离心式压缩机原理教程 §1 离心式压缩机的结构及应用排气压力超过 34.3×104N/m2以上的气体机械为压缩机压缩机分为容积式和透平式两大类，后者是属于叶片式旋转机械，又分为离心式和轴流式两种透平式主要应用于低中压力，大流量场合离心式压缩机用途很广例如石油化学工业中，合成氨化肥生产中的氮，氢气体的离心压缩机，炼油和石化工业中普遍使用各种压缩机，天然气输送和制冷等场合的各种压缩机在动力工程中，离心式压缩机主要用于小功率的燃气轮机，内燃机增压以及动力风源等离心压缩机的结构如图 8-1所示高压的离心压缩机由多级组成，为了减少后级的压缩功，还需要中间冷却，其主要可分为转子和定子两大部分分述如下：1.转子转子由主轴、叶轮、平衡盘、推力盘、联轴器等主要部件组成2.定子由机壳、扩压器、弯道、回流器、轴承和蜗壳等组成图 8-1 离心式压缩机纵剖面结构图(1:吸气室 2:叶轮 3:扩压器 4:弯道 5:回流器 6:涡室 7，8:密封 9:隔板密封 10:轮盖密封11: 平衡盘 12:推力盘 13:联轴节 14:卡环 15:主轴 16:机壳 17:轴承 18:推力轴承 19:隔板 20:导流叶片 )§2 离心式压缩机的基本方程一、欧拉方程离心式压缩机制的流动是很复杂的，是三元，周期性不稳定的流动。
我们在讲述基本方程一般采用如下的简化，即假设流动沿流道的每一个截面，气动参数是相同的，用平均值表示，这就是用一元流动来处理，同时平均后，认为气体流动时稳定的流动根据动量矩定理可以得到叶轮机械的欧拉方程，它表示叶轮的机械功能变成气体的能量，如果按每单位质量的气体计算，用 表示，称为单位质量气体的理论能量：（8-1）式中 和 分别为气体绝对速度的周向分量，和叶轮的周向牵连速度，下标 1和 2分别表示进出口利用速度三角形可以得到欧拉方程的另一种形式：（8-2）二、能量方程离心式压缩机对于每单位质量气体所消耗的总功 ，可以认为是由叶轮对气体做功 ，内漏气损失 和轮组损失 所组成的首先根据能量守恒定律可以得到： （8-3）式中 为输入的热量， 为内能， 为 压能， 为动能那么（8-3）式表示：叶轮对气体所做功 ，加上外界传入的热量等于压缩机内气体的内能，压能和动能的增加之和可以把内漏气损失和轮阻损失看成是传入到气体内的热量 ，因为损失 和 转化成热量会使机内气体的温度升高那么：(8-4)就会得到（8-5）那么压气机所做的总功等于气体的焓增和动能的增加三、伯诺里方程对于可压缩的气体，压缩机中的伯诺里方程可以用下式表示：（8-6）式中： 为压缩机中从进口 1到出口 2之间的流动损失，积分 表示压缩机压缩过程的压缩功，与变化的过程有关。
8-6）式可以从热力学第一定律和能量方程（9-3）式得出，热力学第一定律的微分形式为：(8-7)即系统能量的增加等于传入的热量与绝对功之和，其中 为比容，积分（8-7）式得到： （8-8）其中 (8-9)是流动损失， 、 为出口和进口的焓上两式与式（8-4）（8-5）结合可以得到式（8-6）式，（8-6）与式（8-2）比较，得出：（8-10）式（8-10）中 为压缩功表示为了提高压力所做的功，压力的提高由叶轮通道进出口的动能减少 和离心力所做的功( )组成，并且要减去流动损失部分压缩功与叶轮中的气体变化过程有关1． 等温过程用 表示压缩功（8-11）2． 绝热过程对于完全绝热过程 ， 其过程方程为：=常数 或 ＝常数绝热过程压缩功 为：（8-12）3． 多变过程的压缩功 为：（8-13）四、压缩过程在 T—S图上的表示热力学第二定律的表达式为：（8-14）式中 S为熵在 T—S图中， 为过程曲线下的面积，如图 8-2(a)表示。
