離心壓縮教學(xué)課件

1、第3章 離心壓縮機(jī)高福祥第3章 離心壓縮機(jī)3.1 離心壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)與工作原理3.2 性能、調(diào)節(jié)與控制3.3 安全可靠性3.4 選型3.1 離心壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)與工作原理3.1.1 離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)離心壓縮機(jī)是利用旋轉(zhuǎn)葉輪實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，使氣體主要沿離心方向流動從而提高氣體壓力的機(jī)器（1）結(jié)構(gòu)型式：水平剖分型和垂直剖分型。（2）結(jié)構(gòu)組成：機(jī)殼，轉(zhuǎn)子，定子，以及輔助系統(tǒng)。3.1.1.1 離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)垂直剖分型結(jié)構(gòu)高壓圓筒型和豎直剖分型壓縮機(jī)裝置系統(tǒng)圖3.1.1.2 級的典型結(jié)構(gòu) 級是離心壓縮機(jī)使氣體增壓的基本單元，有三種型式，即：首級、中間級、末級。3.1.1.3 離心葉輪的典型結(jié)

2、構(gòu)葉輪是主要的做功元件，它將外界（原動機(jī)）的能量傳遞給氣體，使氣體增壓。葉輪組成及種類：按葉輪結(jié)構(gòu)型式閉式葉輪：性能好、效率高；由于輪蓋的影響，葉輪圓周速度受到限制。半開式葉輪：效率較低，強(qiáng)度較高。雙面進(jìn)氣葉輪：適用于大流量，且軸向力平衡好。 按葉輪葉片型式后彎型葉輪：2A 90，級效率高，穩(wěn)定工作范圍寬。徑向型葉輪： 2A 90 ，性能介于后彎型和前彎型之間。 前彎型葉輪： 2A90，級效率較低，穩(wěn)定工作范圍窄。氣體在旋轉(zhuǎn)葉輪中的流動與速度三角形相對速度（w）：與葉片的切線方向一致。牽連速度（u）：絕對速度（c）：圓周速度與相對速度的合成。三者之間的關(guān)系可以用速度三角形表示。3.1.1.4

3、擴(kuò)壓器的典型結(jié)構(gòu)葉輪出口的氣流絕對速度較大，為了提高級的增壓比和效率，設(shè)置了擴(kuò)壓器使氣流降速增壓。無葉擴(kuò)壓器：結(jié)構(gòu)簡單，級變工況較好，效率高，穩(wěn)定工作范圍寬。葉片擴(kuò)壓器：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變工況性能差，效率較低，穩(wěn)定工作范圍窄。工作原理：氣體流動連續(xù)性定律：得到：降速升壓主要依靠加大直徑來實(shí)現(xiàn)。動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芎涂朔鲃訐p失的能量。動量矩守恒定律：根據(jù)能量守恒定律：綜合上兩式：3.1.1.5 其他結(jié)構(gòu)彎道：使氣流轉(zhuǎn)向發(fā)生改變?；亓髌鳎阂龑?dǎo)氣流無預(yù)旋進(jìn)入下一級。吸入室：引導(dǎo)，使氣體均勻進(jìn)入葉輪。排氣蝸殼：收集、引導(dǎo)氣體進(jìn)入排氣管道中。3.1.1.6 離心壓縮機(jī)的特點(diǎn) （1）優(yōu)點(diǎn) 流量大； 轉(zhuǎn)速高； 結(jié)構(gòu)

4、緊湊； 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠。 （2）缺點(diǎn) 單級壓力比不高，高壓力比所需的級數(shù)比活塞式的多。 由于轉(zhuǎn)速高，流通截面積較大，故不能適用于太小的流量。3.1.2 離心壓縮機(jī)的基本工作原理3.1.2.1 連續(xù)方程（1）連續(xù)方程的基本表達(dá)式 氣體作定常一元流動，流經(jīng)機(jī)器任意截面的質(zhì)量流量相等，其連續(xù)方程表示為：方程說明：隨著氣體在壓縮過程中壓力不斷提高，其密度不斷增大，容積流量沿機(jī)器不斷減小。式中：qm為質(zhì)量流量 kg/s,qv為容積流量m3/s,為氣流密度,f 為截面面積,c2r為垂直該截面的法向流速。（2）連續(xù)方程在葉輪出口的表達(dá)式 連續(xù)方程在葉輪出口處的表達(dá)式，反映流量與葉輪幾何尺寸及氣流速度的相互關(guān)系。

5、式中：D2為葉輪外徑, b2為葉輪出口處的軸向?qū)挾? 為葉輪出口的相對寬度?？紤]到葉輪結(jié)構(gòu)的合理性和級效率,通常要求 。 為葉輪葉輪出口處的流量系數(shù),它對流量、理論能量頭和級效率均有較大的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的選取范圍，不同類型葉輪取值不同。2為 葉輪出口的通流系數(shù)（或阻塞系數(shù)）。說明：葉論出口連續(xù)方程式常用來校核各級葉輪選取 的合理性。表示鉚接葉輪中連接盤、蓋的葉片折邊；無折邊的銑制、焊接葉輪，=0。3.1.2.2 歐拉方程歐拉方程是用來計算原動機(jī)通過軸和葉輪將機(jī)械能轉(zhuǎn)換給流體的能量，稱為葉輪機(jī)械的基本方程。由流體力學(xué)的動量矩定理導(dǎo)出，其表達(dá)式：也可表示為：式中Lth 為葉輪輸出的歐拉功 ，Hth

