過程流體機械課件,過程裝備要控制工程,離心壓縮機1

過程流體機械——離心壓縮機第三章離心壓縮機

主要內(nèi)容一離心壓縮機的典型結構二離心壓縮機的工作原理三離心壓縮機的性能、調(diào)節(jié)與控制四離心壓縮機的可靠性五離心壓縮機的選型一離心壓縮機的典型結構1.離心壓縮機的定義離心壓縮機：通過旋轉葉輪，使氣體主要沿徑向離心力方向流動，從而提高氣體的壓力和動能，最終將機械能轉變成氣體的壓力能的機器。一離心壓縮機的典型結構

轉子部分：軸、葉輪、平衡盤、軸套、聯(lián)軸器等。定子部分：機殼、氣體流道部分（擴壓器、彎道、回流器、蝸殼）、密封、軸承等。2.離心壓縮機的基本結構級：是離心壓縮機實現(xiàn)氣體壓力升高的基本單元，由一個葉輪和一組與其相配合的固定元件組成。段：每一進氣口到排氣口之間的“級”組成一“段”，每個“段”通常由一個或幾個“級”組成。（1）離心壓縮機的“級”和“段”注：“段”之間設置中間冷卻器，以減少功耗。單級離心式制冷壓縮機結構示意圖一離心壓縮機的典型結構（兩段七級）離心壓縮機結構示意圖一離心壓縮機的典型結構

離心式壓縮機一級的氣體流道一離心壓縮機的典型結構

一離心壓縮機的典型結構（2）離心壓縮機”級”的組成“級”的類型：首級：吸氣室、葉輪、擴壓器、彎道、回流器中間級：葉輪、擴壓器、彎道、回流器末級：葉輪、擴壓器、排氣蝸室

首級中間級末級

一離心壓縮機的典型結構吸氣室：將氣體從進氣管均勻導入葉輪入口，以減少氣體進入葉輪時的流動損失。葉輪：是壓縮機最重要的部件，高速回轉的葉輪對氣體作功而使氣體獲得能量（動能和壓力能）。擴壓器：由兩個垂直葉輪軸的平行壁面形成的環(huán)形通道。從葉輪流出的高速氣體，通過流通截面逐漸擴大的擴壓器時，部分動能轉化為壓力能（降速增壓）。彎道：把從擴壓器出來的氣體由離心方向改變?yōu)橄蛐姆较?，以便引導到下一級繼續(xù)進行壓縮。回流器：可使氣體以一定的方向均勻地進入下一級葉輪的入口。蝸殼：將氣流匯集起來引出壓縮機；對氣體有降速擴壓作用。“級”的典型結構及特點：一離心壓縮機的典型結構（3）離心葉輪的結構形式閉式葉輪：由輪盤、葉片、輪蓋組成。漏氣量小，效率高；但強度低，影響了葉輪圓周速度的提高，單級壓力比較低。半開式葉輪：由輪盤和葉片組成。葉輪強度高，可獲得高的單級壓力比；但漏氣量大，效率低。雙面進氣葉輪：流量大，葉輪軸向力可得到平衡。一離心壓縮機的典型結構葉輪結構分類：

閉式葉輪半開式葉輪雙面進氣葉輪一離心壓縮機的典型結構

按葉片類型分類：即按葉片出口角β2A前彎型（β2A>90）后彎型（β2A<90）徑向型（β2A＝90）一離心壓縮機的典型結構

（4）擴壓器的結構形式擴壓器一般分為無葉擴壓器、葉片擴壓器兩種。無葉擴壓器：

由兩個平行壁面構成的環(huán)形通道。氣體從葉輪中排出，經(jīng)過該環(huán)形通道時降速增壓。是一種結構最簡單的擴壓器，造價低，變工況適應性好。葉片擴壓器：

