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第三章離心式壓縮機,西安石油大學(xué)鄧志安,離心式壓縮機,離心式壓縮機是一種高速旋轉(zhuǎn)的透平式（turbine）機械，其作用是一種能量轉(zhuǎn)換機械。在驅(qū)動機的拖動下，以消耗機械能達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。,離心壓縮機工作原理與活塞壓縮機的不同點：活塞式壓縮機是通過活塞來改變氣缸的容積，從而達到壓縮氣體提高壓力的目的。離心壓縮機是利用氣體動力學(xué)的方法，即利用高速回轉(zhuǎn)的葉輪對氣體作功，使氣體在離心力場中使壓力和動能都得到提高，然后在擴張流道中在將大部分的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力得到進一步的提高。,,離心壓縮機工作原理,葉輪在驅(qū)動機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，在葉輪入口產(chǎn)生負壓區(qū)，從而使氣體從進氣口到達吸氣室，再經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，葉輪對氣體做功，使氣體的壓力和動能得到提高，然后進入擴壓室，擴壓室是一個流通截面積逐漸擴大的流道空間，使葉輪出來的高速氣體盡可能的將動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，然后通過彎道，進入回流器，再進入下一級葉輪，使氣體壓力進一步得到提高，氣體從最后一級葉輪出來后進入蝸殼，最后從排氣口排出。,離心壓縮機的組成,在動靜部件之間還設(shè)有密封元件,離心壓縮機各截面代號的約定:,in——吸氣管進口截面0——葉輪進口截面1——葉輪葉道進口截面2——葉輪出口截面3——擴壓器進口截面4——擴壓器出口截面5——彎道出口截面6——回流器出口截面0’——本級出口截面7——排氣渦殼進口截面out——排氣渦殼出口截面,,離心壓縮機的優(yōu)缺點：,優(yōu)點：1、離心壓縮機排氣量大，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，機組尺寸小，占地面積小。2、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作可靠，摩擦件少，因此備件需用量少，維護費用及人員少。3、在化工流程中，離心壓縮機對化工介質(zhì)可以做到絕對無油的壓縮過程。4、離心壓縮機為一種回轉(zhuǎn)運動機械，它適宜于工業(yè)汽輪機或燃汽輪機直接拖動，對一般大型化工廠，常用副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動工業(yè)汽輪機作為動力，為熱能綜合利用提供了可能。缺點：1、目前還不太適用于氣量太小及壓力比過高的場合。且單級能夠提供的壓力比較活塞式壓縮機小。2、穩(wěn)定工況區(qū)較窄，氣量調(diào)節(jié)雖然方便，但經(jīng)濟性較差。3、工作效率一般比活塞壓縮機低。,第二節(jié)離心壓縮機的氣動熱力學(xué)氣體在葉輪中實際狀況,⑴氣體在流道中流動時呈三元流動狀態(tài)，即氣體的狀態(tài)參數(shù)沿軸向、周向、徑向都是變化的。⑵實際氣體流動是非定常的。如：氣體在葉道中流動的相對速度⑶流動的都是實際氣體，都有粘性。在內(nèi)部流場的計算中應(yīng)考慮氣體粘性力的影響。⑷氣體流動邊界層的存在，會產(chǎn)生復(fù)雜的流動現(xiàn)象。⑸應(yīng)考慮實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氣體在級中流動的概念和基本方程1歐拉公式,假設(shè)氣體無預(yù)旋的進入葉輪,由于葉片無限多，β2=β2A,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=14~18，而且葉片有一定的厚度。,1、葉輪上流速及壓力實際分布（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β2等溫效率。,忽略,4）流動效率,多變能頭系數(shù),產(chǎn)生流動損失的原因：,①波阻損失：因氣體的壓縮性，使氣速達到或超過音速時形成的激波阻力損失（見圖），這種損失實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。②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氣體在級中的能量損失,1、摩擦損失：,氣體在壓縮機級的流道中流動，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δ。,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量擴張角θ≤6~8,經(jīng)驗方法是控制進出口的相對速度比,3、二次流損失,與主流方向垂直的流動造成的損失，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,當流量偏離設(shè)計工況點時使得β1≠β1A，于是氣流對葉片產(chǎn)生沖擊造成沖擊損失。