6、為每千克流體所接受的能量稱為理論能量頭，單位是kJ/kg。歐拉方程的物理意義：歐拉方程指出的是葉輪與流體之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，它遵循能量轉(zhuǎn)換與守恒定律；只要知道葉輪進(jìn)出口的流體速度，即可計算出一千克流體與葉輪之間機(jī)械能轉(zhuǎn)換的大小、而不管葉輪內(nèi)部的流動情況；該方程適用于任何氣體或液體，既適用于葉輪式的壓縮機(jī)，也適用于葉輪式的泵；推而廣之只需將等式右邊各項(xiàng)的進(jìn)出口符號調(diào)換一下，亦適用于葉輪式的原動機(jī)如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。原動機(jī)的歐拉方程為葉片數(shù)有限的理論能頭：軸向旋渦 液體由于存在慣性力，產(chǎn)生軸向渦流，方向與葉輪轉(zhuǎn)動方向相反。結(jié)果 使得相對速度和絕對速度產(chǎn)生滑移。無預(yù)旋：一般情況下氣體是從徑向流入葉

7、道入口，簡稱徑向進(jìn)入葉輪或氣流無預(yù)旋進(jìn)入葉輪。此時有限多葉片相對速度的分布工作面一側(cè)相對速度小，非工作面一側(cè)相對速度大。為此，斯陀道拉提出了計算周向分速的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式：滑移速度與葉輪結(jié)構(gòu)、葉道中流動情況及流體性質(zhì)有關(guān)?；葡禂?shù)得到有限多葉片的理論能頭的計算公式： 此方程為離心壓縮機(jī)計算能量與功率的基本方程式。說明： 主要與葉輪圓周速度有關(guān)、流量系數(shù)、葉片出口角和葉片數(shù)有關(guān)。式中： 稱為理論能量頭系數(shù)或周速系數(shù)。 3.1.2.3 能量方程 能量方程用來計算氣流溫度（或焓）的增加和速度的變化。根據(jù)熱力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，當(dāng)氣體在級中作穩(wěn)定流動時，取級中任意兩截面a、b間的系統(tǒng)作為考察對象，

8、則對單位質(zhì)量氣體有：能量方程的物理意義：能量方程是既含有機(jī)械能又含有熱能的能量轉(zhuǎn)化與守恒方程，它表示由葉輪所作的機(jī)械功，轉(zhuǎn)換為級內(nèi)氣體溫度（或焓）的升高和動能的增加；該方程對有粘無粘氣體都是適用的，因?yàn)閷τ姓硽怏w所引起的能量損失也以熱量形式傳遞給氣體，從而使氣體溫度（或焓）升高；離心壓縮機(jī)不從外界吸收熱量，而由機(jī)殼向外散出的熱量與氣體與氣體的熱焓升高相比較是很小的，故可認(rèn)為氣體在機(jī)器內(nèi)作絕熱流動，其q=0；該方程適用任一級，也適用于多級整機(jī)或其中任一通流部件，這由所取的進(jìn)出口截面而定。 例如對于葉輪而言，能量方程表示為 對于擴(kuò)壓器而言，能量方程表示為對任意截面而言，能量方程表示為由此可以得到溫

9、差的計算公式：3.1.2.4 伯努利方程 應(yīng)用該方程將流體獲得的能量區(qū)分為有用能量和能量損失，并引入壓力參數(shù)，表示出壓力的增加，將機(jī)械功與級內(nèi)流體壓力升高的靜壓能聯(lián)系起來，其表達(dá)式為：式中 為級進(jìn)出口靜壓能頭的增量, 為級內(nèi)的流動損失。上式根據(jù)熱力學(xué)第一定律和能量方程推導(dǎo)求得。假設(shè)氣體在某流道中由界面a向界面b作穩(wěn)定流動，并在這股氣流上建立動坐標(biāo)系，由于氣流與外界無質(zhì)量交換，可看作封閉的熱力系統(tǒng)，則得到：實(shí)際上，氣體是相對靜止坐標(biāo)系流動，有氣體進(jìn)、出界面的開口熱力系統(tǒng)。因此，單位質(zhì)量氣體從界面a流向界面b實(shí)際得到的熱量應(yīng)包括兩部分：一是從系統(tǒng)外傳入的熱量，二是由于氣體的流動所有的能量損失轉(zhuǎn)化的

10、熱量，即：如果考慮內(nèi)漏氣損失和輪阻損失,上式表示為式中 為葉輪消耗的總功, 為級內(nèi)每千克氣體獲得的總能量頭, 為級中總能量損失。 設(shè)流出葉輪的有效氣體的質(zhì)量為qm，流出葉輪后從輪蓋密封處漏回葉輪入口的質(zhì)量流量為qm l，實(shí)際從葉輪中流出的總質(zhì)量為：由葉輪對總質(zhì)量qmtot氣體所消耗的功率為：如果此時輪阻損失消耗的功率Ndf，則葉輪消耗的總功率為：由于葉輪是級內(nèi)唯一做功元件，故級的總功率就是葉輪的總功率，或稱級的內(nèi)功率。葉輪對每千克有效氣體的總耗功（總能量）為伯努利方程的物理意義:通用伯努利方程也是能量轉(zhuǎn)化與守恒的一種表達(dá)式,它表示葉輪所做機(jī)械功轉(zhuǎn)換為級中流體的有用能量(靜壓能和動能增加)的同時

11、,由于流體具有粘性,還需付出一部分能量克服流動損失或級中所有的損失；它建立了機(jī)械能與氣體壓力p、流速c 和能量損失之間的相互關(guān)系；該方程適用一級，亦適用于多級整機(jī)或其中任一通流部件，這由所取的時出口截面而定 ；對于不可壓流體，其密度為常數(shù)，則可直接解出，因而對輸送水或其他液體的泵來說應(yīng)用伯努利方程計算壓力的升高是十分方便的。而對于可壓縮流體，還需知道p=f（）的函數(shù)關(guān)系及熱力學(xué)基礎(chǔ)知識才可解決。對于葉輪而言：或?qū)τ谀骋还潭ú考?，如擴(kuò)壓器3.1.2.4 壓縮過程與壓縮功 根據(jù)熱力過程不同，確定每千克氣體所獲得的壓縮功，即有效能量頭。對于多變過程，則多變壓縮功為式中 稱為多變壓縮有效能量頭，簡稱為

