離心式壓縮機(jī)

離心式壓縮機(jī)課件第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二離心式壓縮機(jī)

離心式壓縮機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的透平式（turbine）機(jī)械，其作用是一種能量轉(zhuǎn)換機(jī)械。在驅(qū)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下，以消耗機(jī)械能達(dá)到排送和壓縮各種氣體，使氣體壓力提高，滿足各種不同工藝流程的需要。

離心壓縮機(jī)工作原理與活塞壓縮機(jī)的不同點(diǎn)：活塞式壓縮機(jī)是通過活塞來改變氣缸的容積，從而達(dá)到壓縮氣體提高壓力的目的。

離心壓縮機(jī)是利用氣體動(dòng)力學(xué)的方法，即利用高速回轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體作功，使氣體在離心力場(chǎng)中使壓力和動(dòng)能都得到提高，然后在擴(kuò)張流道中在將大部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力得到進(jìn)一步的提高。離心壓縮機(jī)工作原理

葉輪在驅(qū)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，在葉輪入口產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，從而使氣體從進(jìn)氣口到達(dá)吸氣室，再經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，葉輪對(duì)氣體做功，使氣體的壓力和動(dòng)能得到提高，然后進(jìn)入擴(kuò)壓室，擴(kuò)壓室是一個(gè)流通截面積逐漸擴(kuò)大的流道空間，使葉輪出來的高速氣體盡可能的將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，然后通過彎道，進(jìn)入回流器，再進(jìn)入下一級(jí)葉輪，使氣體壓力進(jìn)一步得到提高，氣體從最后一級(jí)葉輪出來后進(jìn)入蝸殼，最后從排氣口排出。第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二離心壓縮機(jī)的組成在動(dòng)靜部件之間還設(shè)有密封元件

第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二離心壓縮機(jī)各截面代號(hào)的約定:in——吸氣管進(jìn)口截面0——葉輪進(jìn)口截面1——葉輪葉道進(jìn)口截面2——葉輪出口截面3——擴(kuò)壓器進(jìn)口截面4——擴(kuò)壓器出口截面5——彎道出口截面6——回流器出口截面0’——本級(jí)出口截面7——排氣渦殼進(jìn)口截面out——排氣渦殼出口截面第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二離心壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、離心壓縮機(jī)排氣量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，機(jī)組尺寸小，占地面積小。2、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作可靠，摩擦件少，因此備件需用量少，維護(hù)費(fèi)用及人員少。3、在化工流程中，離心壓縮機(jī)對(duì)化工介質(zhì)可以做到絕對(duì)無油的壓縮過程。4、離心壓縮機(jī)為一種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械，它適宜于工業(yè)汽輪機(jī)或燃汽輪機(jī)直接拖動(dòng)，對(duì)一般大型化工廠，常用副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動(dòng)工業(yè)汽輪機(jī)作為動(dòng)力，為熱能綜合利用提供了可能。缺點(diǎn)：1、目前還不太適用于氣量太小及壓力比過高的場(chǎng)合。且單級(jí)能夠提供的壓力比較活塞式壓縮機(jī)小。2、穩(wěn)定工況區(qū)較窄，氣量調(diào)節(jié)雖然方便，但經(jīng)濟(jì)性較差。3、工作效率一般比活塞壓縮機(jī)低。第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)離心壓縮機(jī)的氣動(dòng)熱力學(xué)

氣體在葉輪中實(shí)際狀況

⑴氣體在流道中流動(dòng)時(shí)呈三元流動(dòng)狀態(tài)，即氣體的狀態(tài)參數(shù)沿軸向、周向、徑向都是變化的。⑵實(shí)際氣體流動(dòng)是非定常的。如：氣體在葉道中流動(dòng)的相對(duì)速度⑶流動(dòng)的都是實(shí)際氣體，都有粘性。在內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算中應(yīng)考慮氣體粘性力的影響。⑷氣體流動(dòng)邊界層的存在，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。⑸應(yīng)考慮實(shí)際氣體的壓縮因子的影響。

