离心压缩机1.

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1、过程流体机械 离心压缩机 第三章 离心压缩机 主 要 内 容 一 离心压缩机的典型结构 二 离心压缩机的工作原理 三 离心压缩机的性能、调节与控制 四 离心压缩机的可靠性 五 离心压缩机的选型 一 离心压缩机的典型结构 1. 离心压缩机的定义 离心压缩机：通过旋转叶轮，使气体主要沿径向离 心力方向流动，从而提高气体的静压能和动能，最 终将机械能转变成气体的压力能的机器。 一 离心压缩机的典型结构 转子部分：轴、叶轮、轴套、平衡盘、联轴器等。 定子部分：机壳、气体流道部分（扩压器、弯道、回流器、蜗 壳）、密封、轴承等。 2. 离心压缩机的基本结构 级：是离心压缩机实现气体压力升高的基本单元，由一

2、个叶轮 和一组与其相配合的固定元件组成。 段：每一进气口到排气口之间的“级”组成一“段”，每个“段”通 常由一个或几个“级”组成。 （1）离心压缩机的“级” 和“段” 注： “段”之间设置中间冷却器，以减少功耗。 单级离心式制冷压缩机结构示意图 一 离心压缩机的典型结构 （两段七级）离心压缩机结构示意图 一 离心压缩机的典型结构 离 心 式 压 缩 机 一 级 的 气 体 流 道 一 离心压缩机的典型结构 一 离心压缩机的典型结构 （2）离心压缩机“级”的组成 “级”的类型： 首 级：吸气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器 中间级：叶轮、扩压器、弯道、回流器 末 级：叶轮、扩压器、排气蜗室 首级

3、中间级 末级 一 离心压缩机的典型结构 吸气室：将气体从进气管均匀导入叶轮入口，以减少气体进 入叶轮时的流动损失。 叶 轮：是压缩机最重要的部件，高速回转的叶轮对气体作功 而使气体获得能量（动能和静压能）。 扩压器：由两个垂直叶轮轴的平行壁面形成的环形通道。从叶 轮流出的高速气体，通过流通截面逐渐扩大的扩压器时，部 分动能转化为压力能（降速增压）。 弯 道：把从扩压器出来的气体由离心方向改变为向心方向，以 便引导到下一级继续进行压缩。 回流器：可使气体以一定的方向均匀地进入下一级叶轮的入口。 蜗 壳：将气流汇集起来引出压缩机；对气体有降速扩压作用。 “级”的典型结构及特点： 叶 轮 扩压器 蜗

4、 壳 一 离心压缩机的典型结构 （3）离心叶轮的结构形式 闭式叶轮：由轮盘、叶片、轮盖组成。漏气量小，效率高；但 强度低，影响了叶轮圆周速度的提高，单级压力比较低。 半开式叶轮：由轮盘和叶片组成。叶轮强度高，可获得高的单 级压力比；但漏气量大，效率低。 双面进气叶轮：流量大，叶轮轴向力可得到平衡。 一 离心压缩机的典型结构 按叶轮结构分类： 闭式叶轮 半开式叶轮 双面进气叶轮 一 离心压缩机的典型结构 按叶片类型分类：即按叶片出口角2A 后弯型（2A90） 一 离心压缩机的典型结构 径 向 型（2A90） 后弯型：即叶片弯曲方向与叶轮旋转方向 相反，级效率高，压缩机多采用此类型； 前弯型：即叶

5、片弯曲方向与叶轮旋转方向 相同，级效率低，通风机多采用此类型。 径向型：叶片出口沿径向安装，多用于航 空压缩机。 一 离心压缩机的典型结构 （4）扩压器的结构形式 扩压器一般分为无叶扩压器、叶片扩压器两种。 无叶扩压器： 由两个平行壁面 构成的环形通道。气体从叶轮中排 出，经过该环形通道时降速增压。 是一种结构最简单的扩压器， 造价低，变工况适应性好。 叶片扩压器： 在无叶扩压器的环形 通道上，沿圆周安装均布的叶片，就构 成叶片扩压器。 具有扩压程度大、结构尺寸小的优 点；缺点是变工况性能差。 一 离心压缩机的典型结构 （5）平衡盘 轴向力产生原因： l 叶轮两侧间隙内气体压力分布不对称，使作