12、多變能量頭。能量頭系數(shù)：能量頭與 之比，那么多變能量頭系數(shù)表示為或多變能頭系數(shù)的大小，表示葉輪圓周速度用來提高氣體壓力比的能量利用程度。思考題：5個基本方程都解決了哪些問題？連續(xù)方程：壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計。歐拉方程：氣體經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪獲得多少能量。能量方程：獲得的能量使氣體的溫度和動能增加。伯努利方程：能量如何進(jìn)行分配。熱力過程方程和壓縮功的表達(dá)式關(guān)聯(lián)：氣體壓力升高到規(guī)定值需要多少有效能量頭。作業(yè)：1.DA120-61壓縮機(jī)的低壓缸某級，D2=380mm，2A=42，Z=16，n=13800r/min， c2=200m/s，2=21.1 ，若氣體無預(yù)旋進(jìn)入葉片，試求Hth和 Hth ，并說明兩者

13、的區(qū)別。2.已知某壓縮機(jī)進(jìn)口截面處的氣流溫度Tin=303K， cin=13.6m/s，R=291.5J/kgk，k=1.4， pin=0.91105Pa，多變指數(shù)系數(shù) Htot=57317J/kg，及各關(guān)鍵截面處的氣速： c0=87.4m/s， c1=133.6m/s， c2=199.8m/s， c4=122.5m/s， c0=4.05m/s。試計算各關(guān)鍵截面處的氣流溫度，壓力和比容。3.1.3 級內(nèi)的各種能量損失級中能量損失包括三種：流動損失、漏氣損失、輪阻損失3.1.3.1 級內(nèi)的流動損失 （1）摩阻損失 產(chǎn)生原因：流體的粘性是根本原因。從葉輪進(jìn)口到出口有流體與壁面接觸，就有邊界層存在，

14、就將產(chǎn)生摩阻損失。大?。?為摩阻系數(shù) ，是Re與壁面粗糙度的函數(shù)。通常離心壓縮機(jī)中氣流的Re大于臨界雷諾數(shù)，在一定的相對粗糙度下，是常數(shù)，則hf與qv2成正比。減小措施：（2）分離損失產(chǎn)生原因：通道截面突然變化，速度降低，近壁邊界層增厚，引起分離損失。大小：大于沿程摩阻損失。受流道形狀、壁面粗糙度、氣流雷諾數(shù)、氣體湍流程度影響。減少措施：控制通道的當(dāng)量擴(kuò)張角 ；控制進(jìn)出口的相對速度比（3）沖擊損失 產(chǎn)生原因：流量偏離設(shè)計工況點(diǎn)，使得葉輪和葉片擴(kuò)壓器的進(jìn)氣沖角i0，在葉片進(jìn)口附近產(chǎn)生較大的擴(kuò)張角，導(dǎo)致氣流對葉片的沖擊，造成分離損失。減少措施：控制在設(shè)計工況點(diǎn)附近運(yùn)行；在葉輪前安裝可轉(zhuǎn)動導(dǎo)向葉片。

15、大?。翰捎脹_擊速度來表示，正沖角損失是負(fù)沖角損失的1015倍。（4）二次流損失產(chǎn)生原因：葉道同一截面上氣流速度與壓力分布不均勻，存在壓差，產(chǎn)生流動，干擾主氣流的流動，產(chǎn)生能量損失 。在葉輪和彎道處急劇轉(zhuǎn)彎部位出現(xiàn)。減少措施：增加葉片數(shù)，避免急劇轉(zhuǎn)彎。大?。喝~道的彎曲，氣流速度方向的變化急劇與否。（5）尾跡損失 產(chǎn)生原因：葉片尾部有一定厚度，氣體從葉道中流出時，通流面積突然擴(kuò)大，氣流速度下降，邊界層發(fā)生突然分離，在葉片尾部外緣形成氣流旋渦區(qū)，尾跡區(qū)。尾跡區(qū)氣流速度與主氣流速度、壓力相差較大，相互混合，產(chǎn)生的能量損失。減少措施：采用翼型葉片代替等厚葉片；將等厚葉片出口非工作面削薄。大小：與葉道出口

16、速度，葉片厚度及葉道邊界層有關(guān)。3.1.3.2 漏氣損失（1）產(chǎn)生漏氣損失的原因存在間隙；存在壓力差。出口壓力大于進(jìn)口壓力，級出口壓力大于葉輪出口壓力，在葉輪兩側(cè)與固定件之間的間隙、軸端的間隙，產(chǎn)生漏氣，存在能量損失。密封型式：機(jī)械密封，干氣密封，浮環(huán)油膜密封，梳齒密封（2）密封件的結(jié)構(gòu)形式及漏氣量的計算結(jié)構(gòu)形式：在固定部件與輪蓋、隔板與軸套、軸的端部設(shè)置密封件，采用梳齒式（迷宮式）密封。工作原理：利用節(jié)流原理。減小通流截面積，經(jīng)多次節(jié)流減壓，使在壓差作用下的漏氣量盡量減小。即通過產(chǎn)生的壓力降來平衡密封裝置前后的壓力差。密封特點(diǎn)：非接觸式密封，有一定的泄漏量。設(shè)計中應(yīng)注意：減小齒逢間隙；增加密

