流體動力過程10

離心壓縮機離心壓縮機的工作原理與離心泵相同，它們都是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使流體得到動能，而后在蝸形的通道中使動能轉(zhuǎn)變成靜壓能。但是，一個單級離心壓縮機的壓縮比（即出口氣體壓力與進(jìn)口氣體壓力之比）很有限，約1.1～1.3。這是因為氣體經(jīng)過一次壓縮后，壓頭可以增加很多，但是由于氣體的密度很小，所以氣體的壓力不會增加很大。因此要使出口氣體具有一定壓力，一般都采取多級離心壓縮機，在第一級中由切線方向排出的壓縮氣體，再從軸向進(jìn)入下一級離心壓縮。目前，高壓離心壓縮機一般都在十級以上。離心壓縮機與離心泵的不同之處是，氣體被壓縮以后，體積變小，密度增加，有放熱的現(xiàn)象，出口氣體溫度升高。因此，在多級離心壓縮機中，氣體經(jīng)過幾級壓縮后，要經(jīng)中間冷卻器使其溫度降下來，然后再繼續(xù)進(jìn)行壓縮。5-2其他常用流體輸送設(shè)備簡介

往復(fù)泵和往復(fù)壓縮機

往復(fù)式流體輸送機械就是利用活塞的往復(fù)運動對流體直接施加壓力。圖1-36是往復(fù)式流體輸送機械的工作原理圖。圖1-36中，活塞由一端移至另一端的距離稱為沖程?；钊鶑?fù)運動至兩端時，都不能與氣缸蓋直接相撞，留有一定的空隙，稱之為余隙。每一個工作循環(huán)包括吸入和排出兩個沖程。由于液體的可壓縮性很小，所以輸送液體的往復(fù)泵，只要設(shè)備能耐住高壓，具有足夠的動力，是可以一次將液體壓到很高壓力的。對于輸送氣體的往復(fù)式壓縮機，若將氣體一次壓縮就壓到很高的壓力（即所謂“壓縮比”很高的時候），會產(chǎn)生下面一系列的問題：（1）“余隙”中的高壓氣體在下一個吸入沖程中會在氣缸內(nèi)膨脹，占據(jù)氣缸一定的體積，影響吸入氣體的量。壓縮比越大，這個影響就越嚴(yán)重。壓縮比超過一定限度，甚至?xí)箽怏w的吸入量為零，此時壓縮機的生產(chǎn)能力也就是零。例如在圖1-37所示的一個吸入沖程中，若余隙體積V2為氣缸體積V1的1/10，在吸入壓力為P1的氣體時，余隙中的高壓氣體積膨脹至，則壓縮比越高，在吸入氣體時語系中高壓氣體膨脹后所占的體積越大。因此對上述的氣缸，若壓縮比為10，則此時余隙中氣體膨脹后充滿氣缸，壓縮機吸入的氣體為零，所以壓縮比不能太大。（2）由于氣體的壓縮過程進(jìn)行地很快，實際上可以把它認(rèn)為是一個絕熱過程，由氣體的熱力學(xué)可以知道，在絕熱壓縮時，氣體的溫度要升高，而且需要外界做的功要比等溫過程大的多。例如，把20[℃]、1.05[大氣壓]（絕壓）的石油裂解氣一次壓縮至36[大氣壓]（絕壓），即壓縮比為36/1.05，裂解氣的出口溫度將是293[℃]。這樣高的溫度，裂解氣要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且設(shè)備材料和潤滑油等也很難符合這樣的要求；同時，這個絕熱壓縮過程需要外界做的功也要比等溫過程增加40％。因此，在往復(fù)式的氣體壓縮機中，單級的壓縮比不能過高，一般在2～3左右。若要將氣體壓縮至很高的壓力，都是采取多級（段）壓縮的辦法，即經(jīng)第一級壓縮的氣體再進(jìn)入下一級壓縮，級與級之間有中間冷卻器，使氣體的溫度降低，整個壓縮過程接近等溫過程。燃?xì)廨啓C基本工作原理：