6、用在叶轮两侧的 力不平衡所产生的轴向力； l气体以一定速度沿轴向进入叶轮，而后改为径向流入叶轮通道 ，其速度大小和方向的改变，对叶轮产生一个轴向动反力。 轴向力 一 离心压缩机的典型结构 平衡原理： 平衡盘安装在高压端。一 侧受末级叶轮出口的气体压 力；另一侧与吸气室相接。 平衡盘外缘与气缸间设有 迷宫密封，使平衡盘两侧保 持压差，产生一个与转子的 轴向力方向相反的平衡力。 轴向力平衡力 一 离心压缩机的典型结构 （6）离心压缩机的其它组成部分 密封件：轮盖密封；级间密封；轴端密封。 非接触式的迷宫密封； 机械密封；浮环油膜密封 轴 承：小型滚动轴承 其它动压滑动轴承：支撑轴承和止推轴承 冷却

7、系统和润滑系统 一 离心压缩机的典型结构 优点： l流量大：连续供气； l转速高； l结构紧凑； l运转可靠，维修方便。 3. 离心压缩机的特点 缺点： l单级压力比不高，高压力 比所需级数比活塞式的多 ； l不能适用于太小流量工况 ； l造价高。 各类压缩机的适用范围 l气体在叶轮中的流动及速度 l离心压缩机的基本方程 l级内的各种能量损失 l多级压缩 l功率与效率 主 要 内 容 二 离心压缩机的工作原理 二 离心压缩机的工作原理 （1）气体在叶轮中的流动 假设条件： u流道中任意点的气流参数（压力、速度、密度等）不随时间 变化，即为稳定流动（定常流动）； u流道中与流速相垂直的任意截面上

8、的气流参数相同，即当作 一元流动。 1. 气体在叶轮中的流动及速度 在假设条件下，离心式压缩机内的气体流动可作为一元 稳定流动，即气体的参数（速度、压力、温度等）只与流道 的长度有关。 离心式压缩机内的实际气体流动过程，是三元不稳定流动。 （a）相对运动 （b）牵连运动 （c）绝对运动 （2）气体在叶轮中的速度分析 二 离心压缩机的工作原理 相对运动：流体微团在流道内相对于叶片的运动，方向为质点所在叶片处 的切线方向。相对速度表示为 牵连运动：叶轮旋转时，流体微团沿圆周方向的运动。方向与圆周的切线 方向一致。牵连速度表示为 u 绝对运动：牵连运动与相对运动的合成运动，是流体相对于机壳等固定件

9、的运动。绝对速度表示为 c 二 离心压缩机的工作原理 1，u1，c1分别是叶轮通道入口的相对、牵连、绝对速度； 2，u2，c2分别是叶轮通道出口的相对、牵连、绝对速度； 1和2：叶轮的气流入口角和叶轮气流出口角，一般认为 1=1A （叶片 入口安装角）； 2 = 2A （叶片出口安装角） 1和2：叶轮入口和出口处的绝对速度的方向角； Cu和Cr： 绝对速度沿叶轮切向和径向的分速度。 进出口的速度三角形 C2r C2u C1r C1u 叶轮通道进出口的速度三角形 三种类型叶轮的速度三角形 （a）后弯型 （b）径向型 （c）前弯型 二 离心压缩机的工作原理 能量头 最大。 二 离心压缩机的工作原理

10、 （1）连续方程质量守恒定律在流体力学中的表达 气体作稳定一元流动情况下，流经机器任意截面的质量流量相等 。 b2/D2：叶轮出口的相对宽度，D2为叶轮的外径； b2为叶轮出口的轴向宽度 2rc2r/u2：叶轮的流量系数； u2：叶轮出口的牵连速度； n: 叶轮转速； 2：叶轮出口的通流系数，与叶片数、叶片厚度、安装角度等参数有关。 叶轮出口的连续方程反映了流量与叶轮几何尺寸及气流 速度的相互关系。 2. 离心压缩机的基本方程 叶轮出口方程： 基本方程： ：气流密度；f2：出口截面面积；C2r：垂直该截面的法向流速 二 离心压缩机的工作原理 （1）b2/D2：叶轮出口的相对宽度 u增大，则出口