17、封齒數(shù)；加大齒片間的空腔和流道的曲折程度。漏氣量計算：漏氣量大小取決于裝置前后壓力差、密封結(jié)構(gòu)型式、齒數(shù)和齒縫間隙截面積。分兩種情況計算：由連續(xù)方程和伯努利方程可知通過齒頂間隙的漏氣量，1）軸封處向機(jī)外泄漏的外泄漏，其大小取決于裝置前后壓力差。如果密封裝置前后壓力差小，氣體流過齒縫的速度低于音速，這時利用不可壓縮流體計算漏氣量。如果壓力差比較大（即達(dá)到某一臨界值），最后一個齒縫間隙的氣速達(dá)到臨界音速，使裝置發(fā)生堵塞工況，漏氣不再隨裝置前后壓力差的增大而增加，則最后一個齒縫間隙中的氣體比容最大，最先達(dá)到音速。流速達(dá)到臨界音速時，漏氣量計算 式中為流量修正系數(shù)，一般 ，為齒頂間隙處的通流面積，Z為

18、密封齒數(shù)，下標(biāo)a、b為密封前、后的幾何位置。 ，k為等熵指數(shù)，如空氣的等熵指數(shù)k=1.4,B=0.684。臨界壓力比的確定：2） 輪蓋密封的漏氣量及漏氣損失系數(shù)輪蓋密封處的漏氣能量損失使葉輪多消耗機(jī)械功，它應(yīng)包括在葉輪所輸出的總功之內(nèi)，應(yīng)單獨(dú)計算。因單級葉輪所能達(dá)到的增壓不大，一般達(dá)不到臨界壓力比。應(yīng)用式（3-23）并根據(jù)實(shí)驗(yàn)與分析簡化，可得輪蓋密封處的漏氣量為若通過葉輪出口流出的流量為，則可求得輪蓋處的漏氣損失系數(shù)為式中一般取，Z=46齒，齒頂間隙 ， 。該漏氣損失系數(shù)在計算總能量頭時，將會被用到。 3.1.3.3 輪阻損失產(chǎn)生原因葉輪旋轉(zhuǎn)，輪蓋、輪盤的外緣和輪緣與周圍的氣體發(fā)生摩擦，產(chǎn)生的

19、損失大小：與輪盤的粗糙度，相對側(cè)隙及雷諾數(shù)有關(guān)。利用等厚度圓盤在水中作低速旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，分析計算得輪阻損失功率為：對于離心葉輪，得到：得到輪阻損失系數(shù)思考題：1.離心壓縮機(jī)主要能量損失有哪些？2.流動損失包括哪些損失？3.下列設(shè)計是為了減小哪些流動損失？有葉擴(kuò)壓器；采用翼型葉片；提高葉輪流道的加工精度；增加葉片數(shù)；在葉輪前加可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)葉；4.迷宮密封的特點(diǎn)。5.輪阻損失與哪些因素有關(guān)？3.1.4 多級壓縮機(jī)3.1.4.1 采用多級串聯(lián)和多缸串聯(lián)的必要性 壓縮機(jī)運(yùn)行安全，設(shè)計合理。對于要求增壓比或輸送輕氣體的機(jī)器需要兩缸或多缸串聯(lián)起來形成機(jī)組。 多級串聯(lián)理由：壓縮機(jī)壓比高而單級壓力比低，需采用多級壓

20、縮；多缸串聯(lián)的理由：3.1.4.2 分段與中間冷卻以減少耗功降低氣體的溫度，節(jié)省功率，采用分段中間冷卻器。如果段數(shù)為N，則中間冷卻器的個數(shù)為N-1個。經(jīng)過各段間冷卻器存在壓力損失；中間冷卻器和管道的阻力降，加大功率消耗。因此，要合理選擇壓縮機(jī)的段數(shù)。考慮壓縮機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、冷卻器的布置、輸送冷卻水的泵耗功、設(shè)備成本與環(huán)境條件等綜合因素。采用分段冷卻要考慮下列因素：滿足用戶的要求被壓縮介質(zhì)的特性屬于易燃、易爆（如H2、O2等）則段出口的溫度宜低一些，對于些某化工氣體，因在高溫下氣體發(fā)生不必要的分解或化合等化學(xué)變化，或會產(chǎn)生并加速對機(jī)器材料的腐蝕，這樣的壓縮機(jī)冷卻次數(shù)必需多一些。用戶要求排出的氣體溫

21、度高，以利于化學(xué)反應(yīng)（由氮?dú)浠仙砂保┗蛉紵?，則不必采用中間冷卻，或盡量減少冷卻次數(shù)。段數(shù)確定后，根據(jù)總耗功最小的原則，確定每一段的最佳壓力比。3.1.4.3 級數(shù)與葉輪圓周速度和氣體分子量的關(guān)系（1）減少級數(shù)與葉輪圓周速度關(guān)系葉輪材料強(qiáng)度的限制 不同材料對圓周速度的限制不同。葉輪馬赫數(shù)的限制 氣流的 升高，級效率下降、性能曲線變陡、工況范圍變窄。葉輪相對寬度的限制 相對寬度變小，造成效率下降。減少級數(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊。為滿足要求，需提高葉輪的圓周速度。（2）級數(shù)與氣體分子量的關(guān)系 氣體分子量對馬赫數(shù)的影響因此，壓縮重氣體應(yīng)主要考慮馬赫數(shù)的影響，限制了u2的提高，不考慮葉輪材料的影響；反之，壓縮輕

22、氣體，應(yīng)主要考慮葉輪材料強(qiáng)度的影響。氣體分子量對所需對所需壓縮功的影響由多變壓縮功表示為：說明：多變壓縮功的大小與氣體的分子量和等熵指數(shù)有關(guān)，尤其是對多變壓縮功的影響較大，因此要達(dá)到同樣的壓力比，壓縮重氣體時，所需的級數(shù)少。3.1.5 功率與效率3.1.5.1 單級總耗功、功率和效率（1） 單級總耗功、總功率考慮葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中所消耗的功，故一個葉輪對1kg氣體的總耗功為：則流量為 的總功率為：對于閉式后彎型葉輪，一般 ?？偰芰款^分配如圖所示。（2）級效率按照不同的定義，級效率有以下幾種，分述如下：多變效率 是級中的氣體由 升高到 所需的多變壓縮功與實(shí)際總耗功之比，表示為 通常 ,因而有該式得

