離心式壓縮機(jī)原理教程

1、    離心式壓縮機(jī)原理教程 §1  離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用排氣壓力超過34.3×104N/m2以上的氣體機(jī)械為壓縮機(jī)。壓縮機(jī)分為容積式和透平式兩大類，后者是屬于葉片式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，又分為離心式和軸流式兩種。透平式主要應(yīng)用于低中壓力，大流量場(chǎng)合。離心式壓縮機(jī)用途很廣。例如石油化學(xué)工業(yè)中，合成氨化肥生產(chǎn)中的氮，氫氣體的離心壓縮機(jī)，煉油和石化工業(yè)中普遍使用各種壓縮機(jī)，天然氣輸送和制冷等場(chǎng)合的各種壓縮機(jī)。在動(dòng)力工程中，離心式壓縮機(jī)主要用于小功率的燃?xì)廨啓C(jī)，內(nèi)燃機(jī)增壓以及動(dòng)力風(fēng)源等。離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。高壓的離心壓縮機(jī)由多

2、級(jí)組成，為了減少后級(jí)的壓縮功，還需要中間冷卻，其主要可分為轉(zhuǎn)子和定子兩大部分。分述如下：1.轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由主軸、葉輪、平衡盤、推力盤、聯(lián)軸器等主要部件組成。2.定子。由機(jī)殼、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、軸承和蝸殼等組成。圖8-1  離心式壓縮機(jī)縱剖面結(jié)構(gòu)圖(1:吸氣室 2:葉輪 3:擴(kuò)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(lián)軸節(jié) 14:卡環(huán) 15:主軸 16:機(jī)殼 17:軸承 18:推力軸承 19:隔板 20:導(dǎo)流葉片 ) §2  離心式壓縮機(jī)的基本方程一、歐拉方程離心式壓縮

3、機(jī)制的流動(dòng)是很復(fù)雜的，是三元，周期性不穩(wěn)定的流動(dòng)。我們?cè)谥v述基本方程一般采用如下的簡(jiǎn)化，即假設(shè)流動(dòng)沿流道的每一個(gè)截面，氣動(dòng)參數(shù)是相同的，用平均值表示，這就是用一元流動(dòng)來處理，同時(shí)平均后，認(rèn)為氣體流動(dòng)時(shí)穩(wěn)定的流動(dòng)。根據(jù)動(dòng)量矩定理可以得到葉輪機(jī)械的歐拉方程，它表示葉輪的機(jī)械功能變成氣體的能量，如果按每單位質(zhì)量的氣體計(jì)算，用表示，稱為單位質(zhì)量氣體的理論能量：                    

4、60;                       （8-1）式中和分別為氣體絕對(duì)速度的周向分量，和葉輪的周向牽連速度，下標(biāo)1和2分別表示進(jìn)出口。利用速度三角形可以得到歐拉方程的另一種形式：                

5、;                  （8-2）二、能量方程離心式壓縮機(jī)對(duì)于每單位質(zhì)量氣體所消耗的總功，可以認(rèn)為是由葉輪對(duì)氣體做功，內(nèi)漏氣損失和輪組損失所組成的。 首先根據(jù)能量守恒定律可以得到：                  （8-3）式中為輸入

6、的熱量，為內(nèi)能，為 壓能，為動(dòng)能。那么（8-3）式表示：葉輪對(duì)氣體所做功，加上外界傳入的熱量等于壓縮機(jī)內(nèi)氣體的內(nèi)能，壓能和動(dòng)能的增加之和?？梢园褍?nèi)漏氣損失和輪阻損失看成是傳入到氣體內(nèi)的熱量，因?yàn)閾p失和轉(zhuǎn)化成熱量會(huì)使機(jī)內(nèi)氣體的溫度升高。那么：                            (8-4)就會(huì)得到 &#

7、160;               （8-5）那么壓氣機(jī)所做的總功等于氣體的焓增和動(dòng)能的增加。三、伯諾里方程對(duì)于可壓縮的氣體，壓縮機(jī)中的伯諾里方程可以用下式表示：                        

8、0;              （8-6）式中：為壓縮機(jī)中從進(jìn)口1到出口2之間的流動(dòng)損失，積分表示壓縮機(jī)壓縮過程的壓縮功，與變化的過程有關(guān)。（8-6）式可以從熱力學(xué)第一定律和能量方程（9-3）式得出，熱力學(xué)第一定律的微分形式為：                    &

9、#160;             (8-7)即系統(tǒng)能量的增加等于傳入的熱量與絕對(duì)功之和，其中為比容，積分（8-7）式得到：                             

10、0;                              （8-8）其中                      

11、0;                                                  