第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二1理想氣體狀態(tài)方程、過程方程和壓縮功第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二2實(shí)際氣體狀態(tài)方程、過程方程和壓縮功1）狀態(tài)方程2）過程方程第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二

§3-3氣體在級(jí)中流動(dòng)的概念和基本方程

1歐拉公式假設(shè)氣體無預(yù)旋的進(jìn)入葉輪

由于葉片無限多，β2=β2A

流量系數(shù)或葉輪徑向分速系數(shù)

無窮多葉片葉輪周向分速系數(shù)

第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二無限多葉片葉輪的理論能量頭的影響因素1）、u2

的影響

注意：u2的增大不是無限的，將受葉輪材質(zhì)和氣體馬赫數(shù)的限制。2）、周向分速系數(shù)的影響

由連續(xù)性方程得：——堵塞系數(shù)與葉輪幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，見書P77式3-3

第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二有限葉片葉輪的理論能量頭

通常后彎型葉片的葉輪，葉片數(shù)一般為Z=14~18，而且葉片有一定的厚度。1、葉輪上流速及壓力實(shí)際分布（見圖）原因：軸向渦流由于流體本身的慣性，使流體在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉道中出現(xiàn)了與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，旋轉(zhuǎn)次數(shù)相同的環(huán)流現(xiàn)象——軸向渦流。（見圖）2、改變了出口速度三角形

由于有限葉片葉輪中存在軸向渦流，不僅使葉道中同一截面相對(duì)速度分布不均勻，而且使葉輪出口速度方向偏離葉片的切線方向，即β2<β2A，改變了葉輪出口速度三角形。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二依據(jù)斯沱道拉理論：速度滑移大體等于葉輪出口處軸向渦流的周向速度若不考慮葉片的厚度，近似取葉道的出口寬度

第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二因此有限葉片葉輪的理論能量頭有限多葉片理論能量頭系數(shù)或周向分速系數(shù)2、級(jí)的總耗功、壓縮功及功率

壓縮機(jī)葉輪功耗⑴葉輪對(duì)氣體做功。⑵輪阻損失——當(dāng)葉輪周圍充滿氣體，葉輪旋轉(zhuǎn)需要克服葉輪兩側(cè)表面及葉輪外緣與氣體之間的摩擦損失。⑶泄漏損失——①輪蓋密封處的泄漏；②級(jí)與級(jí)之間的密封處的泄漏（P115圖3-10）。

第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二葉輪對(duì)單位有效氣體的總功耗——泄漏損失系數(shù)

——泄漏損失能頭——輪阻損失系數(shù)

——輪阻損失能頭第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二3能量方程式當(dāng)a,b截面為級(jí)進(jìn)出口截面時(shí)對(duì)理想流體對(duì)絕能流動(dòng)第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二4柏努利方程氣體在級(jí)的a,b截面間做穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)進(jìn)出口而言與能量方程聯(lián)立第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二HT由柏努力方程得：在級(jí)的進(jìn)出口a-b截面間能量的變化可用能頭

5級(jí)效率第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二2）絕熱效率1）多變效率3）絕熱效率第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二在級(jí)的進(jìn)出口b截面間能量的變化在等溫過程中

在多變過程中

在絕熱過程中

在離心式壓縮機(jī)的壓縮過程中除了一種特殊的等溫型壓縮機(jī)較接近等溫壓縮過程以外，壓縮過程一般均為多變過程。

由于流動(dòng)損失、輪阻損失、泄漏損失的能量都將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃勘粴饬魑眨詨嚎s過程中得多變指數(shù)一般大于絕熱指數(shù)>等溫效率。第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二忽略4）流動(dòng)效率多變能頭系數(shù)第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二產(chǎn)生流動(dòng)損失的原因：