在無葉擴壓器的環(huán)形通道上，沿圓周安裝均布的葉片，就構成葉片擴壓器。具有擴壓程度大、結構尺寸小的優(yōu)點；缺點是變工況性能差。一離心壓縮機的典型結構

（5）平衡盤軸向力產(chǎn)生原因：葉輪兩側間隙內(nèi)氣體壓力分布不對稱，使作用在葉輪兩側的力不平衡所產(chǎn)生的軸向力；氣體以一定速度沿軸向進入葉輪，而后改為徑向流入葉輪通道，其速度大小和方向的改變，對葉輪產(chǎn)生一個軸向動反力。軸向力一離心壓縮機的典型結構

平衡原理：

平衡盤安裝在高壓端。一側受末級葉輪出口的氣體壓力；另一側與吸氣室相接。平衡盤外緣與氣缸間設有迷宮密封，使平衡盤兩側保持壓差，產(chǎn)生一個與轉子的軸向力方向相反的平衡力。軸向力平衡力

一離心壓縮機的典型結構（6）離心壓縮機的其它組成部分密封件：輪蓋密封；級間密封；軸端密封。非接觸式的迷宮密封；機械密封；浮環(huán)油膜密封軸承：小型——滾動軸承其它——動壓滑動軸承：支撐軸承和止推軸承冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)

一離心壓縮機的典型結構優(yōu)點：流量大；轉速高；結構緊湊；運轉可靠，維修方便。3.離心壓縮機的特點缺點：單級壓力比不高，高壓力比所需的級數(shù)比活塞式的多；不能適用于太小流量工況；價格高。

氣體在葉輪中的流動及速度離心壓縮機的基本方程級內(nèi)的各種能量損失多級壓縮功率與效率主要內(nèi)容二離心壓縮機的工作原理二離心壓縮機的工作原理（1）氣體在葉輪中的流動假設條件：流道中任意點的氣流參數(shù)不隨時間變化，即是穩(wěn)定流動；流道中與流速相垂直的任意截面上的氣流參數(shù)相同，即當作一元流動。1.氣體在葉輪中的流動及速度

在假設條件下，離心式壓縮機內(nèi)的氣體流動可作為一元穩(wěn)定流動，即氣體的參數(shù)（速度、壓力、溫度等）只與流道的長度有關。

離心式壓縮機內(nèi)的實際氣體流動過程，是三元不穩(wěn)定流動。

（a）相對速度（b）圓周速度（c）絕對速度（牽連速度）（2）氣體在葉輪中的速度——速度三角形α1和α2：絕對速度的方向角β1和β2：相對速度的方向角進出口的速度三角形C2rC2uC1rC1u二離心壓縮機的工作原理

三種類型葉輪的速度三角形（a）后彎型（b）徑向型（c）前彎型二離心壓縮機的工作原理二離心壓縮機的工作原理（1）連續(xù)方程——質量守恒定律在流體力學中的表達在氣體作穩(wěn)定一元流動的情況下，流經(jīng)機器任意截面的質量流量相等。b2/D2：葉輪出口的相對寬度。D2為葉輪的外徑；b2為葉輪出口的軸向寬度ψ2r＝c2r/u2：葉輪的流量系數(shù)；u2：葉輪出口的圓周速度；n:葉輪轉速；τ2：葉輪出口的通流系數(shù)，與葉片數(shù)、葉片厚度、安裝角度等參數(shù)有關?；痉匠蹋喝~輪出口的連續(xù)方程反映了流量與葉輪幾何尺寸及氣流速度的相互關系。2.基本方程葉輪出口方程：

（2）歐拉方程——葉輪機械的基本方程歐拉方程用于計算葉輪機械能與流體能量的轉換。其中，Lth：即葉輪對流經(jīng)的單位質量(1kg)氣體所作的理論功，稱為歐拉功Hth：即流過葉輪的單位質量(1kg)氣體理論上所接受的能量，稱為理論能量頭，kJ/kg歐拉方程：二離心壓縮機的工作原理歐拉第二方程：說明：第一項——氣體由于離心慣性力在葉輪中獲得的靜壓能增量。