12、60;                                                 

13、60;             (8-9)是流動(dòng)損失，、為出口和進(jìn)口的焓。上兩式與式（8-4）（8-5）結(jié)合可以得到式（8-6）式，（8-6）與式（8-2）比較，得出：                          

14、      （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(jìn)出口的動(dòng)能減少和離心力所做的功()組成，并且要減去流動(dòng)損失部分。壓縮功與葉輪中的氣體變化過程有關(guān)。1  等溫過程。用表示壓縮功                （8-11）2  絕熱過程對(duì)于完全絕熱過程，。其過程方程為：=常數(shù)     

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

16、60;          （8-13）四、壓縮過程在TS圖上的表示熱力學(xué)第二定律的表達(dá)式為：                                   

17、0;             （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）                              

18、;                圖8-2(b) 同樣，從過程起點(diǎn)1至終點(diǎn)2，熱量為：q12=     如圖8-2(b)所示，為吸入熱量根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以得出：                   

19、0;                （8-15）對(duì)于等壓過程：常數(shù)，故有：                               &#

20、160;         （8-16）                  （8-17）由式（8-16）可知等壓過程在ST圖上為對(duì)數(shù)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(dāng)從至點(diǎn)時(shí)（），即從圖8-4上的1點(diǎn)至點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)該傳出熱量，其值由圖8-4中的面

21、積表示，即：                                        （8-18）式（8-18）表示傳出的熱量為等溫過程中的壓縮功。圖8-4  等溫過程線2  絕熱過程

22、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(shí)沒有流動(dòng)損失，即那么dS0，S常數(shù)，故又稱為等熵過程，此時(shí)壓縮功可表示為：                       （8-19）即相當(dāng)于等壓壓縮從至，也相當(dāng)于所圍的面積，同時(shí)可以看出：所以等熵壓縮功大于等溫壓縮功，差值為，這是由于等熵壓縮的終點(diǎn)溫度高，壓縮功就必然大。3  多變過程實(shí)際的壓

23、縮過程比較復(fù)雜，可用多變過程表示，在多變過程中，為了簡(jiǎn)單分別討論：a在多變過程中存在流動(dòng)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                 &#

24、160;           (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(dòng)能變化時(shí)，為所圍的面積，在圖8-5（a）中流動(dòng)損失所做的功即為損失轉(zhuǎn)化為熱量傳入系統(tǒng)，此熱量為。當(dāng)有熱量傳入時(shí)，總功為：        

25、;            （8-22）當(dāng)不考慮動(dòng)能變化時(shí)，此時(shí)即為所圍的面積。此時(shí)圖8-中為。b有熱交換的多變過程，考慮比較簡(jiǎn)單的，的情況，可用圖8-5（b）中的曲線12表示，此時(shí)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(dòng)能變化時(shí)，                   &#

26、160;                                  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(duì)于壓縮機(jī)的一個(gè)工作級(jí)，其理論功率可用表示：       

27、60;    (w)，為有效質(zhì)量流量。同理，總功率為：                            式中：為輪阻損失功率，為漏氣損失。             

28、                          （8-21a）可用下式表示：其中：和那么：  那么總功率為： (kw)                

29、60;            （8-21b）輪阻功率為：                 (kw)                    &

30、#160;             （8-21c）漏氣功率為： (kw)                                   

31、0;         (8-21d)六、滯止參數(shù)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(shù)，那用表示時(shí)，總功可以寫成：    

32、;     （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(dòng)中，那么如果有流動(dòng)損失存在，故在絕熱流動(dòng)中存在，使減少，那么七、壓縮機(jī)效率的表達(dá)式由于壓縮機(jī)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：                     

33、0;                       （8-23a）其中                     多變效率     &

34、#160;    （8-23b）當(dāng)忽略的動(dòng)能變化時(shí)：                                           &

35、#160;      （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(dòng)能變化時(shí)：                          &

36、#160;                    （8-24b）                       （8-25a）     

37、60;                             (8-25b)此時(shí)：                   

38、0;                                                   &#

39、160;                                            (8-26)3  等溫效率和流動(dòng)效率等溫效率為：   

40、                                             （8-27）流動(dòng)效率為：    

41、;                         （8-28） §3    壓縮機(jī)內(nèi)的基本過程變化 圖8-6  離心式壓縮機(jī)簡(jiǎn)圖    離心式壓縮機(jī)的每一個(gè)工作級(jí)一般由（1）、進(jìn)氣道；（2）、葉輪分導(dǎo)風(fēng)輪和工作輪組成；（3）、無葉擴(kuò)壓器2233；（4）、葉片

