離心式壓縮機

離心式壓縮機課件第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一離心式壓縮機

離心式壓縮機是一種高速旋轉的透平式（turbine）機械，其作用是一種能量轉換機械。在驅動機的拖動下，以消耗機械能達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。

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

離心壓縮機是利用氣體動力學的方法，即利用高速回轉的葉輪對氣體作功，使氣體在離心力場中使壓力和動能都得到提高，然后在擴張流道中在將大部分的動能轉變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力得到進一步的提高。離心壓縮機工作原理

葉輪在驅動機的帶動下高速旋轉，在葉輪入口產生負壓區(qū)，從而使氣體從進氣口到達吸氣室，再經高速旋轉的葉輪，葉輪對氣體做功，使氣體的壓力和動能得到提高，然后進入擴壓室，擴壓室是一個流通截面積逐漸擴大的流道空間，使葉輪出來的高速氣體盡可能的將動能轉化為靜壓能，然后通過彎道，進入回流器，再進入下一級葉輪，使氣體壓力進一步得到提高，氣體從最后一級葉輪出來后進入蝸殼，最后從排氣口排出。第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一離心壓縮機的組成在動靜部件之間還設有密封元件

第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一離心壓縮機各截面代號的約定:in——吸氣管進口截面0——葉輪進口截面1——葉輪葉道進口截面2——葉輪出口截面3——擴壓器進口截面4——擴壓器出口截面5——彎道出口截面6——回流器出口截面0’——本級出口截面7——排氣渦殼進口截面out——排氣渦殼出口截面第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一離心壓縮機的優(yōu)缺點：優(yōu)點：1、離心壓縮機排氣量大，結構簡單緊湊，重量輕，機組尺寸小，占地面積小。2、運轉平穩(wěn)，操作可靠，摩擦件少，因此備件需用量少，維護費用及人員少。3、在化工流程中，離心壓縮機對化工介質可以做到絕對無油的壓縮過程。4、離心壓縮機為一種回轉運動機械，它適宜于工業(yè)汽輪機或燃汽輪機直接拖動，對一般大型化工廠，常用副產蒸汽驅動工業(yè)汽輪機作為動力，為熱能綜合利用提供了可能。缺點：1、目前還不太適用于氣量太小及壓力比過高的場合。且單級能夠提供的壓力比較活塞式壓縮機小。2、穩(wěn)定工況區(qū)較窄，氣量調節(jié)雖然方便，但經濟性較差。3、工作效率一般比活塞壓縮機低。第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)離心壓縮機的氣動熱力學

氣體在葉輪中實際狀況

⑴氣體在流道中流動時呈三元流動狀態(tài)，即氣體的狀態(tài)參數沿軸向、周向、徑向都是變化的。⑵實際氣體流動是非定常的。如：氣體在葉道中流動的相對速度⑶流動的都是實際氣體，都有粘性。在內部流場的計算中應考慮氣體粘性力的影響。⑷氣體流動邊界層的存在，會產生復雜的流動現象。⑸應考慮實際氣體的壓縮因子的影響。

第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一1理想氣體狀態(tài)方程、過程方程和壓縮功第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一2實際氣體狀態(tài)方程、過程方程和壓縮功1）狀態(tài)方程2）過程方程第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

§3-3氣體在級中流動的概念和基本方程

1歐拉公式假設氣體無預旋的進入葉輪

由于葉片無限多，β2=β2A

流量系數或葉輪徑向分速系數

無窮多葉片葉輪周向分速系數

第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一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，將受葉輪材質和氣體馬赫數的限制。2）、周向分速系數的影響

由連續(xù)性方程得：——堵塞系數與葉輪幾何結構有關，見書P77式3-3

第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一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，使流體在旋轉葉輪的葉道中出現了與葉輪旋轉方向相反，旋轉次數相同的環(huán)流現象——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。第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一依據斯沱道拉理論：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

第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一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或周向分速系數2、級的總耗功、壓縮功及功率

壓縮機葉輪功耗⑴葉輪對氣體做功。⑵輪阻損失——當葉輪周圍充滿氣體，葉輪旋轉需要克服葉輪兩側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級與級之間的密封處的泄漏（P115圖3-10）。

第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一葉輪對單位有效氣體的總功耗——泄漏損失系數

——泄漏損失能頭——輪阻損失系數

——輪阻損失能頭第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一3能量方程式當a,b截面為級進出口截面時對理想流體對絕能流動第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一4柏努利方程氣體在級的a,b截面間做穩(wěn)定流動對進出口而言與能量方程聯(lián)立第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一HT由柏努力方程得：在級的進出口a-b截面間能量的變化可用能頭

5級效率第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一2）絕熱效率1）多變效率3）絕熱效率第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一在級的進出口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

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

由于流動損失、輪阻損失、泄漏損失的能量都將轉變?yōu)闊崃勘粴饬魑眨詨嚎s過程中得多變指數一般大于絕熱指數>等溫效率。第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一忽略4）流動效率多變能頭系數第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一產生流動損失的原因：

