第三章離心式壓縮機(jī)_6

1、LOGO離心式離心式壓縮機(jī)壓縮機(jī)過程流體機(jī)械過程流體機(jī)械第三章第三章 離心式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)和工作原理離心式壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)和工作原理3.3.1 1性能調(diào)節(jié)與控制性能調(diào)節(jié)與控制3.23.2安全可靠性安全可靠性3.33.3 選型選型( (軸流式壓縮機(jī)軸流式壓縮機(jī)) )3.43.4菜單菜單 離心式壓縮機(jī)的基本方程離心式壓縮機(jī)的基本方程概述概述氣體壓縮機(jī)氣體壓縮機(jī)容積式容積式透平式透平式往復(fù)式往復(fù)式回轉(zhuǎn)式回轉(zhuǎn)式活活塞塞式式柱柱塞塞式式隔膜式隔膜式羅茨式羅茨式葉氏式葉氏式螺桿式螺桿式滑片式滑片式離心式離心式軸流式軸流式斜流式斜流式復(fù)合式復(fù)合式 離心壓縮機(jī)和軸流式壓縮機(jī)等習(xí)慣稱為風(fēng)機(jī)

2、，離心壓縮機(jī)和軸流式壓縮機(jī)等習(xí)慣稱為風(fēng)機(jī)，分壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)。分壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)。按排出壓力分類按排出壓力分類 0.015 0.015MPa MPa 通風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī) 0.015 0.015MPa-MPa-（0.30.3MPa-0.35MPaMPa-0.35MPa） 鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī) （0.30.3MPa-0.35MPaMPa-0.35MPa） 壓縮機(jī)壓縮機(jī)離心壓縮機(jī)離心壓縮機(jī): :速度式透平機(jī)械。速度式透平機(jī)械。概述概述離心壓縮機(jī)的發(fā)展概況離心壓縮機(jī)的發(fā)展概況新技術(shù)、新工藝使得離心壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈新技術(shù)、新工藝使得離心壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣。（石油化工、油氣集輸）。廣。（石油化工

3、、油氣集輸）。l 離心壓縮機(jī)是在通風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來離心壓縮機(jī)是在通風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來l 流量流量10000m10000m3 3/min/minl 提高了轉(zhuǎn)速，大都在提高了轉(zhuǎn)速，大都在35000rpm35000rpm以上，同時解決了以上，同時解決了 高速度軸承及其動平衡問題高速度軸承及其動平衡問題l 浮環(huán)密封結(jié)構(gòu)，解決了高壓下的軸端密封浮環(huán)密封結(jié)構(gòu)，解決了高壓下的軸端密封l 筒型及雙層殼解決了強(qiáng)度問題和機(jī)體密封筒型及雙層殼解決了強(qiáng)度問題和機(jī)體密封l 電火花加工使小流量下窄流道葉輪的加工得到解決電火花加工使小流量下窄流道葉輪的加工得到解決吳仲華教授吳仲華教授(1917-1992)(1917-19

4、92)19471947年美國麻省理工年美國麻省理工博士學(xué)位博士學(xué)位美國美國NASANASA科學(xué)家科學(xué)家準(zhǔn)三元流動基本理論準(zhǔn)三元流動基本理論u6060年代開始應(yīng)用年代開始應(yīng)用準(zhǔn)三元流動理準(zhǔn)三元流動理論論, ,設(shè)計空間扭曲葉片設(shè)計空間扭曲葉片, ,以改善級以改善級的流動性能，提高效率。的流動性能，提高效率。 單軸離心式壓縮機(jī)單軸離心式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)u 能量轉(zhuǎn)化過程：機(jī)械能能量轉(zhuǎn)化過程：機(jī)械能氣體動能、壓能氣體動能、壓能進(jìn)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成壓能一步轉(zhuǎn)換成壓能 u葉輪葉輪轉(zhuǎn)速越高、直徑轉(zhuǎn)速越高、直徑越大越大傳遞的能量越大。傳遞的能量越大。 工作原理工作原理驅(qū)動機(jī)驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)

5、葉輪入口產(chǎn)生負(fù)壓（吸氣）葉輪入口產(chǎn)生負(fù)壓（吸氣）氣體在葉輪增速及氣體在葉輪增速及后面流道中擴(kuò)壓后面流道中擴(kuò)壓被壓縮氣體連續(xù)被壓縮氣體連續(xù)從蝸殼排出從蝸殼排出氣體的流動過程：氣體的流動過程：EI 120EI 120 6.35/0.956.35/0.95 E E：有中間冷卻器的多級高速離心壓縮機(jī)：有中間冷卻器的多級高速離心壓縮機(jī) I I：代表汽缸，羅馬字：代表汽缸，羅馬字I I 主要結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)v葉輪葉輪擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器 彎道彎道回流器回流器蝸殼蝸殼吸氣室吸氣室吸氣室吸氣室離心式壓縮離心式壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)機(jī)典型結(jié)構(gòu)葉輪葉輪擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器彎道彎道回流器回流器出口蝸殼出口蝸殼吸氣室吸氣室轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)軸，固定在

