縮機(jī)的工作原理（1）連續(xù)方程——質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的表達(dá)在氣體作穩(wěn)定一元流動(dòng)的情況下，流經(jīng)機(jī)器任意截面的質(zhì)量流量相等。b2/D2：葉輪出口的相對(duì)寬度。D2為葉輪的外徑；b2為葉輪出口的軸向?qū)挾圈?r＝c2r/u2：葉輪的流量系數(shù)；u2：葉輪出口的圓周速度；n:葉輪轉(zhuǎn)速；τ2：葉輪出口的通流系數(shù)，與葉片數(shù)、葉片厚度、安裝角度等參數(shù)有關(guān)。基本方程：葉輪出口的連續(xù)方程反映了流量與葉輪幾何尺寸及氣流速度的相互關(guān)系。2.基本方程葉輪出口方程：

（2）歐拉方程——葉輪機(jī)械的基本方程歐拉方程用于計(jì)算葉輪機(jī)械能與流體能量的轉(zhuǎn)換。其中，Lth：即葉輪對(duì)流經(jīng)的單位質(zhì)量(1kg)氣體所作的理論功，稱為歐拉功Hth：即流過葉輪的單位質(zhì)量(1kg)氣體理論上所接受的能量，稱為理論能量頭，kJ/kg歐拉方程：二離心壓縮機(jī)的工作原理歐拉第二方程：說明：第一項(xiàng)——?dú)怏w由于離心慣性力在葉輪中獲得的靜壓能增量。

第二項(xiàng)——?dú)怏w在葉輪流道中由于降速引起的靜壓能增量。

第三項(xiàng)——?dú)怏w經(jīng)過葉輪后獲得的動(dòng)能增量。

二離心壓縮機(jī)的工作原理無限多葉片葉輪的理論能量頭計(jì)算：有限葉片葉輪的理論能量頭計(jì)算（經(jīng)驗(yàn)公式）：因?yàn)樗怨嗜~輪的理論能量頭：故葉輪的理論能量頭：

通常流體流入壓縮機(jī)的葉輪進(jìn)口時(shí)并無旋轉(zhuǎn)，即C1u＝0，則歐拉方程簡(jiǎn)化為：二離心壓縮機(jī)的工作原理歐拉方程遵循能量轉(zhuǎn)換與守恒定律；單位質(zhì)量流體與葉輪的能量轉(zhuǎn)換大小，只與進(jìn)、出口的流速有關(guān)，與內(nèi)部流動(dòng)情況無關(guān)；該方程適用于任何氣體或液體，即適用于葉輪式壓縮機(jī)及葉輪式泵；該方程也適用于葉輪式的原動(dòng)機(jī)，如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。對(duì)歐拉方程的幾點(diǎn)說明：（3）能量方程能量方程用于計(jì)算氣流溫度的增加和速度的變化。（基本方程）二離心壓縮機(jī)的工作原理

能量守恒定律：外界對(duì)級(jí)內(nèi)氣體所做的機(jī)械功和輸入的能量應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為氣體的熱焓和動(dòng)能。則單位質(zhì)量氣體的能量方程為：其中，Hth：即外界通過葉輪給單位質(zhì)量氣體的機(jī)械功。

q：外界加給單位質(zhì)量氣體的熱量；Cp：氣體的熱容；

T0、T0’:進(jìn)出口的溫度；C0、C0’:進(jìn)出口氣體的速度；h表示焓值。

對(duì)于離心式壓縮機(jī)，通常外界不向級(jí)中輸入熱量，且向外界傳遞的熱量可忽略不計(jì)，即q＝0，故級(jí)的能量方程普遍式為：

二離心壓縮機(jī)的工作原理能量方程表示葉輪所作的機(jī)械功轉(zhuǎn)換為氣體溫度的提高和動(dòng)能的增加；該方程適用于有粘或無粘氣體；該方程適用于一級(jí)或多級(jí)整機(jī)壓縮機(jī)，也適用于壓縮機(jī)的任一流通部件。

葉輪的能量方程：靜止通道（擴(kuò)壓器等）的能量方程：靜止通道的能量方程表明：在靜止通道中氣體溫度升高，則速度降低，反之亦然。說明：即：（4）伯努利方程伯努利方程將流體所獲得的能量區(qū)分為有用能量（靜壓能和動(dòng)能）和能量損失，是流體的機(jī)械能守恒的表達(dá)式。通用的伯努利方程：二離心壓縮機(jī)的工作原理級(jí)內(nèi)流體的伯努利方程：注意：表示級(jí)內(nèi)的流動(dòng)損失；表示級(jí)內(nèi)的總能量損失。其中，第一項(xiàng)：氣體在進(jìn)出口獲得的靜壓能增量；

第二項(xiàng)：氣體在進(jìn)出口獲得的動(dòng)能增量；

第三項(xiàng)：氣體的級(jí)內(nèi)的流動(dòng)能量損失。

二離心壓縮機(jī)的工作原理

葉輪的伯努利方程：固定部件（如擴(kuò)壓器）的伯努利方程：即：伯努利方程建立了機(jī)械能與氣體壓力p、流速c和能量損失之間的關(guān)系；伯努利方程中未包括溫度參數(shù)，因此在離心壓縮機(jī)的計(jì)算中，總是將包含溫度參數(shù)的能量方程與包含壓力及能量損失的伯努利方程同時(shí)使用。該方程適用于一級(jí)或多級(jí)整機(jī)，也適用于壓縮機(jī)的任一流通部件。說明：