燃?xì)廨啓C是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃?xì)馔苿訙u輪機械連續(xù)做功的大功率、高性能動力機械。它主要是由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進(jìn)氣、排氣、控制、傳動和其他輔助系統(tǒng)。當(dāng)燃?xì)廨啓C機組起動成功后，燃?xì)廨啓C就會開始進(jìn)入穩(wěn)定的熱力學(xué)循環(huán)過程。壓氣機連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，這個過程可以認(rèn)為是壓氣機動能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進(jìn)行更猛烈的化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒后釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機出來后即進(jìn)入燃燒室，首先會在燃燒室進(jìn)口被噴入燃料進(jìn)行摻混，然后就會點火燃燒。這個過程可以認(rèn)為是燃料化學(xué)能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，在短短幾十厘米的距離內(nèi)空氣的溫度上升數(shù)百甚至上千度，壓力也會激增。高溫高壓的燃?xì)鈴娜紵页隹趪姵?，就開始膨脹，在膨脹的同時推動渦輪葉片做功。這個過程就是燃?xì)鉄崮芎蛣菽芟騽幽艿霓D(zhuǎn)化。渦輪將燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)化為動能后，一方面用于壓氣機壓縮空氣持續(xù)進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)，另外一方面由主軸將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出，經(jīng)過減速器減速以后用于推動軍艦。整個熱力學(xué)循環(huán)完成使得燃?xì)廨啓C實現(xiàn)了燃料化學(xué)能向機械能轉(zhuǎn)換的最終目的。旋渦泵旋渦泵是一種特殊類型的離心泵（見圖1-39）。泵殼成圓形，吸入口不在泵的軸向，而在泵頂部與排出口并列，它的葉輪是一個圓盤，四周銑出凹槽，葉片成輻射狀排列，如圖1-39(a)所示，泵內(nèi)部的情況如圖-39(b)所示，葉輪1上有葉片2，葉輪在泵殼3內(nèi)轉(zhuǎn)動，其間有環(huán)形通道4，吸入口和排出口之間有間隔隔開，間壁和葉輪之間只有很小的間隙，以防液體倒流。旋渦泵的葉輪在充滿液體的泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，將凹槽內(nèi)的液體向切線方向拋出，在凹槽近軸的一方造成低壓，使通道4內(nèi)的高壓液體又一次進(jìn)入凹槽，再度受葉輪旋轉(zhuǎn)的離心作用。泵內(nèi)液體在隨葉輪旋轉(zhuǎn)的同時，在通道4與葉片2間反復(fù)做旋渦狀運動。因為多次進(jìn)行了動能和靜壓能的轉(zhuǎn)換，所以有較高的揚程。旋渦泵的特點：(1)在小流量時可以有較高的揚程。同樣的流量條件下，旋渦泵的揚程可以比離心泵高2～4倍；(2)流量減小時消耗的功率增加得很快。所以旋渦泵不能像離心泵那樣，在出口管上直接安裝閥門來調(diào)節(jié)流量，而要在出口管路上安裝支路閥門，泵的排液量總是一定的，由控制“放空”的量來調(diào)節(jié)管路上的流量（見圖1-40）。旋渦泵的這些特點很像一個正位移式的泵（例如往復(fù)泵），但是它的結(jié)構(gòu)卻比往復(fù)泵簡單的多。齒輪泵齒輪泵如圖1-41所示。它是由兩個相向旋轉(zhuǎn)又相互嚙合的齒輪所組成，其中一個齒輪與電動機相連，是主動輪，另一個是被動輪。當(dāng)兩齒輪轉(zhuǎn)動時，齒與齒分來的一側(cè)可以吸入液體。被吸入的液體分兩路在齒輪與泵殼的空隙中被齒輪推著前進(jìn)。當(dāng)齒與齒重新嚙合時，液體被擠出，由排液口排出。齒輪泵的特點是流量小，壓頭大，可以輸送高粘度的液體（如潤滑油、石蠟等等）。由于齒輪間相互嚙合及齒輪與泵殼將的縫隙很小，齒輪泵不適于輸送含固體顆粒的液體。齒輪泵的流量的調(diào)節(jié)應(yīng)與正位移式的泵相同，由支路閥門調(diào)節(jié)。螺桿泵螺桿泵是靠旋轉(zhuǎn)著的螺紋斜面直接對液體施加壓力，是一種“正位移式”的泵。螺桿泵的結(jié)構(gòu)如圖1-42所示，主動螺桿伸出泵殼與電機相連。主動螺桿（轉(zhuǎn)子）與從動螺桿具有不同型式的螺紋，如果前者具有右螺紋，則后者具有左螺紋。從動螺桿是通過齒輪由主動螺桿帶動。

