第三章离心式压缩机_6概要

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1、离心式压缩机,过程流体机械,机械设备,第三章 离心式压缩机,离心式压缩机典型结构和工作原理,3.1,性能调节与控制,3.2,安全可靠性,3.3,选型(轴流式压缩机),3.4,菜单,离心式压缩机的基本方程,概述,气体压缩机,容积式,透平式,往复式,回转式,活塞式,柱塞式,隔膜式,罗茨式,叶氏式,螺杆式,滑片式,离心式,轴流式,斜流式,复合式,离心压缩机和轴流式压缩机等习惯称为风机，分压缩机、鼓风机和通风机。 按排出压力分类 0.015MPa 通风机 0.015MPa-（0.3MPa-0.35MPa） 鼓风机 （0.3MPa-0.35MPa） 压缩机,离心压缩机:速度式透平机械。,概述,离心压缩机

2、的发展概况,新技术、新工艺使得离心压缩机的应用领域愈来愈广。（石油化工、油气集输）。,离心压缩机是在通风机基础上发展起来 流量10000m3/min 提高了转速，大都在35000rpm以上，同时解决了 高速度轴承及其动平衡问题 浮环密封结构，解决了高压下的轴端密封 筒型及双层壳解决了强度问题和机体密封 电火花加工使小流量下窄流道叶轮的加工得到解决,吴仲华教授 (1917-1992) 1947年美国麻省理工博士学位 美国NASA科学家,准三元流动基本理论,60年代开始应用准三元流动理论,设计空间扭曲叶片,以改善级的流动性能，提高效率。,单轴离心式压缩机,离心式压缩机,能量转化过程：机械能气体动能

3、、压能进一步转换成压能 叶轮转速越高、直径越大传递的能量越大。,工作原理,驱动机,转子高速旋转,叶轮入口产生负压（吸气）,气体在叶轮增速及后面流道中扩压,被压缩气体连续从蜗壳排出,气体的流动过程：,EI 1206.35/0.95 E：有中间冷却器的多级高速离心压缩机 I：代表汽缸，罗马字I,主要结构,v,离心式压缩机典型结构,叶轮,扩压器,弯道,回流器,出口蜗壳,吸气室,转子：转轴，固定在轴上的叶轮、轴套、联轴器及平衡盘等。,离心压缩机,定子：压缩机的固定元件，如机壳、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、吸气室。,离心式压缩机典型结构, 叶 轮：唯一做功部件，增加气体能量； 扩压器：主要转能装置（泵中

4、蜗壳或导叶）速度能转换为压力能 弯 道：在扩压器后使离心流动变为向心流动，引入下一级 回流器：使气流以一定方向均匀流入下一级叶轮入口，有的装有导向叶片。 吸气室：将进气管中气体均匀导入叶轮。 蜗 壳：收集气体，引出；降速扩压作用。,主要过流部件：,离心式压缩机典型结构,级：,段：,缸：,由一个叶轮与其相配合的固定元件所构成,以中间冷却器作为分段的标志，可以由几个级构成,一个机壳称为一缸，多机壳称为多缸（在叶轮数较多时采用）,吸气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器、蜗壳,主要部件及典型结构：,级是离心压缩机使气体增压的基本单元。分为首级、中间级、末级 中间级: 由叶轮、扩压器、弯道、回流器组成；首级

5、：吸气室+中间级；末级：叶轮、扩压器、蜗壳,级的典型结构与关键截面,离心压缩机的典型结构与特点 级的典型结构 （各元件通流截面变化及能量转换情况）,1. 按叶轮结构型式 闭式叶轮：性能好、效率高；由于轮盖的影响，叶轮圆周速度受到限制。 半开式叶轮：效率较低，强度较高。 双面进气叶轮：适用于大流量，且轴向力平衡好。,离心式叶轮的典型结构,按叶轮叶片弯曲型式（叶片的出口安装角） 后弯型叶轮：A 90，级效率高，稳定工作范围宽。 径向型叶轮： A 90 ，性能介于后弯型和前弯型之间。 前弯型叶轮： A90，级效率较低，稳定工作范围窄。,A,速度三角形,叶轮进出口的速度三角形,气流在叶轮中流动的绝对速