損失大小與進氣沖角i=β1A-β1有關(guān)。當流量小于設(shè)計工況時i>0，當流量大于設(shè)計工況時i<0。,級中輪阻損失,,面積,摩擦力矩,設(shè)圓盤附近氣體的密度ρ不變，且等于葉輪出口處的ρ2；設(shè)圓盤內(nèi)徑等于0，則,級中泄漏損失,式中：a=0.7Z=4~6齒，齒頂間隙s≈0.4mm，,因圓盤有兩個側(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),,,多級離心壓縮機,由于離心壓縮機每級所能提供的壓縮比很小1.2~1.5，所以離心式壓縮機大多采用多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)來滿足工藝壓力比的要求。單機級數(shù)最多可達9級。為了節(jié)省功耗，在離心式壓縮機中同樣可以采用中間冷卻器的方法降低排氣溫度。,離心壓縮機的性能曲線,在該曲線上的每個點即代表著壓縮機的一個工況，把效率最高的工況點稱為最佳工況點。注意：該圖是在一定轉(zhuǎn)速下測定的。在性能曲線最左邊對應(yīng)著喘振點。右邊對應(yīng)著壓縮機的堵塞點。兩點之間為壓縮機的穩(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,壓縮機在使用中總是需要管網(wǎng)與其配套。管網(wǎng)包括與壓縮機連接的進氣管路、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)中流動時，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,壓縮機與管網(wǎng)聯(lián)合工作,,壓縮機工作點的兩個條件：a、壓縮機的排氣量等于管網(wǎng)的需氣量；b、壓縮機提供的排氣壓力等于管網(wǎng)需要的端壓。穩(wěn)定工作點的判定條件：,——具有穩(wěn)定工況點,——具有不穩(wěn)定工況點,離心式壓縮機串聯(lián)和并聯(lián)工作,多臺離心壓縮機可以串聯(lián)或并聯(lián)在管網(wǎng)中使用。機組并聯(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中應(yīng)用,相似理論在離心式壓縮機中的應(yīng)用是十分重要的問題，它可為試驗研究、相似設(shè)計和性能換算提供理論依據(jù)。離心壓縮機相似實際是研究氣體在壓縮機內(nèi)接受葉輪外功進行能量交換過程中的流動相似問題。流動相似是指氣體在流經(jīng)幾何相似的機器時，其任意對應(yīng)點的同名物理量的比值相等。氣體流動的基本物理量有T、p、c若兩機流動相似，兩機間任意點處的T、p、c比值相等。相似的條件：流動相似時兩機間幾何、運動、動力、熱力必須相似。對于幾何相似是指同名幾何參數(shù)對應(yīng)比值等于常數(shù)，且任意點處葉片安裝角必須相等。,注意：要產(chǎn)生相似流動只能發(fā)生在幾何相似的流道，其是相似流動最基本的要素。,運動相似的條件,對于運動相似是指兩機內(nèi)部流動的流型相似，即兩機任意對應(yīng)點處的速度大小成比例，且為一個常數(shù)，速度的方向相同——速度三角形相似。,,,可以證明：對于幾何相似的流道內(nèi)當進口速度三角形相似則能保證后續(xù)的運動相似。動力相似的條件：動力相似是指兩機氣流在對應(yīng)點上所受的同名力的比值相等。離心壓縮機中對氣流流動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)生單位容積相對變化率時所需的壓強增量。,因氣體容積變化率與密度變化率剛好相反。,力是壓強乘以面積，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：,若兩機對應(yīng)的雷諾數(shù)相等則兩機對應(yīng)點的慣性力的比值等于對應(yīng)點的粘性力比值。雷諾數(shù)相等實際是反映流體粘性對流體流動的影響相當，當兩機雷諾數(shù)相等時，兩機對應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)相等，但由于透平式機械雷諾數(shù)一般大于臨界值，機內(nèi)流動已進入自動?；瘏^(qū)，這時流動摩擦阻力系數(shù)近似為一常數(shù)，因此可不必考慮它對流動的影響。,依相似定義得動力相似的條件,,,兩機動力要相似只要滿足兩機任意對應(yīng)點處馬赫數(shù)相等。,當兩機幾何相似和速度三角形相似的前提下，只要滿足兩機某個截面馬赫數(shù)相等，其他截面馬赫數(shù)也相等。通常取進口截面。,注意書中：特征馬赫數(shù)相等,熱力相似條件：,兩機熱力相似是指在各對應(yīng)點處同類熱力參數(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)，因此此時還需兩機的,兩機相似的條件：流道幾何相似，進口速度三角形相似，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3-54~59,自學(xué)：1、壓縮機的各種調(diào)節(jié)方法及其特點和壓縮機附屬系統(tǒng)P104~1092、壓縮機的選型P125~136,多級離心壓縮機組,,,有限多葉片流速及壓力分布,,,軸向渦流,,流道中流體的實際流動,,,聲音的傳播,,