當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時，液體被擠壓在兩個螺桿的螺紋嚙合所形成的空隙里，并且沿著螺紋斜面向前推進(jìn)，直至排出口。這種泵適用于輸送粘度極高的液體，隨著高分子工業(yè)的發(fā)展，這種類型的泵使用地越來越多。螺桿泵與齒輪泵相比，螺桿泵的壓頭可以更高，可以達(dá)到175[大氣壓]，但流量可以比齒輪泵大得多。另外，螺桿泵的效率比齒輪泵高，其效率可達(dá)80-90％。水環(huán)泵水環(huán)真空泵簡圖如圖1-43所示。外殼1中偏心地裝有葉輪，葉輪上有輻射狀的葉板2。泵內(nèi)充有一半容器的水，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，形成了水環(huán)。水環(huán)具有液封的作用，使葉板和殼體之間形成許多大小不同的空室。當(dāng)空室逐漸增大時，氣體被吸入，當(dāng)空室逐漸縮小時，氣體被壓出。噴射泵噴射泵的工作原理是：工作流體（如高壓蒸汽、高壓水等等）在經(jīng)過直徑很小的噴嘴時，流速增加很多，工作流體的靜壓能大部分都轉(zhuǎn)化為動能，造成了負(fù)壓，從而把系統(tǒng)中的流體吸入，被吸入的流體又被高速的工作流體夾帶著，很快地排出系統(tǒng)以外。噴射泵地特點是沒有運動部分，不易損壞。圖1-44為蒸汽噴射泵示意圖。

單級蒸汽噴射泵僅可以達(dá)到90％的真空，如果要獲得95％以上的真空，則需采用多級蒸汽噴射泵。多級蒸汽噴射泵的余壓范圍如下：單級蒸汽噴射泵～100[毫米汞柱]

二級蒸汽噴射泵120～20[毫米汞柱]

三級蒸汽噴射泵25～4[毫米汞柱]

四級蒸汽噴射泵6～0.3[毫米汞柱]

五級蒸汽噴射泵1～0.05[毫米汞柱]

蒸汽噴射泵的蒸汽消耗量大，效率較低，只有在要求真空系統(tǒng)余壓小于30～40[毫米汞柱]時使用才較為經(jīng)濟。實驗室用滑板式真空泵

實驗室用的滑板式真空泵如圖1-45所示，其主要部件式一個旋轉(zhuǎn)的偏心輪（或叫做轉(zhuǎn)子）和一個用彈簧壓緊的可以上下滑動的滑板?；鍖⒈脷づc轉(zhuǎn)子間的空隙分成兩部分。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，吸入端的空隙逐漸擴大，將真空系統(tǒng)中的氣體吸入；壓出端的空隙逐漸減小，將吸入的氣體排出。實驗室用的二級滑板式真空泵，一般可使真空系統(tǒng)達(dá)到10-3[毫米汞柱]的余壓。在使用時要注意，在真空泵和真空系統(tǒng)之間要有氣體的凈化裝置，以防止腐蝕性氣體或蒸汽進(jìn)入真空泵中，這些腐蝕性氣體會腐蝕泵的零件或破壞真空油的性能。另外，在操作時要經(jīng)常檢查油面，并及時更換真空油。補充知識點：真空技術(shù)（選自許小紅、武海順編著《壓電薄膜的制備、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用》，科學(xué)出版社，2002年）

真空分類：粗真空（1×105～1×102Pa）低真空（1×102～1×10-1Pa）高真空（1×10-1～1×10-6Pa）超高真空（＜1×10-6Pa）種類原理工作壓強范圍機械泵油封機械泵（單級）油封機械泵（雙級）分子泵羅茨泵利用機械力壓縮排除氣體大氣壓～1Pa大氣壓～10-2Pa10-1

～10-7Pa103

～10-3Pa蒸氣噴射泵水銀擴散泵油擴散泵油噴射泵靠蒸氣噴射的動量把氣體帶走1