第三章離心式壓縮機(jī),西安石油大學(xué)鄧志安,離心式壓縮機(jī),離心式壓縮機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的透平式（turbine）機(jī)械，其作用是一種能量轉(zhuǎn)換機(jī)械。在驅(qū)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下，以消耗機(jī)械能達(dá)到排送和壓縮各種氣體，使氣體壓力提高，滿足各種不同工藝流程的需要。,離心壓縮機(jī)工作原理與活塞壓縮機(jī)的不同點(diǎn)：活塞式壓縮機(jī)是通過活塞來改變氣缸的容積，從而達(dá)到壓縮氣體提高壓力的目的。離心壓縮機(jī)是利用氣體動(dòng)力學(xué)的方法，即利用高速回轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體作功，使氣體在離心力場(chǎng)中使壓力和動(dòng)能都得到提高，然后在擴(kuò)張流道中在將大部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力得到進(jìn)一步的提高。,離心壓縮機(jī)工作原理,葉輪在驅(qū)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，在葉輪入口產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，從而使氣體從進(jìn)氣口到達(dá)吸氣室，再經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，葉輪對(duì)氣體做功，使氣體的壓力和動(dòng)能得到提高，然后進(jìn)入擴(kuò)壓室，擴(kuò)壓室是一個(gè)流通截面積逐漸擴(kuò)大的流道空間，使葉輪出來的高速氣體盡可能的將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，然后通過彎道，進(jìn)入回流器，再進(jìn)入下一級(jí)葉輪，使氣體壓力進(jìn)一步得到提高，氣體從最后一級(jí)葉輪出來后進(jìn)入蝸殼，最后從排氣口排出。,離心壓縮機(jī)的組成,在動(dòng)靜部件之間還設(shè)有密封元件,離心壓縮機(jī)各截面代號(hào)的約定:,in吸氣管進(jìn)口截面0葉輪進(jìn)口截面1葉輪葉道進(jìn)口截面2葉輪出口截面3擴(kuò)壓器進(jìn)口截面4擴(kuò)壓器出口截面5彎道出口截面6回流器出口截面0本級(jí)出口截面7排氣渦殼進(jìn)口截面out排氣渦殼出口截面,離心壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：1、離心壓縮機(jī)排氣量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，機(jī)組尺寸小，占地面積小。2、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作可靠，摩擦件少，因此備件需用量少，維護(hù)費(fèi)用及人員少。3、在化工流程中，離心壓縮機(jī)對(duì)化工介質(zhì)可以做到絕對(duì)無油的壓縮過程。4、離心壓縮機(jī)為一種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械，它適宜于工業(yè)汽輪機(jī)或燃汽輪機(jī)直接拖動(dòng)，對(duì)一般大型化工廠，常用副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動(dòng)工業(yè)汽輪機(jī)作為動(dòng)力，為熱能綜合利用提供了可能。缺點(diǎn)：1、目前還不太適用于氣量太小及壓力比過高的場(chǎng)合。且單級(jí)能夠提供的壓力比較活塞式壓縮機(jī)小。2、穩(wěn)定工況區(qū)較窄，氣量調(diào)節(jié)雖然方便，但經(jīng)濟(jì)性較差。3、工作效率一般比活塞壓縮機(jī)低。,第二節(jié)離心壓縮機(jī)的氣動(dòng)熱力學(xué)氣體在葉輪中實(shí)際狀況,氣體在流道中流動(dòng)時(shí)呈三元流動(dòng)狀態(tài)，即氣體的狀態(tài)參數(shù)沿軸向、周向、徑向都是變化的。實(shí)際氣體流動(dòng)是非定常的。如：氣體在葉道中流動(dòng)的相對(duì)速度流動(dòng)的都是實(shí)際氣體，都有粘性。在內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算中應(yīng)考慮氣體粘性力的影響。氣體流動(dòng)邊界層的存在，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。應(yīng)考慮實(shí)際氣體的壓縮因子的影響。,1理想氣體狀態(tài)方程、過程方程和壓縮功,2實(shí)際氣體狀態(tài)方程、過程方程和壓縮功,1）狀態(tài)方程,2）過程方程,3-3氣體在級(jí)中流動(dòng)的概念和基本方程1歐拉公式,假設(shè)氣體無預(yù)旋的進(jìn)入葉輪,由于葉片無限多，2=2A,流量系數(shù)或葉輪徑向分速系數(shù),無窮多葉片葉輪周向分速系數(shù),無限多葉片葉輪的理論能量頭的影響因素,1）、u2的影響,注意：u2的增大不是無限的，將受葉輪材質(zhì)和氣體馬赫數(shù)的限制。