第二項——氣體在葉輪流道中由于降速引起的靜壓能增量。

第三項——氣體經(jīng)過葉輪后獲得的動能增量。

二離心壓縮機的工作原理無限多葉片葉輪的理論能量頭計算：有限葉片葉輪的理論能量頭計算（經(jīng)驗公式）：因為所以故葉輪的理論能量頭：故葉輪的理論能量頭：

通常流體流入壓縮機的葉輪進口時并無旋轉，即C1u＝0，則歐拉方程簡化為：二離心壓縮機的工作原理歐拉方程遵循能量轉換與守恒定律；單位質量流體與葉輪的能量轉換大小，只與進、出口的流速有關，與內(nèi)部流動情況無關；該方程適用于任何氣體或液體，即適用于葉輪式壓縮機及葉輪式泵；該方程也適用于葉輪式的原動機，如汽輪機、燃氣輪機等。對歐拉方程的幾點說明：（3）能量方程能量方程用于計算氣流溫度的增加和速度的變化。（基本方程）二離心壓縮機的工作原理

能量守恒定律：外界對級內(nèi)氣體所做的機械功和輸入的能量應全部轉化為氣體的熱焓和動能。則單位質量氣體的能量方程為：其中，Hth：即外界通過葉輪給單位質量氣體的機械功。

q：外界加給單位質量氣體的熱量；Cp：氣體的熱容；

T0、T0’:進出口的溫度；C0、C0’:進出口氣體的速度；h表示焓值。

對于離心式壓縮機，通常外界不向級中輸入熱量，且向外界傳遞的熱量可忽略不計，即q＝0，故級的能量方程普遍式為：

二離心壓縮機的工作原理能量方程表示葉輪所作的機械功轉換為氣體溫度的提高和動能的增加；該方程適用于有粘或無粘氣體；該方程適用于一級或多級整機壓縮機，也適用于壓縮機的任一流通部件。

葉輪的能量方程：靜止通道（擴壓器等）的能量方程：靜止通道的能量方程表明：在靜止通道中氣體溫度升高，則速度降低，反之亦然。說明：即：（4）伯努利方程伯努利方程將流體所獲得的能量區(qū)分為有用能量（靜壓能和動能）和能量損失，是流體的機械能守恒的表達式。通用的伯努利方程：二離心壓縮機的工作原理級內(nèi)流體的伯努利方程：注意：表示級內(nèi)的流動損失；表示級內(nèi)的總能量損失。其中，第一項：氣體在進出口獲得的靜壓能增量；

第二項：氣體在進出口獲得的動能增量；

第三項：氣體的級內(nèi)的流動能量損失。

二離心壓縮機的工作原理

葉輪的伯努利方程：固定部件（如擴壓器）的伯努利方程：即：伯努利方程建立了機械能與氣體壓力p、流速c和能量損失之間的關系；伯努利方程中未包括溫度參數(shù)，因此在離心壓縮機的計算中，總是將包含溫度參數(shù)的能量方程與包含壓力及能量損失的伯努利方程同時使用。該方程適用于一級或多級整機，也適用于壓縮機的任一流通部件。說明：

（5）壓縮過程與壓縮功二離心壓縮機的工作原理在離心壓縮機中，氣體伴隨著流動的同時不斷實現(xiàn)著改變熱力狀態(tài)的熱力學過程。多變壓縮過程中，每千克氣體所獲得的壓縮功，即多變能量頭為：（6）總結將連續(xù)方程、歐拉方程、能量方程、伯努利方程等相關聯(lián)，流體在機器內(nèi)的速度、壓力、溫度等的變化規(guī)律就明確了。二離心壓縮機的工作原理（1）級內(nèi)的流動損失★