23、出，已知多變效率，則可算出多變指數(shù)，反之亦然。同理：等熵效率與等溫效率分別是氣體由壓力 升高到 所需等熵壓縮功或等溫壓縮功與實(shí)際總消耗功之比。（3）多變能量頭系數(shù) 由多變能量頭系數(shù)定義得：上式表明：多變能量頭系數(shù)與葉輪的周速系數(shù)、多變效率、漏氣損失系數(shù)和輪阻損失系數(shù)的相互關(guān)系。在比較效率的高低時，應(yīng)在相同條件下比較并注意：與所指的通流部件的進(jìn)出口有關(guān)。與特定的氣體壓縮熱力過程有關(guān)。與運(yùn)行工況點(diǎn)有關(guān)。通常使用較多的是級的多變效率，其由級的性能實(shí)驗(yàn)獲得，或由與其相似的模型級性能實(shí)驗(yàn)獲得，或由產(chǎn)品性能的資料獲得。效率值的大小也間接反映了能量損失多少的問題。3.1.5.2 多級離心壓縮機(jī)的功率和效率（

24、1）多級離心壓縮機(jī)的內(nèi)功率多級離心壓縮機(jī)所需的內(nèi)功率可表示為諸級總功率之和，即：（2）多級離心壓縮機(jī)的效率多級離心壓縮機(jī)的效率通常指的是內(nèi)效率，而內(nèi)效率是各級效率的平均值。對于帶有中間冷卻的機(jī)器有時還用等溫效率。等溫效率：（3）機(jī)械損失、機(jī)械效率和軸功率機(jī)械損失 在軸承、密封、聯(lián)軸器以及齒輪箱中所引起的機(jī)械摩擦損失。軸功率 原動機(jī)傳遞給壓縮機(jī)軸端的功率，它表示為為機(jī)械效率，其一般隨內(nèi)功率的增大而升高，與傳動形式有關(guān)。 （4）原動機(jī)的輸出功率選擇電機(jī)時，應(yīng)留有足夠的余量，以保證機(jī)器的安全運(yùn)行，故選取原動機(jī)的額定功率一般為：思考題1.葉輪圓周速度的提高受哪些因素的限制？2.壓縮重氣體與輕氣體所需的

25、級數(shù)什么不同？3.總能量頭是如何進(jìn)行分配的？4.已知多變效率如何確定壓縮過程指數(shù)。3.1.6 實(shí)際氣體3.1.6.1 實(shí)際氣體的壓縮性系數(shù)（1）壓縮性系數(shù) 實(shí)際氣體的分子間距較小，當(dāng)氣體溫度進(jìn)一步降低，壓力進(jìn)一步升高，則氣體分子的間距接近于液體分子的間距。工程上常用實(shí)際氣體狀態(tài)方程：式中：Z為壓縮性系數(shù)。對于理想氣體Z=1；對于實(shí)際氣體表示該氣體偏離理想氣體的程度。（2）Z的計算方法根據(jù)對比態(tài)原理，一切氣體在相同的對比壓力 和對比溫度 下，具有相同的對比體積 ，因此具有相同的壓縮性系數(shù)。對于不同分子結(jié)構(gòu)的氣體，壓縮性系數(shù)可表示為對比壓力和對比溫度的不同函數(shù)形式，從而確定壓縮性系數(shù)。實(shí)際我們由對

26、比壓力和對比溫度查通用壓縮性系數(shù)圖來確定Z。但當(dāng)Tcr 2.5時其不再適用。3.1.6.2 實(shí)際混合氣體（1）凱法則 在確定實(shí)際混合氣體的虛擬臨界熱力參數(shù) 和 時，最方便的是凱提出的按摩爾成分加權(quán)的混合法則，它表示為凱法則使用有較大的局限性，僅適用于各組分的臨界壓力和臨界比體積比較接近，任意兩組分的臨界溫度要滿足（2）徐忠法則 為了方便快速且保持相當(dāng)?shù)木_度，徐忠建議使用以下的半經(jīng)驗(yàn)混合法則。（3）極性的混合法則 劉云飛和徐忠提出了適用于包含極性混合物的混合法則。3.1.6.3 實(shí)際氣體的過程指數(shù)與壓縮功 對于實(shí)際氣體，相應(yīng)的壓縮功 3.1.7 三元葉輪的應(yīng)用為滿足離心壓縮機(jī)對增大流量、提高效

27、率、提高單級壓力比，并具有較寬的變工況范圍的要求，研制開發(fā)了三元葉輪。三元葉輪特點(diǎn)：葉片既彎又扭，氣流參數(shù)變化均勻； 液流流動更加符合實(shí)際情況；多變效率達(dá)80%86%； 變工況的工作范圍寬。 3.2 性能、調(diào)節(jié)與控制3.2.1 離心壓縮機(jī)的性能3.2.1.1 性能曲線、最佳工況點(diǎn)與穩(wěn)定工作范圍 （1）性能曲線（特性曲線）在一定轉(zhuǎn)速和進(jìn)口條件下的壓力比與流量、效率與流量的性能曲線。離心壓縮機(jī)工作性能最主要的參數(shù)是壓力比、效率和流量。為將其工作性能形象表示出來，一般以曲線的形式表示，就得到了壓縮機(jī)的性能曲線。性能曲線由實(shí)驗(yàn)確定。工況點(diǎn)級的性能曲線的形成當(dāng)級一定、轉(zhuǎn)速一定，則無限多葉片理論能頭與葉輪