42、擴(kuò)壓器3355（44斷面為葉片擴(kuò)壓器喉部截面）；（5）、集氣管等組成（55有時(shí)表示集氣管出口）。葉輪進(jìn)口直徑為 (和分別為進(jìn)口輪緣和輪轂直徑)。各部分的氣動(dòng)參數(shù)變化如圖8-7所示。圖8-7  壓氣機(jī)多部分參數(shù)的變化壓縮機(jī)工作級(jí)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(jī)進(jìn)氣道進(jìn)氣道從至11，進(jìn)氣道的滯止壓力為，葉輪進(jìn)口的滯止壓力為，如圖8-8所示，由于有流動(dòng)損失 <，可以認(rèn)為在進(jìn)氣道的膨振過程由點(diǎn)至1點(diǎn)，1點(diǎn)（點(diǎn)）的熵值大于的熵值，流動(dòng)損失使的內(nèi)能加大，而滯止焓     

43、               而                                   

44、0;          可以認(rèn)為                                        

45、;          （8-29）圖8-8  離心機(jī)壓縮機(jī)級(jí)的焓熵圖2  工作級(jí)間的等熵壓縮過程現(xiàn)在考慮工作級(jí)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(dòng)損失于外界的熱交換。在整個(gè)工作級(jí)中，從葉輪進(jìn)口1點(diǎn)到擴(kuò)壓器出口5點(diǎn)，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(diǎn)至2I點(diǎn)，在全部擴(kuò)壓器中為2I點(diǎn)至。3  級(jí)中實(shí)際壓縮過程實(shí)際上空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)過程存在著流動(dòng)損失，所以實(shí)際上葉輪出口狀態(tài)2點(diǎn)的溫度比等熵壓縮2I點(diǎn)的溫度I高。這

46、樣全部擴(kuò)壓器中的等熵過程線不是2I至點(diǎn)，而是圖8-8中的2點(diǎn)至點(diǎn)。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，                                       （8-30）葉輪

47、出口氣體的動(dòng)能為。如果在擴(kuò)壓器全部等熵的轉(zhuǎn)變成壓力能的話，那么擴(kuò)壓器出口的靜壓力為，即圖8-9上的點(diǎn)，但這實(shí)際上是不可能的，因?yàn)閿U(kuò)壓器中的實(shí)際擴(kuò)壓過程中存在流動(dòng)損失和余速損失。擴(kuò)壓器中的實(shí)際擴(kuò)壓線為2點(diǎn)至5點(diǎn)。擴(kuò)壓器中出口靜壓為，而滯止壓力為，即點(diǎn)，而 <但是點(diǎn)和點(diǎn)的總焓相等                           &#

48、160;              （8-31）相當(dāng)于上述各狀態(tài)的壓縮功表示如下：（1）、1點(diǎn)至2點(diǎn)，或1點(diǎn)至5點(diǎn)的多變壓縮功如（8-20）式所示。（2）、從點(diǎn)至點(diǎn)多變壓縮功（滯止功），包括靜壓壓縮功以及動(dòng)能的變化用表示：           （8-32a）（3）、從點(diǎn)至點(diǎn)的等熵壓縮總功為：       &#

49、160;            (8-32b）葉輪的反作用度為：               （8-33） §4  進(jìn)氣道進(jìn)氣道的形式有三種：軸向進(jìn)氣，徑向軸向進(jìn)氣，彎管進(jìn)氣。當(dāng)進(jìn)氣需有予旋時(shí)，進(jìn)氣管安裝靜止導(dǎo)葉。一、管內(nèi)氣動(dòng)參數(shù)的決定1  進(jìn)口截面處的氣流參數(shù)該處的滯止氣流參數(shù)就等于環(huán)境的氣體參數(shù)： 

50、60;                    由能量方程，并忽略與外界的熱交換后有：                           &

51、#160;                 （8-34）                                

52、           （8-35）由于進(jìn)口的速度值較小，所以計(jì)算中常用：，                   2  出口截面11處的氣流參數(shù)，              

53、0;                (8-36)                                  (8-37)為

54、了使進(jìn)氣均勻，減少流動(dòng)損失，進(jìn)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(shù)一般為1.371.39。主要與進(jìn)氣道的流動(dòng)損失有關(guān)，流動(dòng)損失為：                             

55、0;              (8-38)式中進(jìn)氣道的流動(dòng)損失系數(shù)，它與進(jìn)氣道的形式，長(zhǎng)度，進(jìn)出口面積之比有關(guān)。軸向進(jìn)氣道0.050.1。徑向一軸向進(jìn)氣道為0.10.2。求以后，可以求出                    (8-39)已求出   