6、度为相对速 度和牵连速度的矢量和,位于叶轮叶道内任一点的流体质点的运动状态，均可用一个速度三角形来表达。,实际应用中，主要用进、出口的速度三角形。它的形状和大小将直接关系到叶轮和流体间的能量交换（功耗）。,叶轮与速度三角形中各参数的含义如下：,气流绝对速度与圆周速度的夹角。 气流相对速度与圆周速度反方向的夹角，液流角。 cr 绝对速度的径向分速； cu 绝对速度的周向分速。 A叶片安置角（叶片在该点的切线与圆周速度反方向的夹角）。 当叶片数无穷多时， A 叶轮出口处的叶片安置角A又叫叶片离角。,离心叶轮的典型结构 叶轮速度三角形： 叶轮透平机械理论基础 适用压缩机、泵、汽轮机等 下标： 1 叶

7、轮进口截面 2 叶轮出口截面 A 叶片 th 理论参数 叶片无限多 （无限薄，不占体积）,理论参数,实际参数,叶轮出口 速度三角形,叶轮进口 速度三角形,绝对速度,叶轮出口 速度三角形,叶轮进口 速度三角形,离心叶轮的典型结构 叶轮速度三角形 气流速度： 绝对速度（气流速度） c 、c2 、c1 牵连速度（叶轮圆周速度） u r（角速度）、u2 、u1 相对速度（流动速度） w 、w2 、w1 气流角度：（实际参数） 2（ w2 ，- u2 ） 2（ c2 ，u2 ） 结构角度：（理论参数） 叶片出口角2A（ 切线，- u 反向） 与流动和介质无关 （理想状况2 2A ）,相对速度,圆周 速度

8、,叶轮进口 速度三角形,叶轮进口 速度三角形,离心叶轮的典型结构 叶轮速度三角形 分速度： 周向分速度 （c 在圆周方向分量） cu 、c2u 、c1u 与能量（扬程）有关 能量头（周速）系数 2uc2u / u2 径向分速度 （c 在直径方向分量） cr 、c2r 、c1r 与流量（流速）有关 流量系数 2r c2r / u2,径向分速度,周向 分速度,扩压器：能量转换元件（动能压能，气流减速增压） 无叶（片）型、叶片（有叶）型,扩压器结构,扩压器 动能转换为压力能作用 扩压原理： 气流从叶轮中出来，速度高，动能大。进入扩压器后，由于流通面积逐渐增大，使速度降低，依据能量守恒与转换定律，部分

9、动能减少而转换为压能，实现增压的目的。 扩压器种类： 叶片式；直壁式（无叶扩压器）。,优点： （1）排气量大，气体流经离心压缩机是连续的，其流通截面积较大，且叶轮转速很高，故气流速度很大，因而流量很大。 （2）结构紧凑、尺寸小。它比同气量的活塞式小得多； （3）运转平稳可靠，连续运转时间长，维护费用省低； （4）不污染被压缩的气体，这对化工生产是很重要的； （5）转速较高，适宜用蒸汽轮机或燃气轮机直接拖动。,离心式压缩机的特点,由于高压密封、小流量窄叶轮的加工和多油楔轴承等技术关键的研制成功，使离心压缩机的应用范围大为扩展，以致在许多场合可以取代往复活塞式压缩机。,缺点： （1）单级压力比不高

10、，不适用于较小的流量； （2）稳定工况区较窄，尽管气量调节较方便，但经济性较差,离心式压缩机的特点_续,3.1.2 离心压缩机的基本方程,3.1.2.1 连续方程 3.1.2.2 欧拉方程 3.1.2.3 能量方程 3.1.2.4 伯努利方程 3.1.2.5 压缩过程与压缩功,压缩机中气体流动实为三元非定常流动，有粘性、压缩性，情况复杂。 工程上常可简化为一元定常流动进行分析处理即进气状态、排气状态、n不变时，认为流体中同一载面上各点气流参数均一；在保持稳定工作条件下气流参数不随时间变化,连续方程是质量守恒定律在流体力学中的数学表达式，在定常一元流动情况下，其连续方程表示为：,3.1.2.1