,2）、周向分速系數(shù)的影響,由連續(xù)性方程得：,堵塞系數(shù)與葉輪幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，見書P77式3-3,有限葉片葉輪的理論能量頭,通常后彎型葉片的葉輪，葉片數(shù)一般為Z=1418，而且葉片有一定的厚度。,1、葉輪上流速及壓力實(shí)際分布（見圖）原因：軸向渦流由于流體本身的慣性，使流體在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉道中出現(xiàn)了與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，旋轉(zhuǎn)次數(shù)相同的環(huán)流現(xiàn)象軸向渦流。（見圖）,2、改變了出口速度三角形,由于有限葉片葉輪中存在軸向渦流，不僅使葉道中同一截面相對(duì)速度分布不均勻，而且使葉輪出口速度方向偏離葉片的切線方向，即2等溫效率。,忽略,4）流動(dòng)效率,多變能頭系數(shù),產(chǎn)生流動(dòng)損失的原因：,波阻損失：因氣體的壓縮性，使氣速達(dá)到或超過音速時(shí)形成的激波阻力損失（見圖），這種損失實(shí)際是激波前后氣流壓力、速度、密度、溫度等參數(shù)突躍變化而造成的一種不可逆的能量損失。氣體本身的粘滯性，由摩擦、渦流而產(chǎn)生的能量損失。,粘滯性引起的流動(dòng)損失主要表現(xiàn)形式：,1、摩擦損失2、分離損失3、二次渦流損失4、尾跡損失5、沖擊損失,3-4氣體在級(jí)中的能量損失,1、摩擦損失：,氣體在壓縮機(jī)級(jí)的流道中流動(dòng)，因氣體粘性的存在，在貼近流道壁處產(chǎn)生邊界層，出現(xiàn)磨擦損失。,在實(shí)際氣體速度與理想氣體的速度相差1%的氣體層厚度，稱為邊界層厚度。,規(guī)定：貼近壁面有速度梯度的這一氣體薄層，稱為邊界層。,2、分離損失,減少分離損失的措施使控制流道的當(dāng)量擴(kuò)張角68,經(jīng)驗(yàn)方法是控制進(jìn)出口的相對(duì)速度比,3、二次流損失,與主流方向垂直的流動(dòng)造成的損失，由哥氏力和流道彎曲引起。主要發(fā)生在葉輪的葉道、彎道及吸氣室等有急劇轉(zhuǎn)彎之處。,4、尾跡損失,5、沖擊損失,當(dāng)流量偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)使得11A，于是氣流對(duì)葉片產(chǎn)生沖擊造成沖擊損失。損失大小與進(jìn)氣沖角i=1A-1有關(guān)。當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)工況時(shí)i>0，當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)工況時(shí)i<0。,級(jí)中輪阻損失,面積,摩擦力矩,設(shè)圓盤附近氣體的密度不變，且等于葉輪出口處的2；設(shè)圓盤內(nèi)徑等于0，則,級(jí)中泄漏損失,式中：a=0.7Z=46齒，齒頂間隙s0.4mm，,因圓盤有兩個(gè)側(cè)面，故消耗的功率,KW,圓盤外緣摩擦力矩,式中e輪盤外緣寬度,圓盤外緣消耗功率,KW,輪盤摩擦總損失功率為,KW,葉輪輪阻損失系數(shù),多級(jí)離心壓縮機(jī),由于離心壓縮機(jī)每級(jí)所能提供的壓縮比很小1.21.5，所以離心式壓縮機(jī)大多采用多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)來滿足工藝壓力比的要求。單機(jī)級(jí)數(shù)最多可達(dá)9級(jí)。為了節(jié)省功耗，在離心式壓縮機(jī)中同樣可以采用中間冷卻器的方法降低排氣溫度。,離心壓縮機(jī)的性能曲線,在該曲線上的每個(gè)點(diǎn)即代表著壓縮機(jī)的一個(gè)工況，把效率最高的工況點(diǎn)稱為最佳工況點(diǎn)。注意：該圖是在一定轉(zhuǎn)速下測(cè)定的。在性能曲線最左邊對(duì)應(yīng)著喘振點(diǎn)。右邊對(duì)應(yīng)著壓縮機(jī)的堵塞點(diǎn)。兩點(diǎn)之間為壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)。,喘振原因,旋轉(zhuǎn)脫離,阻塞原因,管網(wǎng)特性曲線,壓縮機(jī)在使用中總是需要管網(wǎng)與其配套。管網(wǎng)包括與壓縮機(jī)連接的進(jìn)氣管路、排氣管路以及這些管路上的附件及設(shè)備的總稱。,氣體在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)，需要有足夠的壓力來克服沿程阻力和各種局部阻力，每條管網(wǎng)都有自己的特性曲線，即氣體通過管網(wǎng)流量與保證這個(gè)流量通過所需的壓力之間的關(guān)系曲線，其取決于管網(wǎng)本身與用戶的需要。,管網(wǎng)特性曲線形式,壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作,壓縮機(jī)工作點(diǎn)的兩個(gè)條件：a、壓縮機(jī)的排氣量等于管網(wǎng)的需氣量；b、壓縮機(jī)提供的排氣壓力等于管網(wǎng)需要的端壓。