28、入口容積流量成直線關(guān)系。那么對于有限多葉片理論能頭與葉輪入口容積流量仍成直線關(guān)系。對于流動損失，由于無法定量計算，因此：按摩阻損失對待并考慮變工況下的沖擊損失得到了性能曲線Hpolqin，但這一曲線在只在壓縮機(jī)設(shè)計 中使用而工程應(yīng)用中采用更為直觀的qin曲線。經(jīng)換算得：換算得到的qin曲線和Hpolqin曲線形狀相似。性能曲線的一般特點(diǎn)：隨流量的減小，壓縮機(jī)提供的壓力比將增大。在最小流量時，達(dá)到最大。流量和壓力比的關(guān)系是一一對應(yīng)的，流量與其他參數(shù)的關(guān)系也是一一對應(yīng)的。流量有最大和最小兩個極限流量；排出壓力也有最大值和最小值。效率曲線有最高效率點(diǎn)，離開該點(diǎn)的工況效率下降很快。功率曲線一般隨流量增

29、加而向上傾斜，但當(dāng)壓力比流量曲線向下傾斜很快時，功率曲線可能先向上傾斜而后逐漸向下傾斜。（2）最佳工況點(diǎn)性能曲線上的效率最高點(diǎn)稱為最佳工況點(diǎn)，一般是該機(jī)器設(shè)計計算的工況點(diǎn)。（3）不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線因理論能頭正比于轉(zhuǎn)速的平方，同一臺壓縮機(jī)壓縮同一種介質(zhì)、在同樣的進(jìn)氣條件，高轉(zhuǎn)速的曲線在上方。喘振曲線等效率曲線高轉(zhuǎn)速時喘振流量大于低轉(zhuǎn)速的喘振流量。3.2.1.2 壓縮機(jī)的喘振與堵塞（1）壓縮機(jī)喘振的機(jī)理旋轉(zhuǎn)脫離流量減小 邊界層分離 旋轉(zhuǎn)脫離壓縮機(jī)喘振流量進(jìn)一步減小 脫離團(tuán)阻塞葉道 出口壓力顯著下降 倒流 整個壓縮機(jī)系統(tǒng)發(fā)生周期性的低頻大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象，就稱為喘振。現(xiàn)象：級進(jìn)出口參數(shù)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈

30、動，葉片振動，機(jī)器噪音增大。喘振的內(nèi)因：流量過小，小于壓縮機(jī)的最小流量，導(dǎo)致機(jī)內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣體旋轉(zhuǎn)脫離；喘振的外因：管網(wǎng)有一定容積，且壓力高于壓縮機(jī)的排壓，造成氣流倒流，產(chǎn)生大幅度的氣流脈動。脈動的頻率和振幅與管網(wǎng)容量有關(guān)。（2）喘振的危害壓縮機(jī)性能惡化，壓力、效率降低；出現(xiàn)異常噪聲、吼叫和爆音；機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈振動，使得壓縮機(jī)的軸承、密封損壞，轉(zhuǎn)子和固定部件發(fā)生碰撞，造成機(jī)器嚴(yán)重破壞。喘振原因：操作者和運(yùn)行人員的要求：應(yīng)具有備標(biāo)識喘振的壓縮機(jī)性能曲線的能力，隨時了解壓縮機(jī)工況點(diǎn)處在性能曲線圖上的位置；運(yùn)行操作從員應(yīng)了解壓縮機(jī)的工作原理，隨時注意機(jī)器所在的工況位置；熟悉各種監(jiān)測系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的

31、操作，盡量使機(jī)器不致進(jìn)入喘振狀態(tài)。（3）防喘振的措施降低運(yùn)行轉(zhuǎn)速，可使流量減少而不致進(jìn)入喘振狀態(tài)，但出口壓力隨之降低；在首級或各級設(shè)置導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度，使流量減少時的進(jìn)氣沖角不致太大，從而避免發(fā)生喘振。在壓縮機(jī)出口設(shè)置旁通管道，讓壓縮機(jī)通過足夠的流量，以防進(jìn)入喘振狀態(tài)。在壓縮機(jī)進(jìn)口設(shè)置溫度、流量監(jiān)視儀表，出口設(shè)置壓力監(jiān)視儀表，一旦出現(xiàn)異?；虼窦皶r報警；設(shè)有與防喘振控制操作聯(lián)動或與緊急停車聯(lián)動。系統(tǒng)設(shè)計要求：（4）壓縮機(jī)的阻塞工況（最大流量工況）產(chǎn)生原因：流量增大，氣流的沖角達(dá)到較大的負(fù)沖角，在葉片工作面上發(fā)生邊界層分離，葉片做功全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繐p失，壓力不再升高，僅用于維持在該流量下

32、流動；在流道最小截面處出現(xiàn)了聲速，邊界層分離區(qū)急劇擴(kuò)大，壓縮機(jī)達(dá)到了阻塞工況，此時壓力得不到提高，流量不再增大。（5）穩(wěn)定工作范圍在性能曲線上，處于喘振工況和阻塞工況之間的區(qū)域，稱為穩(wěn)定工作范圍。衡量壓縮機(jī)性能好壞，除要求有較高的壓力比和較高的效率外，還有較寬的穩(wěn)定工作范圍。說明：級與多級壓縮機(jī)的性能曲線形狀基本一致，但由于受逐級氣流密度的變化與影響，級數(shù)愈多，壓縮機(jī)的性能曲線愈陡。喘振流量愈大，阻塞流量愈小，穩(wěn)定工作范圍愈窄。3.2.1.3 壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作 （1）管網(wǎng)特性曲線管網(wǎng)特性曲線 :指通過管網(wǎng)的氣體流量與保證這個流量通過管網(wǎng)所需要的壓力之間的關(guān)系曲線，即p=f（qv）曲線。每一