11、连续方程,为了反映流量与叶轮几何尺寸及气流速度的相互关系，常应用连续方程在叶轮出口的表达式为：,叶轮出口相对宽度,出口叶片阻塞系数 2 =0.950.98,（0.025b2/D20.065）,理想情况，每千克气体所获得的能量Hth应等于叶轮所输出的功Lth 。 此式即为欧拉方程式，Hth为流体的理论能量头。,3.1.2.2 欧拉方程,欧拉方程的物理意义：,1、是叶轮机械理论计算、性能分析、结构设计的依据，对所有叶轮式、非封闭体系都适用，无论是原动机还是工作机; 2、介质能量的增加 Hth ,只与叶轮进、出口介质的速度 u 、w、c 有关，只要知道叶轮进出口速度，即可计算流体所获得能力，不管叶轮

12、内部流动情况; 3、描述叶轮与流体之间能量转换关系，遵循能量守恒定律,（1）工程上理论能量头计算 理论能量头计算： 在理论流量下（额定流量），叶轮进口气体无冲击、无预旋的进入叶道。 此时：C1=C1r C1u=0 1=90 进出口速度三角形:,工程上理论能量头计算,欧拉方程： 其中：,理论能量头（理论流量下的欧拉方程）： 式中： 结论： 叶轮结构一定、转速一定: 则理论能量头即确定。 因而，气体经过叶轮后所得到的能量就一定了。,理论能量头系数,理论能量头的影响因素分析, 圆周速度： n 或 D u2 Hth，影响最显著。 流量系数：,后弯式叶轮在其它参数一定时，q c2r 则 Hth即：流量增

13、加，则理论能量头降低。,理论能量头的影响因素分析, 叶片安装角度 2A a） 后弯叶片 2A 90 （叶片弯曲与旋转方向相反） 当2A=189，ctg 2A 而 Hth略有升高,2）直角叶片 2A=90 3）前弯叶片 2A 90 ctg2A=负值， C2 则：Hth,采用前弯叶片时： 绝对速度C2成倍提高，前弯式叶轮的做功能力最强，动能最大, 在扩压管、壳体内出现冲击现象，效率较低。故压缩机不采用前弯叶片 一般情况下： 离心通风机选： 2A 90 航空涡轮发动机选：2A = 90 大中型压缩机：2A =30 60,能量方程用于计算级内气体温度（焓）的变化和速度（动能）变化,当外界对级内气体做功

14、或输入能量后，就单位质量气体而言，根据能量守衡定律，必然使气体的焓值和动能增加。能量方程为：,3.1.2.3 能量方程,其中： 0叶轮进口或级的进口截面； 0级的出口截面。,能量守衡定律任何一段流道。,故此，上式简化为：,在离心式压缩机中，由于气体流速很快，通常（通过机壳）与外界的热交换很小，可认为是绝热流动。即：几乎无热量传递，q=0。,对叶轮进出口截面而言，能量方程为：,即：叶轮传给气体的能量，一部分转化为焓的增量，一部分转化为动能增量。,对扩压器进出口截面而言，气体既没有获得也没有输出机械功和能量，故H0，q=0，即为绝能流动，能量方程为：,即：当气体做绝能流动时，流道内任意截面处的焓值

15、和动能之和为一常数。,或：,应用伯努力方程将流体所获得的能量区分为有用能量和能量损失，叶轮所做的机械功还可与级内表征流体压力升高的静压能联系起来，表达成通用的伯努力方程，对级内流体而言有,3.1.2.4 伯努利方程,：级内的流动损失,对包含叶轮的一段流道，伯努利方程为：,impeller,对照可见：,上式表明：,流体在叶轮中牵连速度的增加和相对速度的减少，一部分转化为静压能增高，一部分用于克服叶轮中的流动损失。,对不包含叶轮的一段流道，如扩压器(diffuser)，伯努利方程为：,或为：,动能的减少，一部分变为压力升高（降速扩压），一部分用于克服流动阻力。,伯努利方程的物理意义为： 表示叶轮所做机械功转换为级中流体的有用能量(静压能和动能增加)的同时，还需付出一部分能量克服流动损失或级中的所有损失； 它建立了机械能与气体压力p、流速c和能量损失之间的相互关系； 该方程适用一级，亦适用于多级整机或其中任一通流通部件，这由所取的进出口截面而定； 对于不可压缩流体来说应用伯努利方程计算压力的升高是方便的。而对于可压缩流体，尚需获知压力和密度的函数关系才能求解静压能头积分，这还要联系热力学的基础知识加以解决。,3.1.2.5 压缩过程与压缩功,对不可压缩的液体,静压能头的增量,对可压缩的气体