①波阻損失：因氣體的壓縮性，使氣速達(dá)到或超過音速時(shí)形成的激波阻力損失（見圖），這種損失實(shí)際是激波前后氣流壓力、速度、密度、溫度等參數(shù)突躍變化而造成的一種不可逆的能量損失。②氣體本身的粘滯性，由摩擦、渦流而產(chǎn)生的能量損失。粘滯性引起的流動(dòng)損失主要表現(xiàn)形式：1、摩擦損失2、分離損失3、二次渦流損失4、尾跡損失5、沖擊損失§3-4氣體在級(jí)中的能量損失第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二1、摩擦損失：氣體在壓縮機(jī)級(jí)的流道中流動(dòng)，因氣體粘性的存在，在貼近流道壁處產(chǎn)生邊界層，出現(xiàn)磨擦損失。在實(shí)際氣體速度與理想氣體的速度相差＞1%的氣體層厚度，稱為邊界層厚度δ。規(guī)定：貼近壁面有速度梯度的這一氣體薄層，稱為邊界層。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二2、分離損失

減少分離損失的措施使控制流道的當(dāng)量擴(kuò)張角θ≤6°~8

°經(jīng)驗(yàn)方法是控制進(jìn)出口的相對(duì)速度比第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二3、二次流損失與主流方向垂直的流動(dòng)造成的損失，由哥氏力和流道彎曲引起。主要發(fā)生在葉輪的葉道、彎道及吸氣室等有急劇轉(zhuǎn)彎之處。4、尾跡損失

第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二5、沖擊損失

當(dāng)流量偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)使得β1≠β1A，于是氣流對(duì)葉片產(chǎn)生沖擊造成沖擊損失。損失大小與進(jìn)氣沖角i=β1A-β1有關(guān)。當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)工況時(shí)i>0，當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)工況時(shí)i<0。第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二級(jí)中輪阻損失

面積

摩擦力矩

設(shè)圓盤附近氣體的密度ρ不變，且等于葉輪出口處的ρ2；設(shè)圓盤內(nèi)徑等于0，則

級(jí)中泄漏損失

式中：a=0.7Z=4~6齒，齒頂間隙s≈0.4mm，第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二因圓盤有兩個(gè)側(cè)面，故消耗的功率

KW圓盤外緣摩擦力矩

式中e——輪盤外緣寬度圓盤外緣消耗功率KW輪盤摩擦總損失功率為KW第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二葉輪輪阻損失系數(shù)

多級(jí)離心壓縮機(jī)

由于離心壓縮機(jī)每級(jí)所能提供的壓縮比很小1.2~1.5，所以離心式壓縮機(jī)大多采用多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)來滿足工藝壓力比的要求。單機(jī)級(jí)數(shù)最多可達(dá)9級(jí)。為了節(jié)省功耗，在離心式壓縮機(jī)中同樣可以采用中間冷卻器的方法降低排氣溫度。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二離心壓縮機(jī)的性能曲線

在該曲線上的每個(gè)點(diǎn)即代表著壓縮機(jī)的一個(gè)工況，把效率最高的工況點(diǎn)稱為最佳工況點(diǎn)。注意：該圖是在一定轉(zhuǎn)速下測(cè)定的。在性能曲線最左邊對(duì)應(yīng)著喘振點(diǎn)。右邊對(duì)應(yīng)著壓縮機(jī)的堵塞點(diǎn)。兩點(diǎn)之間為壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二喘振原因旋轉(zhuǎn)脫離第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二阻塞原因第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二管網(wǎng)特性曲線

壓縮機(jī)在使用中總是需要管網(wǎng)與其配套。管網(wǎng)包括與壓縮機(jī)連接的進(jìn)氣管路、排氣管路以及這些管路上的附件及設(shè)備的總稱。