摩阻損失3.級內(nèi)的各種能量損失計算：λ：摩擦阻力系數(shù)，與Re、壁面粗糙度、管道內(nèi)徑等有關；l：沿程長度；dhm：平均水力直徑；cm：氣流平均速度。原因：流體粘性導致的粘滯力結論：摩阻損失與流量的平方成正比。

邊界層壁面主流二離心壓縮機的工作原理★邊界層分離損失減少分離損失的措施：設計擴張通道時，限制其擴張角θ不大于6°～8°；適當增加葉輪及葉片擴壓器的葉片數(shù)，可減小葉道的當量擴張角；其擴壓度（進出口的相對速度之比）一般為（經(jīng)驗）：原因：在擴張流道中，流體的減速增壓導致邊界層分離，造成旋渦和倒流。邊界層分離的出現(xiàn)與通道形狀、壁面粗糙度、雷諾數(shù)等有關，但與通道形狀關系最大；葉輪中的邊界層不會產(chǎn)生嚴重的邊界層分離現(xiàn)象。說明：二離心壓縮機的工作原理★

沖擊損失（變工況下的邊界層分離損失）減少沖擊損失的措施：選擇壓縮機時，盡量使操作流量與額定流量相差不要太大；在葉輪前設置可轉動的導向葉片，以適應入口氣流角的變化。流量小于額定流量流量大于額定流量原因：當流量偏離額定流量時，葉輪或擴壓器葉片的進口沖角（i＝）不等于零，導致氣流對葉片產(chǎn)生沖擊造成能量損失。二離心壓縮機的工作原理★

二次流損失減少二次流損失的措施：適當增加葉片數(shù)，以減小工作表面和非工作表面的壓力梯度；避免氣流方向的急劇轉彎。二次流損失：與主流方向垂直的流動造成的能量損失。原因：流道同一截面中存在壓差引起的，主要發(fā)生在葉輪的葉道、彎道及吸氣室等氣流速度方向急劇變化處。二離心壓縮機的工作原理★

尾跡損失減少尾跡損失的措施：采用機翼型葉片；使用等厚度葉片時，將葉片尾部削薄。原因：葉片的厚度使氣體從葉輪葉道中流出時，通流面積擴大，在葉片尾部外緣形成氣流旋渦區(qū)。該區(qū)和主流區(qū)氣流的速度、壓力相差較大，在相互混合過程中產(chǎn)生能量損失。二離心壓縮機的工作原理（2）漏氣損失原因：轉子與固定部件之間存在間隙，間隙兩端的氣體壓力不等時，導致氣體由高壓端向低壓端泄漏，所漏氣體的膨脹與壓縮循環(huán)，產(chǎn)生能量損失。減少漏氣損失的措施：設置密封裝置（如迷宮式）輪蓋密封級間密封軸端密封平衡盤密封輪蓋處的漏氣損失系數(shù)：級間密封的漏氣損失計入固定部件的流動損失二離心壓縮機的工作原理（3）輪阻損失原因：葉輪旋轉時，其輪蓋、輪盤的外側面和葉輪的外緣和周圍的氣體發(fā)生摩擦，消耗摩擦功。輪阻功率損失——離心葉輪：輪阻損失系數(shù)：ρ2：流體密度；u2

：圓盤外緣圓周速度；D：圓盤外徑。二離心壓縮機的工作原理（1）多級壓縮的必要性i離心壓縮機的單級壓力較低，一般為多級串聯(lián)式結構；對高增壓比或輸送輕氣體的壓縮機需要多缸串聯(lián)形成機組。ii離心壓縮機多采用分段中間冷卻的結構，段與段之間在機器外由管道連接中間冷卻器，這樣可以減少功耗。（2）分段需考慮的因素被壓縮氣體的特性；要求排出的氣體溫度；綜合考慮壓縮機的結構、冷卻器的布置、功耗等因素；段數(shù)確定后，每段的最佳壓力比根據(jù)總功耗最小原則