离心式压缩机工作原理

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1、离心式压缩机的工作原理是什么，为什么离心式压缩机要有 那么高的转速？答:离心式压缩机用于压缩气体的主要工作部件是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩 压器。简而言之，离心式压缩机的工作原理是通过叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内， 利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转换为气体压力能的。更通俗地说，气体在流过离心式压缩机的叶轮时，高速旋转的叶轮使气体在离心力的作用下， 一方面压力有所提高，另一方面速度也极大增加，即离心式压缩机通过叶轮首先将原动机的机械 能转变为气体的静压能和动能。此后，气体在流经扩压器的通道时，流道截面逐渐增大，前面的 气体分子流速降低，后面的气体分子不断涌流向前，使

2、气体的绝大部分动能又转变为静压能，也 就是进一步起到增压的作用。显然，叶轮对气体作功是气体压力得以升高的根本原因，而叶轮在单位时间内对单位质量气 体作功的多少是与叶轮外缘的圆周速度u2密切相关的：u2数值越大，叶轮对气体所作的功就越 大。而u2与叶轮转速和叶轮的外径尺寸有如下关系：式中D2叶轮外缘直径，m；n一叶轮转速，r/min。因此，离心式压缩机之所以要有很高的转速，是因为：1）对于尺寸一定的叶轮来说，转速n越高，气体获得的能量就越多，压力的提高也就越大；2）对于相同的圆周速度（亦可谓相同的叶轮作功能力）来说，转速n越高，叶轮的直径就可以 越小，从而压缩机的体积和重量也就越小；3）由于离心

3、式压缩机通过一个叶轮所能使气体提高的压力是有限的，单级压比（出口压力与 进口压力之比）一般仅为1.32.0。如果生产工艺所要求的气体压力较高，例如全低压空分设备 中离心式空气压缩机需要将空气压力由O.IMPa提高到0.60.7MPa，这就需要采用多级压缩。 那么，在叶轮尺寸确定之后，压缩机的转速越高，每一级的压比相应就越大，从而对于一定的总 压比来说，压缩机的级数就可以减少。所以，在进行离心式压缩机的设计时，常常采用较高的转 速。但是，随着转速的提高，叶轮的强度便成了一个突出的矛盾。目前，采用一般合金钢制造的 闭式叶轮，其圆周速度多在300m/s以下。另外，对于容量较小的离心式压缩机而言，由于

4、风量较小，叶轮直径也较小，可采用较高 的转速;而容量较大的压缩机，由于叶轮直径较大，相应地转速也应低一些。例如，为国产3200mh 空分设备配套的DA350-61型离心式压缩机，转速为8600r/min；而为国产10000m，h空分设备配 套的1TY-1040/5.3型空气压缩机，转速为6000r/min。轴流式压缩机与离心式压缩机都属于速度型压缩机，均称为透平式压缩机。速度型压缩机的含义是指它们的工作原理都是依赖叶片对气体作功，并先使气体的流动速度得以极大提高，然后再将动能转变为压力能。透平式压缩机的含义是指它们都具有高速旋转的叶片。“透平”是英文“TURBINE”的译音，其中文含义为：“叶

5、片式机械”，对于这一英文单词，全世界不管哪种语言，都采用音 译的方法，所以“透平式压缩机”的意义也就是叶片式的压缩机械。与离心式压缩机相比，由于气体在压缩机中的流动，不是沿半径方向，而是沿轴向， 所以轴流式压缩机的最大特点在于：单位面积的气体通流能力大，在相同加工气体量的前提 条件下，径向尺寸小，特别适用于要求大流量的场合。另外，轴流式压缩机还具有结构简单、运行维护方便等优点。但叶片型线复杂，制 造工艺要求高，以及稳定工况区较窄、在定转速下流量调节范围小等方面则是明显不及离心 式压缩机。第八章离心式压缩机原理1 离心式压缩机的结构及应用排气压力超过34. 3 X 104N/m2以上的气体机械为