（5）壓縮過程與壓縮功二離心壓縮機(jī)的工作原理在離心壓縮機(jī)中，氣體伴隨著流動(dòng)的同時(shí)不斷實(shí)現(xiàn)著改變熱力狀態(tài)的熱力學(xué)過程。多變壓縮過程中，每千克氣體所獲得的壓縮功，即多變能量頭為：（6）總結(jié)將連續(xù)方程、歐拉方程、能量方程、伯努利方程等相關(guān)聯(lián)，流體在機(jī)器內(nèi)的速度、壓力、溫度等的變化規(guī)律就明確了。二離心壓縮機(jī)的工作原理（1）級(jí)內(nèi)的流動(dòng)損失★

摩阻損失3.級(jí)內(nèi)的各種能量損失計(jì)算：λ：摩擦阻力系數(shù)，與Re、壁面粗糙度、管道內(nèi)徑等有關(guān)；l：沿程長(zhǎng)度；dhm：平均水力直徑；cm：氣流平均速度。原因：流體粘性導(dǎo)致的粘滯力結(jié)論：摩阻損失與流量的平方成正比。

邊界層壁面主流二離心壓縮機(jī)的工作原理★邊界層分離損失減少分離損失的措施：設(shè)計(jì)擴(kuò)張通道時(shí)，限制其擴(kuò)張角θ不大于6°～8°；適當(dāng)增加葉輪及葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)，可減小葉道的當(dāng)量擴(kuò)張角；其擴(kuò)壓度（進(jìn)出口的相對(duì)速度之比）一般為（經(jīng)驗(yàn)）：原因：在擴(kuò)張流道中，流體的減速增壓導(dǎo)致邊界層分離，造成旋渦和倒流。邊界層分離的出現(xiàn)與通道形狀、壁面粗糙度、雷諾數(shù)等有關(guān)，但與通道形狀關(guān)系最大；葉輪中的邊界層不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的邊界層分離現(xiàn)象。說明：二離心壓縮機(jī)的工作原理★

沖擊損失（變工況下的邊界層分離損失）減少?zèng)_擊損失的措施：選擇壓縮機(jī)時(shí)，盡量使操作流量與額定流量相差不要太大；在葉輪前設(shè)置可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)向葉片，以適應(yīng)入口氣流角的變化。流量小于額定流量流量大于額定流量原因：當(dāng)流量偏離額定流量時(shí)，葉輪或擴(kuò)壓器葉片的進(jìn)口沖角（i＝）不等于零，導(dǎo)致氣流對(duì)葉片產(chǎn)生沖擊造成能量損失。二離心壓縮機(jī)的工作原理★

二次流損失減少二次流損失的措施：適當(dāng)增加葉片數(shù)，以減小工作表面和非工作表面的壓力梯度；避免氣流方向的急劇轉(zhuǎn)彎。二次流損失：與主流方向垂直的流動(dòng)造成的能量損失。原因：流道同一截面中存在壓差引起的，主要發(fā)生在葉輪的葉道、彎道及吸氣室等氣流速度方向急劇變化處。二離心壓縮機(jī)的工作原理★

尾跡損失減少尾跡損失的措施：采用機(jī)翼型葉片；使用等厚度葉片時(shí)，將葉片尾部削薄。原因：葉片的厚度使氣體從葉輪葉道中流出時(shí)，通流面積擴(kuò)大，在葉片尾部外緣形成氣流旋渦區(qū)。該區(qū)和主流區(qū)氣流的速度、壓力相差較大，在相互混合過程中產(chǎn)生能量損失。二離心壓縮機(jī)的工作原理（2）漏氣損失原因：轉(zhuǎn)子與固定部件之間存在間隙，間隙兩端的氣體壓力不等時(shí)，導(dǎo)致氣體由高壓端向低壓端泄漏，所漏氣體的膨脹與壓縮循環(huán)，產(chǎn)生能量損失。減少漏氣損失的措施：設(shè)置密封裝置（如迷宮式）輪蓋密封級(jí)間密封軸端密封平衡盤密封輪蓋處的漏氣損失系數(shù)：級(jí)間密封的漏氣損失計(jì)入固定部件的流動(dòng)損失二離心壓縮機(jī)的工作原理（3）輪阻損失原因：葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，其輪蓋、輪盤的外側(cè)面和葉輪的外緣和周圍的氣體發(fā)生摩擦，消耗摩擦功。輪阻功率損失——離心葉輪：輪阻損失系數(shù)：ρ2：流體密度；u2

：圓盤外緣圓周速度；D：圓盤外徑。二離心壓縮機(jī)的工作原理（1）多級(jí)壓縮的必要性i離心壓縮機(jī)的單級(jí)壓力較低，一般為多級(jí)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)；對(duì)高增壓比或輸送輕氣體的壓縮機(jī)需要多缸串聯(lián)形成機(jī)組。ii離心壓縮機(jī)多采用分段中間冷卻的結(jié)構(gòu)，段與段之間在機(jī)器外由管道連接中間冷卻器，這樣可以減少功耗。（2）分段需考慮的因素被壓縮氣體的特性；要求排出的氣體溫度；綜合考慮壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)、冷卻器的布置、功耗等因素；段數(shù)確定后，每段的最佳壓力比根據(jù)總功耗最小原則