图 8-2（a） 图 8-2(b)同样，从过程起点 1至终点 2，热量 为：q12= 如图 8-2(b)所示，为吸入热量根据热力学第一定律可以得出：（8-15）对于等压过程： 常数， ，故有：（8-16）（8-17）由式（8-16）可知等压过程在 S—T图上为对数曲线，如图 8-3所示所吸入的热量用式（8-17）表示图 8-3 等压过程线1． 等温过程等温过程在 T—S图上为水平线，当从 至 点时（ ），即从图 8-4上的 1点至 点，此时应该传出热量 ，其值由图 8-4中的面积 表示，即：（8-18）式（8-18）表示传出的热量为等温过程中的压缩功图 8-4 等温过程线2． 绝热过程绝热过程在 S—T图上为垂直线，即为图 8-4中的 线绝热过程中，传入的热量 ，同时没有流动损失，即 那么dS＝0， S＝常数，故又称为等熵过程，此时压缩功 可表示为：（8-19）即 相当于等压压缩从 至 ，也相当于 所围的面积，同时可以看出：所以等熵压缩功大于等温压缩功，差值为 ，这是由于等熵压缩的终点温度高，压缩功就必然大。
3． 多变过程实际的压缩过程比较复杂，可用多变过程表示，在多变过程中 ，，为了简单分别讨论：a．在多变过程中存在流动损失，无传入的热量，即 ， 此种多变过程由图 8-5（a）中 12曲线表示图 8-5（a） 多变过程线路 图 8-5（b）多变压缩功为(8-20)为图 8-5（a）中的 a2”2’21ba所围的面积而理论功 为：（8-21）其中 为图 8-5（a）中 所围的面积，在不考虑动能变化时， 为所围的面积，在图 8-5（a）中流动损失所做的功 即为损失转化为热量传入系统，此热量为 当有热量 传入时，总功 为：（8-22）当不考虑动能变化时，此时 即为 所围的面积此时图 8-中 为b．有热交换的多变过程，考虑比较简单的 ， 的情况，可用图 8-5（b）中的曲线 12表示，此时过程为放热过程 仍由图 8-5(b)中面积 表示， 为 ，而 为那么在不考虑动能变化时，为 所围的面积此种多变过程为放热过程，由于有冷却那么五、总耗功和功率对于压缩机的一个工作级，其理论功率可用 表示：(w)， 为有效质量流量同理，总功率 为：式中： 为轮阻损失功率， 为漏气损失8-21a）可用下式表示：其中： 和那么： 那么总功率为：(kw) （8-21b）轮阻功率为：(kw) （8-21c）漏气功率为：(kw) (8-21d)六、滞止参数的表示：令 为滞止温度（即总温 ），其表示为：（8-22a）或令M为马赫数 ，那用 表示时，总功可以写成：（8-22b）为滞止焓。
滞止压力 ，可以用绝热过程表示出：在绝热流动中， ，那么如果有流动损失存在 ，故在绝热流动中 存在，使 减少，那么七、压缩机效率的表达式由于压缩机中存在多种压缩过程，故可以用各种效率来表示，其中有多变效率 ，绝热效率 ，以及等温效率1． 多变效率多变效率为多变压缩功与总功率之比：（8-23a）其中 多变效率（8-23b）当忽略 的动能变化时：（8-23c）2． 绝热效率绝热效率可以用 和 表示，后者为滞止绝热效率，它们分别定义如下： （8-24a）忽略动能变化时：（8-24b）（8-25a）(8-25b)此时：(8-26)3． 等温效率 和流动效率等温效率 为：（8-27）流动效率 为：（8-28）§3 压缩机内的基本过程变化图 8-6 离心式压缩机简图离心式压缩机的每一个工作级一般由（1）、进气道 ；（2）、叶轮分导风轮和工作轮组成；（3）、无叶扩压器 22－33；（4）、叶片扩压器33－55（44 断面为叶片扩压器喉部截面）；（5）、集气管等组成（55 有时表示集气管出口）叶轮进口直径为 ( 和 分别为进口轮缘和轮毂直径)。