6、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

7、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

8、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，用塘表示，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皿，可以认为是由叶轮对气 体做功坝，内漏气损失和轮组损失4所组成的。首先根据能量守恒定律可以得到:P2 Pi_I UY2（8-3）式中既为输入的热量，为内能，A,。为压能，。勺2为动能。那么（8-3） 式表示：叶轮对气体所做功项，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

9、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 量孔，因为损失4和妇转化成热量会使机内气体的温度升高。那么：十妇二我(84)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：加为压缩机中从进口 1到出口 2之间的流动损失，积分L疗表示压缩机 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：出二由pdv（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v为比容，积分（8-7） 式得到：（8-8）其中0二

10、我十蜘(8-9)版是流动损失，电、阳为出口和进口的焓。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：峪y I诚 前_广牛I棚(8-10)r空式(8-10)中L 9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2 和离心力所做的功(2)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4表示压缩功奴既二f 竺加二反幻由圣二成缶由全(8-11)2. 绝热过程对于完全绝热过程如二B，顾二。其过程方程为：TP=常数或P里=常数绝热过程压缩功妇为：_ JUL -(8-12)3. 多变过程的压缩功却为

11、:(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，豹为过程曲线下的面积，如图8-2(a)表示。同样，从过程起点1至终点2,热量弓为:根据热力学第一定律可以得出:图 8-2(b)qi=如图8-2(b)所示，为吸入热量(a)图8-28-3所示。图8-3 等压过程线(8-15)对于等压过程：尸二常数，海=0，故有:由式（8-16）可知等压过程在S-T图上为对数曲线，如图 热量用式（8-17）表示。(8-16)(8-17)所吸入的1. 等温过程等温过程在T-S图上为水平线，当从孔至四点时（队孔），即从图8-4上的1点至尸点，此时应该传出热量时

12、其值由图8-4中的面积*12表示， 即：= 一式了 匝=一、(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中的以线。绝热过程中，传入的热量如二,同时没有流动损失，艮 = 0那么dS=0, S=常数，故又称为等熵过程，此时压缩功妇可表示为：(8-19)即妇相当于等压压缩从尸至2，也相当于成 2所围的面积，同时可以看出：aba诚2所以等熵压缩功大于等温压缩功，差值为2%叮，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，在多变过程中如HO彳丽H,为了简

13、单分别讨论:此种多变过程由图8-5(a)中12曲线表示。a.在多变过程中存在流动损失，无传入的热量，即#0多变压缩功为皿(8-20)命为图8-5 (a)中的a2”221ba所围的面积。而理论功小为:图8-5 (a)多变过程线路图 8-5 (b)-21)-.-I1 -2我二顷 十-十械=舄待)十一(8其中版为图8-5 (a)中加2迎所围的面积，在不考虑动能变化时，玷为妃吃金死f 所围的面积，在图8-5 (a)中流动损失所做的功跳即为损失转化为热量传入系 统，此热量为以丽。当有热量乳传入时，总功-为：I广？ 广卫y =坎+火=膈+项期+口 + n(8-22)当不考虑动能变化时，此时即为德穿左队所围的面积。此时图8-中12泌为 饥十瞄。b.有热交换的多变过程，考虑比较简单的q疽的情况，可用图却仍由图8-5(b)中面积度2*2也出表示，阈为&七灵，而宓为刻2肝迎那么在不考虑动能变化时，疽妇-公=河十电如匕为妃吃出所围的面积。此种多变过程为放热过程，由于有冷却那么。五、总耗功和功率可用下式表示:那么总功率为:轮阻功率为:式中：H为轮阻损失功率六、滞止参数的表示:令r为滞止温度（即总温翁），其表示为:为滞止焓。滞止压力日，可以用绝热过程表示出: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R河，绝热效率由，以及等温效率其1.多