①波阻損失：因氣體的壓縮性，使氣速達到或超過音速時形成的激波阻力損失（見圖），這種損失實際是激波前后氣流壓力、速度、密度、溫度等參數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、渦流而產生的能量損失。粘滯性引起的流動損失主要表現形式：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氣體在級中的能量損失第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一1、摩擦損失：氣體在壓縮機級的流道中流動，因氣體粘性的存在，在貼近流道壁處產生邊界層，出現磨擦損失。在實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。第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一2、分離損失

減少分離損失的措施使控制流道的當量擴張角θ≤6°~8

°經驗方法是控制進出口的相對速度比第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一3、二次流損失與主流方向垂直的流動造成的損失，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彎之處。4、尾跡損失

第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一5、沖擊損失

當流量偏離設計工況點時使得β1≠β1A，于是氣流對葉片產生沖擊造成沖擊損失。損失大小與進氣沖角i=β1A-β1有關。當流量小于設計工況時i>0，當流量大于設計工況時i<0。第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一級中輪阻損失

面積

摩擦力矩

設圓盤附近氣體的密度ρ不變，且等于葉輪出口處的ρ2；設圓盤內徑等于0，則

級中泄漏損失

式中：a=0.7Z=4~6齒，齒頂間隙s≈0.4mm，第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一因圓盤有兩個側面，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第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一葉輪輪阻損失系數

多級離心壓縮機

由于離心壓縮機每級所能提供的壓縮比很小1.2~1.5，所以離心式壓縮機大多采用多級串聯(lián)結構來滿足工藝壓力比的要求。單機級數最多可達9級。為了節(jié)省功耗，在離心式壓縮機中同樣可以采用中間冷卻器的方法降低排氣溫度。第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一離心壓縮機的性能曲線

在該曲線上的每個點即代表著壓縮機的一個工況，把效率最高的工況點稱為最佳工況點。注意：該圖是在一定轉速下測定的。在性能曲線最左邊對應著喘振點。右邊對應著壓縮機的堵塞點。兩點之間為壓縮機的穩(wěn)定工況區(qū)。第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一喘振原因旋轉脫離第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一阻塞原因第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一管網特性曲線

壓縮機在使用中總是需要管網與其配套。管網包括與壓縮機連接的進氣管路、排氣管路以及這些管路上的附件及設備的總稱。

氣體在管網中流動時，需要有足夠的壓力來克服沿程阻力和各種局部阻力，每條管網都有自己的特性曲線，即氣體通過管網流量與保證這個流量通過所需的壓力之間的關系曲線，其取決于管網本身與用戶的需要。管網特性曲線形式第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一壓縮機與管網聯(lián)合工作壓縮機工作點的兩個條件：a、壓縮機的排氣量等于管網的需氣量；b、壓縮機提供的排氣壓力等于管網需要的端壓。穩(wěn)定工作點的判定條件：——具有穩(wěn)定工況點——具有不穩(wěn)定工況點第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一離心式壓縮機串聯(lián)和并聯(lián)工作

多臺離心壓縮機可以串聯(lián)或并聯(lián)在管網中使用。機組并聯(lián)可增大供氣量，串聯(lián)可提高供氣壓力。第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一相似理論在離心式壓縮機中應用相似理論在離心式壓縮機中的應用是十分重要的問題，它可為試驗研究、相似設計和性能換算提供理論依據。離心壓縮機相似實際是研究氣體在壓縮機內接受葉輪外功進行能量交換過程中的流動相似問題。流動相似是指氣體在流經幾何相似的機器時，其任意對應點的同名物理量的比值相等。氣體流動的基本物理量有T、p、c若兩機流動相似，兩機間任意點處的T、p、c比值相等。相似的條件：流動相似時兩機間幾何、運動、動力、熱力必須相似。對于幾何相似是指同名幾何參數對應比值等于常數，且任意點處葉片安裝角必須相等。注意：要產生相似流動只能發(fā)生在幾何相似的流道，其是相似流動最基本的要素。第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一運動相似的條件對于運動相似是指兩機內部流動的流型相似，即兩機任意對應點處的速度大小成比例，且為一個常數，速度的方向相同——速度三角形相似?？梢宰C明：對于幾何相似的流道內當進口速度三角形相似則能保證后續(xù)的運動相似。

動力相似的條件：動力相似是指兩機氣流在對應點上所受的同名力的比值相等。離心壓縮機中對氣流流動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

第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一彈性力是指氣體在流動中由于體積發(fā)生變化所需的力。彈性力大小與氣體的彈性系數有關。彈性系數的物理含義是：產生單位容積相對變化率時所需的壓強增量。因氣體容積變化率與密度變化率剛好相反。力是壓強乘以面積，所以彈性力必然與彈性系數及受力面積成正比。彈性力為：第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一若兩機對應的雷諾數相等則兩機對應點的慣性力的比值等于對應點的粘性力比值。雷諾數相等實際是反映流體粘性對流體流動的影響相當，當兩機雷諾數相等時，兩機對應的摩擦阻力系數相等，但由于透平式機械雷諾數一般大于臨界值，機內流動已進入自動模