33、種管網(wǎng)都有自己的特性曲線，其決定于管網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)和用戶要求。有三種形式：管網(wǎng)阻力與流量無關(guān)；可用 表示的二次曲線；上面兩種形式的混合。（2）壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作平衡工作點(diǎn)當(dāng)離心壓縮機(jī)向管網(wǎng)輸送氣體時，如果氣體流量和排出壓力相當(dāng)穩(wěn)定（即波動很?。?，說明壓縮機(jī)和管網(wǎng)的性能協(xié)調(diào)，處于穩(wěn)定操作狀態(tài)。壓縮機(jī)性能曲線與管網(wǎng)性能（阻力）曲線的交點(diǎn)稱為平衡工作點(diǎn)。平衡工作點(diǎn)具有的條件：壓縮機(jī)的容積流量等于管網(wǎng)的進(jìn)氣量；壓縮機(jī)提供的排壓等于管網(wǎng)需要的端壓。（3）平衡工況的穩(wěn)定性平衡工況穩(wěn)定工況點(diǎn)與不穩(wěn)定工況點(diǎn)穩(wěn)定工況點(diǎn)的判別：通常壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)位于駝峰曲線的頂點(diǎn)的左支，故曲線左支不再畫出。3.2.1.4 壓縮機(jī)

34、的串聯(lián)與并聯(lián)串聯(lián)：增大氣流的排出壓力；并聯(lián)：增大氣流的輸送流量。不適于管網(wǎng)阻力較大的系統(tǒng)。要求：需保證壓縮機(jī)的特性與管網(wǎng)特性相互匹配，防止使用不當(dāng)出現(xiàn)問題。串聯(lián)和并聯(lián)操作適用于流量或壓力需長時間增加的操作，在風(fēng)機(jī)或離心泵中使用普遍，在壓縮機(jī)不常應(yīng)用。3.2.3 壓縮機(jī)的各種調(diào)節(jié)方法及特點(diǎn)調(diào)節(jié)的目的：使壓縮機(jī)適應(yīng)變工況下操作，保持生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)的方法：等壓調(diào)節(jié)和等流量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)原理：設(shè)法改變壓縮機(jī)的性能曲線和改變管網(wǎng)性能曲線，其實(shí)質(zhì)是改變壓縮機(jī)的工況點(diǎn)。3.2.3.1 壓縮機(jī)出口節(jié)流調(diào)節(jié) 方法：調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口管道中節(jié)流閥門的開度。特點(diǎn)：改變管網(wǎng)阻力特性曲線；減小閥門開度，減小流量，反之亦然

35、；閥門關(guān)小，管網(wǎng)阻力損失增大，系統(tǒng)效率降低；方法簡單，操作方便。僅在風(fēng)機(jī)和小型壓縮機(jī)上采用。3.2.3.2 壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)方法：調(diào)節(jié)進(jìn)口管道中閥門開度。特點(diǎn)：比出口節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)省功率；改變壓縮機(jī)性能曲線的位置，達(dá)到調(diào)節(jié)輸送氣體的流量和壓力的目的；壓縮機(jī)性能曲線向小流量方向移動，使其在更小流量下穩(wěn)定運(yùn)行。帶來一定壓力損失使排氣壓力降低。簡便常用的方法。 3.2.3.3 采用可轉(zhuǎn)動的進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)（又稱進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)） 方法：在葉輪之前設(shè)置進(jìn)口導(dǎo)葉，并用專門機(jī)構(gòu)，使各個葉片繞自身的軸轉(zhuǎn)動，從而改變導(dǎo)向葉片的角度，使葉輪進(jìn)口氣流產(chǎn)生預(yù)旋。分為正預(yù)旋和負(fù)預(yù)旋。特點(diǎn)：改變壓縮機(jī)性能曲線；經(jīng)濟(jì)性好于進(jìn)出口節(jié)

36、流調(diào)節(jié)；機(jī)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用不多，一般只在風(fēng)機(jī)上使用。3.2.3.4 采用可轉(zhuǎn)動的擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié)方法：改變擴(kuò)壓器葉片的進(jìn)口角，適應(yīng)來流角。特點(diǎn)：改變壓縮機(jī)性能曲線；擴(kuò)大了穩(wěn)定工作范圍喘振流量減小，對于等壓下調(diào)節(jié)流量有利；壓力、效率變化小，很少單獨(dú)使用；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。應(yīng)用不多。3.2.3.5 改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法：利用原動機(jī)改變轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)：改變壓縮機(jī)性能曲線位置；流量和壓力的變化較大，擴(kuò)大了穩(wěn)定工況范圍；經(jīng)濟(jì)簡便的方法，不增加附加能量損失，不需改變壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，但驅(qū)動機(jī)必須是可調(diào)速的。3.2.3.6 三種調(diào)節(jié)方法的經(jīng)濟(jì)性比較及聯(lián)合采用兩種調(diào)節(jié) （1）進(jìn)口節(jié)流、進(jìn)氣預(yù)旋和改變轉(zhuǎn)速比較改變轉(zhuǎn)速最為

37、經(jīng)濟(jì)。（2）兩種方法聯(lián)合使用穩(wěn)定工作范圍擴(kuò)大。例如：改變轉(zhuǎn)速和改變擴(kuò)壓器葉片角度對上述調(diào)節(jié)方法做一綜合比較：改變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法，經(jīng)濟(jì)性最好，調(diào)節(jié)范圍廣，適用于蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)。壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)方法，方法簡單，經(jīng)濟(jì)性較好，且具有一定的調(diào)節(jié)范圍，在轉(zhuǎn)速固定的壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等采用。轉(zhuǎn)動進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)范圍較廣，經(jīng)濟(jì)性也好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。轉(zhuǎn)動擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié)方法，使壓縮機(jī)性能曲線平移，對減小喘振流量，擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍很有效，經(jīng)濟(jì)性也好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前該法很少單獨(dú)采用，有時同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法聯(lián)合使用。出口節(jié)流調(diào)節(jié)方法最簡單，但經(jīng)濟(jì)性最差，目前只在通風(fēng)機(jī)和小功率的壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)上使用。同時