各部分的气动参数变化如图 8-7所示图 8-7 压气机多部分参数的变化压缩机工作级中的气体压缩过程可以用焓熵图表示如图 8-8所示，各部分的压缩过程分别叙述如下：1． 压缩机进气道进气道从 至 1―1，进气道的滞止压力为 ，叶轮进口的滞止压力为 ，如图 8-8所示，由于有流动损失 < ，可以认为在进气道的膨振过程由 点至 1点，1 点（ 点）的熵值大于 的熵值，流动损失使 的内能加大，而滞止焓而 可以认为（8-29）图 8-8 离心机压缩机级的焓熵图2． 工作级间的等熵压缩过程现在考虑工作级间 1－1 至 5－5 断面的压缩过程，首先考虑等熵压缩过程，即不考虑流动损失于外界的热交换在整个工作级中，从叶轮进口 1点到扩压器出口 5点，等熵压缩的过程线为 至 ，在叶轮中从 1－1 至 2－2 断面，工作过程线为图 8-8中 1*点至 2I点，在全部扩压器中为 2I点至 3． 级中实际压缩过程实际上空气在叶轮内的流动过程存在着流动损失，所以实际上叶轮出口状态 2点的温度 比等熵压缩 2I点的温度 I高。
这样全部扩压器中的等熵过程线不是 2I至 点，而是图 8-8中的 2点至 点叶轮出口的总焓为 所以叶轮做功使气体在叶轮中获得的总焓增量为△ ，（8-30）叶轮出口气体的动能为 如果 在扩压器全部等熵的转变成压力能的话，那么扩压器出口的静压力为 ，即图 8-9上的 点，但这实际上是不可能的，因为扩压器中的实际扩压过程中存在流动损失和余速损失扩压器中的实际扩压线为 2点至 5点扩压器中出口静压为 ，而滞止压力为 ，即点，而 < 但是 点和 点的总焓相等（8-31）相当于上述各状态的压缩功表示如下：（1）、1 点至 2点，或 1点至 5点的多变压缩功如（8-20）式所示2）、从 点至 点多变压缩功（滞止功），包括静压压缩功 以及动能的变化用 表示：（8-32a）（3）、从 点至 点的等熵压缩总功 为：(8-32b）叶轮的反作用度为：（8-33）§4 进气道进气道的形式有三种：轴向进气，径向－轴向进气，弯管进气当进气需有予旋时，进气管安装静止导叶一、管内气动参数的决定1． 进口截面 处的气流参数该处的滞止气流参数就等于环境的气体参数：由能量方程，并忽略与外界的热交换后有：（8-34）（8-35）由于进口的速度 值较小，所以计算中常用：， 2． 出口截面 1－1 处的气流参数， (8-36)(8-37)为了使进气均匀，减少流动损失，进气道截面沿气流方向是收敛的。
出口处的气流压力于温度都有所下降，而速度稍有增加一般出口的平均速度＝50～150m/s，该膨胀过程是多变得膨振过程多变指数 一般为1.37～1.39主要与进气道的流动损失有关，流动损失 为：(8-38)式中 －进气道的流动损失系数，它与进气道的形式，长度，进出口面积之比有关轴向进气道 ＝0.05～0.1径向一轴向进气道为 0.1～0.2求 以后，可以求出(8-39)已求出（40）滞止参数为： 一般可以选取 =(8-0.975～0.995) ≈(8-0.975～0.995) §5 叶轮压气机叶轮一般分为两部分：前一部分为导风轮，后。