氣體在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)，需要有足夠的壓力來克服沿程阻力和各種局部阻力，每條管網(wǎng)都有自己的特性曲線，即氣體通過管網(wǎng)流量與保證這個(gè)流量通過所需的壓力之間的關(guān)系曲線，其取決于管網(wǎng)本身與用戶的需要。管網(wǎng)特性曲線形式第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作壓縮機(jī)工作點(diǎn)的兩個(gè)條件：a、壓縮機(jī)的排氣量等于管網(wǎng)的需氣量；b、壓縮機(jī)提供的排氣壓力等于管網(wǎng)需要的端壓。穩(wěn)定工作點(diǎn)的判定條件：——具有穩(wěn)定工況點(diǎn)——具有不穩(wěn)定工況點(diǎn)第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二離心式壓縮機(jī)串聯(lián)和并聯(lián)工作

多臺(tái)離心壓縮機(jī)可以串聯(lián)或并聯(lián)在管網(wǎng)中使用。機(jī)組并聯(lián)可增大供氣量，串聯(lián)可提高供氣壓力。第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二相似理論在離心式壓縮機(jī)中應(yīng)用相似理論在離心式壓縮機(jī)中的應(yīng)用是十分重要的問題，它可為試驗(yàn)研究、相似設(shè)計(jì)和性能換算提供理論依據(jù)。離心壓縮機(jī)相似實(shí)際是研究氣體在壓縮機(jī)內(nèi)接受葉輪外功進(jìn)行能量交換過程中的流動(dòng)相似問題。流動(dòng)相似是指氣體在流經(jīng)幾何相似的機(jī)器時(shí)，其任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)的同名物理量的比值相等。氣體流動(dòng)的基本物理量有T、p、c若兩機(jī)流動(dòng)相似，兩機(jī)間任意點(diǎn)處的T、p、c比值相等。相似的條件：流動(dòng)相似時(shí)兩機(jī)間幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、熱力必須相似。對(duì)于幾何相似是指同名幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)比值等于常數(shù)，且任意點(diǎn)處葉片安裝角必須相等。注意：要產(chǎn)生相似流動(dòng)只能發(fā)生在幾何相似的流道，其是相似流動(dòng)最基本的要素。第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二運(yùn)動(dòng)相似的條件對(duì)于運(yùn)動(dòng)相似是指兩機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的流型相似，即兩機(jī)任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的速度大小成比例，且為一個(gè)常數(shù)，速度的方向相同——速度三角形相似?？梢宰C明：對(duì)于幾何相似的流道內(nèi)當(dāng)進(jìn)口速度三角形相似則能保證后續(xù)的運(yùn)動(dòng)相似。

動(dòng)力相似的條件：動(dòng)力相似是指兩機(jī)氣流在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上所受的同名力的比值相等。離心壓縮機(jī)中對(duì)氣流流動(dòng)起主要作用的力有慣性力、粘性力、彈性力。

由因次分析得:

慣性力

粘性力

第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二彈性力是指氣體在流動(dòng)中由于體積發(fā)生變化所需的力。彈性力大小與氣體的彈性系數(shù)有關(guān)。彈性系數(shù)的物理含義是：產(chǎn)生單位容積相對(duì)變化率時(shí)所需的壓強(qiáng)增量。因氣體容積變化率與密度變化率剛好相反。力是壓強(qiáng)乘以面積，所以彈性力必然與彈性系數(shù)及受力面積成正比。彈性力為：第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期二若兩機(jī)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)相等則兩機(jī)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的慣性力的比值等于對(duì)應(yīng)點(diǎn)的粘性力比值。雷諾數(shù)相等實(shí)際是反映流體粘性對(duì)流體流動(dòng)的影響相當(dāng)，當(dāng)兩機(jī)雷諾數(shù)相等時(shí)，兩機(jī)對(duì)應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)相等，但由于透平式機(jī)械雷諾數(shù)一般大于臨界值，機(jī)內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入自動(dòng)?；瘏^(qū)