38、采用兩種調(diào)節(jié)方法，可取長補(bǔ)短，最有效地擴(kuò)大壓縮機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。3.2.4 附屬系統(tǒng)3.2.4.1 輸送氣體的管網(wǎng)系統(tǒng) 注意設(shè)計計算出管網(wǎng)系統(tǒng)在設(shè)計工況及變工況下，不同流量、流速下的管網(wǎng)系統(tǒng)各部件的阻力壓降，掌握阻力情況。3.2.4.2 增（減）速設(shè)備 3.2.4.3 油路系統(tǒng)設(shè)計時要保證按各用油處能帶走所需要帶走的熱量，考慮阻力降；操作時保證油溫、油壓、清潔。作用：潤滑、冷卻、密封、控制、支承高位油槽：3.2.4.4 水路系統(tǒng)3.2.4.5 檢測系統(tǒng)性能檢測：安全檢測：冷卻器的設(shè)計，冷卻水的使用。保證系統(tǒng)帶走所有的熱量，以使壓縮機(jī)正常工作。目的為機(jī)器安全運(yùn)行、調(diào)節(jié)控制和故障診斷提供基本信息。

39、3.2.5 壓縮機(jī)的控制用于壓縮機(jī)的啟動、停車、原動機(jī)的變轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)工況點(diǎn)保持穩(wěn)定或變工況調(diào)節(jié)，使壓縮機(jī)盡量處于最佳工作狀態(tài)。3.2.2 相似理論在離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用3.2.2.1 相似理論的應(yīng)用價值 按照性能良好的模型級或機(jī)器，快速設(shè)計出性能良好的新機(jī)器；將模型化試驗(yàn)的結(jié)果，換算成設(shè)計條件或使用條件下的機(jī)器性能；相似的機(jī)器可用通用性能曲線表示其性能；使產(chǎn)品系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，利于產(chǎn)品設(shè)計制造，也利于產(chǎn)品的選型使用。利用相似理論中的一些規(guī)律，與試驗(yàn)結(jié)合，有效解決一些復(fù)雜過程的研究和設(shè)計問題：大致有以下四方面用途：相似理論的主要任務(wù)在于揭示滿足相似所需的足夠條件，包括找出決定流動相似的相似

40、準(zhǔn)數(shù)。在離心式壓縮機(jī)中的應(yīng)用有重要意義。對于離心壓縮機(jī)的相似原理，主要是研究氣體在機(jī)內(nèi)接受葉輪外功，進(jìn)行能量交換過程中的流動相似問題。為簡化討論，僅研究理想氣體在一元穩(wěn)定流動中的流動相似：3.2.2.2 離心壓縮機(jī)流動相似應(yīng)具備的條件流動相似：流體流經(jīng)幾何相似的通道或機(jī)器時，其任意對應(yīng)點(diǎn)上同名物理量比值相等，就可認(rèn)為機(jī)器的流動性能相似。相似條件：幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似、熱力相似。為了保證兩機(jī)流動相似必須具備的相似條件對于離心壓縮機(jī)要保持兩機(jī)流動相似必須具備的條件：幾何相似：兩機(jī)通流部件對應(yīng)的線性尺寸之比為常數(shù)，對應(yīng)角度相等。即幾何相似是物理現(xiàn)象相似的先決條件。運(yùn)動相似：流動過程中兩機(jī)對應(yīng)

41、點(diǎn)的同名速度大小成比例，且為一常數(shù)，速度方向角相同 。即實(shí)際上一般只要求葉輪進(jìn)口速度三角形對應(yīng)相似就滿足運(yùn)動相似的要求。動力相似：指兩機(jī)對應(yīng)點(diǎn)上作用的同名力大小成比例，且為一常數(shù)，力的方向?qū)?yīng)相同。判別動力相似的判據(jù)是動力相似準(zhǔn)數(shù)：表示粘性影響的決定性準(zhǔn)數(shù)是雷諾數(shù)；表示可壓縮性影響的決定性準(zhǔn)數(shù)是馬赫數(shù)。在氣體壓縮過程中，氣體參數(shù)的變化受氣體可壓縮性的影響，隨馬赫數(shù)的增大，其影響愈加顯著。所以，要保持兩機(jī)流動相似，各對應(yīng)點(diǎn)的馬赫數(shù)應(yīng)相等。為了簡化以不隨工況改變的機(jī)器特征馬赫數(shù)代替第一級進(jìn)口馬赫數(shù)，即動力相似的條件是兩機(jī)的特征馬赫數(shù)相等。熱力相似：指氣體在兩機(jī)內(nèi)的流動過程中，氣體的熱力過程相似，即兩機(jī)的氣體等熵指數(shù)應(yīng)相等。等熵指數(shù)相等是兩機(jī)相似的必需條件。所以，要保持兩臺離心壓縮機(jī)流動完全相似，必須具備以下相似條件：幾何相似；葉輪進(jìn)口速度三角形相似；特征馬赫數(shù)相等；氣體等熵指數(shù)相等。 3.2.2.3 符合相似條件的性能換算（1）符合相似條件的性能換算（完全相似） 兩臺機(jī)器符合相似條件時，只要知道一臺機(jī)器的性能參數(shù)，就可應(yīng)用相似換算得到另