11、速速2减小，有利于扩压，但会增加流动损失，降低效率 ； u减小，则出口速速2增大，导致流动的摩擦损失增加，降低效率。 (2) 2rc2r/u2：叶轮的流量系数随气量变化而变化的气动参数 u足够大，则可避免气体在叶轮流道内发生倒流； u较小，级的能量头大，效率高。 （3）2：叶轮出口通流系数表征叶轮截面的有效通流程度的参数 u与叶片数Z成反比，一般2A 大的取1432片， 2A 小的取612片； u与叶片厚度成反比； u与叶轮外径D2 成正比。 0.025 b2/D2 0.065 后弯型：0.18 2r 0.32 （2）欧拉方程叶轮机械的基本方程 欧拉方程用于计算叶轮机械能与流体能量的转换。 其

12、中，Lth：即叶轮对流经的单位质量(1kg)气体所作的理论功，称为欧拉功 Hth：即流过叶轮的单位质量(1kg)气体理论上所接受的能量，称为 理论能量头，kJ/kg 欧拉方程： 二 离心压缩机的工作原理 欧拉第二方程： 说明：第一项气体由于离心惯性力在叶轮中获得的静压能增量。 第二项气体在叶轮流道中由于降速引起的静压能增量。 第三项气体经过叶轮后获得的动能增量。 一元定常流动 二 离心压缩机的工作原理 有限叶片叶轮（叶片数为Z）的理论能量头计算（经验公式） ： 因为所以 故叶轮的理论能量头： 故叶轮的理论能量头： 通常流体流入压缩机的叶轮进口时并无旋转，即C1u0，则 欧拉方程简化为： 无限多

13、叶片叶轮（ ）的理论能量头计算： 二 离心压缩机的工作原理 l欧拉方程遵循能量转换与守恒定律； 认为叶轮的机械能全部转换为流体能量，即 Lth= Hth l单位质量流体与叶轮的能量转换大小，只与进、出口的 流速有关，与内部流动情况无关； l该方程适用于任何气体或液体，即适用于叶轮式压缩机 及叶轮式泵； l该方程是叶轮机械的基本方程，也适用于叶轮式的原动 机，如汽轮机、燃气轮机等。 对欧拉方程的几点说明： （3）能量方程 能量方程用于计算气流温度增加和速度变化。 （基本方程） 二 离心压缩机的工作原理 能量守恒定律：外界对级内气体所做的机械功和输入的能量应 全部转化为气体的热焓和动能。则单位质量

14、气体的能量方程为： 其中，Hth：即外界通过叶轮给单位质量气体的机械功。 q：外界加给单位质量气体的热量；Cp：气体的热容； T0、T0: 进出口的温度；C0、C0: 进出口气体的速度；h表示焓值。 对于离心式压缩机，通常外界不向级中输入热量，且向外界 传递的热量可忽略不计，即q0，故级的能量方程普遍式为： 二 离心压缩机的工作原理 l能量方程表示叶轮所作的机械功转换为气体温度的提高和动能的增加； l该方程适用于有粘或无粘气体； l该方程适用于“一级”或“多级整机压缩机”，也适用于压缩机的“任一流通部 件”。 叶轮的能量方程： 静止通道（扩压器等）的能量方程： 静止通道的能量方程表明：在静止通

15、道中气体温度升高，则速度降低，反之亦然。 说明： 即： （4）伯努利方程 伯努利方程将流体所获得的能量区分为有用能量（静压能 和动能）和能量损失，是流体的机械能守恒的表达式。 通用的伯努利方程： 二 离心压缩机的工作原理 级内流体的伯努利方程： 注意： 表示级内的流动损失； 表示级内的总能量损失, 包括流动能量损失、级内漏气损失和轮阻损失；Hth表示机械功 ，Htot表示叶轮总能量。 公式右侧：第一项：级内1kg气体在进出口获得的静压能增量； 第二项：级内1kg气体在进出口获得的动能增量； 第三项：级内1kg气体气体的流动能量损失。 二 离心压缩机的工作原理 叶轮的伯努利方程： 固定部件（如扩压器）的伯努利方程： 即： l伯努利方程建立了机械能与气体压力p、流速c和能量损失之间的关系；