6、軸上的葉輪、：轉(zhuǎn)軸，固定在軸上的葉輪、軸套、聯(lián)軸器及平衡盤等軸套、聯(lián)軸器及平衡盤等。離心壓縮機(jī)離心壓縮機(jī)定子定子：壓縮機(jī)的固定元件，如機(jī)殼、：壓縮機(jī)的固定元件，如機(jī)殼、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、蝸殼、吸擴(kuò)壓器、彎道、回流器、蝸殼、吸氣室氣室。離心式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu) 葉葉 輪：唯一做功部件，增加氣體能量；輪：唯一做功部件，增加氣體能量； 擴(kuò)壓器：主要轉(zhuǎn)能裝置（泵中蝸殼或?qū)~）速度能擴(kuò)壓器：主要轉(zhuǎn)能裝置（泵中蝸殼或?qū)~）速度能轉(zhuǎn)換為壓力能轉(zhuǎn)換為壓力能 彎彎 道：在擴(kuò)壓器后使離心流動變?yōu)橄蛐牧鲃?，引道：在擴(kuò)壓器后使離心流動變?yōu)橄蛐牧鲃?，引入下一級入下一?回流器：使氣流以一定方向均勻流

7、入下一級葉輪入回流器：使氣流以一定方向均勻流入下一級葉輪入口，有的裝有導(dǎo)向葉片?？?，有的裝有導(dǎo)向葉片。 吸氣室：將進(jìn)氣管中氣體均勻?qū)肴~輪。吸氣室：將進(jìn)氣管中氣體均勻?qū)肴~輪。 蝸蝸 殼：收集氣體，引出；降速擴(kuò)壓作用。殼：收集氣體，引出；降速擴(kuò)壓作用。主要過流部件：主要過流部件：離心式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)級：級：段：段：缸：缸：由由一個葉輪與其相配合的固定元件一個葉輪與其相配合的固定元件所構(gòu)成所構(gòu)成以以中間冷卻器中間冷卻器作為分段的標(biāo)志，可以由幾個作為分段的標(biāo)志，可以由幾個級構(gòu)成級構(gòu)成一個機(jī)殼稱為一缸，多機(jī)殼稱為多缸（在葉一個機(jī)殼稱為一缸，多機(jī)殼稱為多缸（在葉輪數(shù)較多時采用）輪數(shù)

8、較多時采用）吸氣室、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、蝸殼吸氣室、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、蝸殼主要部件及典型結(jié)構(gòu)：主要部件及典型結(jié)構(gòu)：第一段第一段第二段第二段級是離心壓縮機(jī)使氣體增壓的基本單元。分為首級、級是離心壓縮機(jī)使氣體增壓的基本單元。分為首級、中間級、末級中間級、末級中間級中間級: : 由由葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器組成；首級：組成；首級：吸氣室吸氣室+ +中間級；末級：葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼中間級；末級：葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼級的典型結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵截面級的典型結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵截面離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)與特點離心壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)與特點 級的典型結(jié)構(gòu)級的典型結(jié)構(gòu) （各元件通流截面變化及

9、能量轉(zhuǎn)換情況）（各元件通流截面變化及能量轉(zhuǎn)換情況） 特征截面特征截面in - in0-01-12-23-34-45-56-6 0- 0說明說明(首級首級,中間級中間級)吸氣管吸氣管(機(jī)機(jī))進(jìn)口進(jìn)口葉輪葉輪(級級)進(jìn)口進(jìn)口葉片葉片進(jìn)口進(jìn)口葉輪葉輪出口出口擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器進(jìn)口進(jìn)口擴(kuò)壓器出口擴(kuò)壓器出口彎道進(jìn)口彎道進(jìn)口彎道出口彎道出口回流器進(jìn)口回流器進(jìn)口回流器回流器出口出口級出口級出口下級進(jìn)口下級進(jìn)口參數(shù)參數(shù)p, c, t p, c, t壓力壓力 p, 流速流速 c, 溫度溫度 t能量能量絕能絕能流動流動增能增能(做功做功)絕能絕能流動流動 1. 1. 按葉輪結(jié)構(gòu)型式按葉輪結(jié)構(gòu)型式閉式葉輪閉式葉輪：性能好