穩(wěn)定工作點(diǎn)的判定條件：,具有穩(wěn)定工況點(diǎn),具有不穩(wěn)定工況點(diǎn),離心式壓縮機(jī)串聯(lián)和并聯(lián)工作,多臺(tái)離心壓縮機(jī)可以串聯(lián)或并聯(lián)在管網(wǎng)中使用。機(jī)組并聯(lián)可增大供氣量，串聯(lián)可提高供氣壓力。,相似理論在離心式壓縮機(jī)中應(yīng)用,相似理論在離心式壓縮機(jī)中的應(yīng)用是十分重要的問題，它可為試驗(yàn)研究、相似設(shè)計(jì)和性能換算提供理論依據(jù)。離心壓縮機(jī)相似實(shí)際是研究氣體在壓縮機(jī)內(nèi)接受葉輪外功進(jìn)行能量交換過程中的流動(dòng)相似問題。流動(dòng)相似是指氣體在流經(jīng)幾何相似的機(jī)器時(shí)，其任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)的同名物理量的比值相等。氣體流動(dòng)的基本物理量有T、p、c若兩機(jī)流動(dòng)相似，兩機(jī)間任意點(diǎn)處的T、p、c比值相等。相似的條件：流動(dòng)相似時(shí)兩機(jī)間幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、熱力必須相似。對(duì)于幾何相似是指同名幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)比值等于常數(shù)，且任意點(diǎn)處葉片安裝角必須相等。,注意：要產(chǎn)生相似流動(dòng)只能發(fā)生在幾何相似的流道，其是相似流動(dòng)最基本的要素。,運(yùn)動(dòng)相似的條件,對(duì)于運(yùn)動(dòng)相似是指兩機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的流型相似，即兩機(jī)任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的速度大小成比例，且為一個(gè)常數(shù)，速度的方向相同速度三角形相似。,可以證明：對(duì)于幾何相似的流道內(nèi)當(dāng)進(jìn)口速度三角形相似則能保證后續(xù)的運(yùn)動(dòng)相似。動(dòng)力相似的條件：動(dòng)力相似是指兩機(jī)氣流在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上所受的同名力的比值相等。離心壓縮機(jī)中對(duì)氣流流動(dòng)起主要作用的力有慣性力、粘性力、彈性力。,由因次分析得:,慣性力,粘性力,彈性力是指氣體在流動(dòng)中由于體積發(fā)生變化所需的力。彈性力大小與氣體的彈性系數(shù)有關(guān)。彈性系數(shù)的物理含義是：產(chǎn)生單位容積相對(duì)變化率時(shí)所需的壓強(qiáng)增量。,因氣體容積變化率與密度變化率剛好相反。,力是壓強(qiáng)乘以面積，所以彈性力必然與彈性系數(shù)及受力面積成正比。彈性力為：,若兩機(jī)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)相等則兩機(jī)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的慣性力的比值等于對(duì)應(yīng)點(diǎn)的粘性力比值。雷諾數(shù)相等實(shí)際是反映流體粘性對(duì)流體流動(dòng)的影響相當(dāng)，當(dāng)兩機(jī)雷諾數(shù)相等時(shí)，兩機(jī)對(duì)應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)相等，但由于透平式機(jī)械雷諾數(shù)一般大于臨界值，機(jī)內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入自動(dòng)模化區(qū)，這時(shí)流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)近似為一常數(shù)，因此可不必考慮它對(duì)流動(dòng)的影響。,依相似定義得動(dòng)力相似的條件,兩機(jī)動(dòng)力要相似只要滿足兩機(jī)任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)處馬赫數(shù)相等。,當(dāng)兩機(jī)幾何相似和速度三角形相似的前提下，只要滿足兩機(jī)某個(gè)截面馬赫數(shù)相等，其他截面馬赫數(shù)也相等。通常取進(jìn)口截面。,注意書中：特征馬赫數(shù)相等,熱力相似條件：,兩機(jī)熱力相似是指在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)處同類熱力參數(shù)比值相等，如溫度比、壓力比、速度比、比容比等。這些比值均是（M、k）的函數(shù)，因此此時(shí)還需兩機(jī)的,兩機(jī)相似的條件：流道幾何相似，進(jìn)口速度三角形相似，馬赫數(shù)相等，絕熱過程指數(shù)相等。相似定律的應(yīng)用P103式3-5459,自學(xué)：1、壓縮機(jī)的各種調(diào)節(jié)方法及其特點(diǎn)和壓縮機(jī)附屬系統(tǒng)P1041092、壓縮機(jī)的選型P125136,多級(jí)離心壓縮機(jī)組,有限多葉片流速及壓力分布,軸向渦流,流道中流體的實(shí)際流動(dòng),聲音的傳播,