56、0;                                           （40）滯止參數(shù)為：      

57、;                    一般可以選取=(8-0.9750.995) (8-0.9750.995)  §5  葉輪壓氣機(jī)葉輪一般分為兩部分：前一部分為導(dǎo)風(fēng)輪，后一部分叫工作輪。這是由于壓氣機(jī)葉片前緣部分彎曲較大，形狀復(fù)雜。大型的壓氣機(jī)為了便于制造把前后二部分分開制造，而形成兩個(gè)輪子。尤其實(shí)對(duì)于徑向直葉片的工作輪，前面設(shè)導(dǎo)風(fēng)輪是必要的。因?yàn)槿~輪進(jìn)口處從輪轂到輪緣的

58、半徑是變化的，圓周速度也就是變化的，那么進(jìn)口氣流角是變化的。全進(jìn)口葉片角為，那么                              (8-41)式中為沖角，那么葉輪進(jìn)口葉片角也是變化的。圖8-9  葉輪導(dǎo)風(fēng)輪也是一個(gè)擴(kuò)張性流道，出口速度大于進(jìn)口速度，故氣體靜壓有所提高。葉數(shù)的結(jié)構(gòu)形式分為以下

59、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(qiáng)度不夠，使葉輪的轉(zhuǎn)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(qiáng)度和剛度均好，可達(dá)到450540m/s圓周速度，用于高壓比，高轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)中，在內(nèi)燃機(jī)的透平增壓器和小功率燃?xì)廨啓C(jī)中得到廣泛應(yīng)用。（3）、此外還有雙進(jìn)氣葉輪，全開式葉輪。一、葉道中的流動(dòng)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(shè)空氣的軸向進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)輪，以徑向流出工作輪，并假定葉輪上的葉片點(diǎn)有無限多個(gè)?？諝庋厝~片角形狀流動(dòng)，進(jìn)出口速度沿圓周方向均勻分布；那么     &#

60、160;                                                  &

61、#160;                                             （8-42）下標(biāo)”表示無限多葉片假設(shè)下的理論化。引入壓頭系數(shù)

62、：                                                   （8-

63、43）表示理論壓頭系數(shù)，表示滯止絕熱壓頭系數(shù)，表示了葉輪圓周速度利用的有效程度。對(duì)于無預(yù)旋進(jìn)口：                                  （8-44）在無限多葉片時(shí)，理論壓頭系數(shù)      &#

64、160;                           （8-45）為葉片出口角，在無限多葉片時(shí)，同樣可以畫出于通風(fēng)機(jī)相似的及的關(guān)系曲線。在求的的情況下，前彎葉片理論的壓頭系數(shù)最大，后彎葉片的最小。由壓氣機(jī)級(jí)的反作用度定義：         &

65、#160;                 （8-46a）                      (8-46b)由此可知：徑向葉片  ，后彎葉片反作用度大，而前彎反作用小。這樣前彎葉片所做的功主要轉(zhuǎn)輪為空氣的動(dòng)能，這

66、部分動(dòng)能要在擴(kuò)壓器和集氣管中轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力能。而固定擴(kuò)壓器中產(chǎn)生邊界層的脫流，流動(dòng)損失很大。此外前彎葉片的工作應(yīng)力較大，不能很高，故在一般壓氣機(jī)中不使用前彎葉片。圖 8-10由于出口有限葉片數(shù)的影響，使氣體出口的相對(duì)速度較向后滑移了從而使， 葉輪對(duì)空氣做功的能力，引入滑移系數(shù)                          &#

67、160;               （8-47a）對(duì)于徑向葉輪：                                 （8-4

68、7b）是葉片數(shù)，對(duì)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(fēng)損失轂風(fēng)環(huán)流損失，如圖8-11所示，在開式葉輪的輪緣側(cè)和輪轂側(cè)的輪盤面外均形

69、成了轂風(fēng)環(huán)流，即（漏氣損失）圖8-11轂風(fēng)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(huì)形成從壓力面到吸力面的橫向流動(dòng)用表示。圖8-12 潛流損失計(jì)算上述各項(xiàng)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(shí)驗(yàn)系數(shù)來計(jì)算葉輪出口轉(zhuǎn)盤的摩擦功率                          

70、60;                           （8-48）式中，是摩擦系數(shù)。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(shí)的輪盤損失功為：     

71、60;                                         （8-49a）        &

72、#160;                (8-49b)令                                

73、0;                                          （8-50）當(dāng)葉輪幾何尺寸及轉(zhuǎn)速確定后，軟盤損失系數(shù)隨流量增加而減少。0.0250.07由于輪盤損失的存在，實(shí)際驅(qū)動(dòng)葉輪所需要的外功大于：          &