10、、效率高；由于輪蓋的影響，葉輪：性能好、效率高；由于輪蓋的影響，葉輪圓周速度受到限制。圓周速度受到限制。半開式葉輪半開式葉輪：效率較低，強(qiáng)度較高。：效率較低，強(qiáng)度較高。雙面進(jìn)氣葉輪雙面進(jìn)氣葉輪：適用于大流量，且軸向力平衡好。：適用于大流量，且軸向力平衡好。 離心式葉輪的典型結(jié)構(gòu)離心式葉輪的典型結(jié)構(gòu)按葉輪葉片彎曲型式（葉片的出口安裝角）按葉輪葉片彎曲型式（葉片的出口安裝角）后彎型葉輪后彎型葉輪：A A 9090，級效率高，穩(wěn)定工作范圍寬。，級效率高，穩(wěn)定工作范圍寬。徑向型葉輪徑向型葉輪： A A 90 90 ，性能介于后彎型和前彎型之間。，性能介于后彎型和前彎型之間。 前彎型葉輪前彎型葉輪： A

11、 A9090，級效率較低，穩(wěn)定工作范圍窄。，級效率較低，穩(wěn)定工作范圍窄。A A相對速度相對速度w牽連速度牽連速度u絕對速度絕對速度c速度三角形速度三角形葉輪進(jìn)出口的速度三角形葉輪進(jìn)出口的速度三角形氣流在葉輪中流動的絕對速度為相對速氣流在葉輪中流動的絕對速度為相對速度和牽連速度的矢量和度和牽連速度的矢量和uwc稱為速度三角形。三角形三矢量組成一個封閉的,uwc位于葉輪葉道內(nèi)任一點的流體質(zhì)點的運動狀態(tài)，均位于葉輪葉道內(nèi)任一點的流體質(zhì)點的運動狀態(tài)，均可用一個速度三角形來表達(dá)?？捎靡粋€速度三角形來表達(dá)。實際應(yīng)用中，主要用進(jìn)、出口的速度三角形。它的實際應(yīng)用中，主要用進(jìn)、出口的速度三角形。它的形狀和大小將

12、直接關(guān)系到葉輪和流體間的能量交形狀和大小將直接關(guān)系到葉輪和流體間的能量交換（功耗）。換（功耗）。crcucwu葉輪與速度三角形中各參數(shù)的含義如下：葉輪與速度三角形中各參數(shù)的含義如下：氣流絕對速度與圓周速度的夾角。氣流絕對速度與圓周速度的夾角。氣流氣流相對速度與圓周速度反方向的夾角，相對速度與圓周速度反方向的夾角，液流角液流角。cr 絕對速度的徑向分速；絕對速度的徑向分速；cu 絕對速度的周向分速。絕對速度的周向分速。A葉片安置角（葉片在該點的切線與圓周速度反方葉片安置角（葉片在該點的切線與圓周速度反方向的夾角）。向的夾角）。當(dāng)葉片數(shù)無窮多時，當(dāng)葉片數(shù)無窮多時， A A葉輪出口處的葉輪出口處的葉

13、片安置角葉片安置角A又叫葉片離角。又叫葉片離角。crcucwu相對速度相對速度w牽連速度牽連速度u絕對速度絕對速度c 離心葉輪的典型結(jié)構(gòu)離心葉輪的典型結(jié)構(gòu) 葉輪葉輪速度三角形速度三角形： 葉輪透平機(jī)械理論基礎(chǔ)葉輪透平機(jī)械理論基礎(chǔ) 適用壓縮機(jī)、泵、汽輪機(jī)等適用壓縮機(jī)、泵、汽輪機(jī)等 下標(biāo)：下標(biāo)： 1 葉輪進(jìn)口截面葉輪進(jìn)口截面 2 葉輪出口截面葉輪出口截面 A 葉片葉片 th 理論參數(shù)理論參數(shù) 葉片無限多葉片無限多 （無限薄，不占體積）無限薄，不占體積）理論參數(shù)理論參數(shù)實際參數(shù)實際參數(shù)葉輪出口葉輪出口速度三角形速度三角形葉輪進(jìn)口葉輪進(jìn)口速度三角形速度三角形絕對速度絕對速度葉輪出口葉輪出口速度三角形速

14、度三角形葉輪進(jìn)口葉輪進(jìn)口速度三角形速度三角形 離心葉輪的典型結(jié)構(gòu)離心葉輪的典型結(jié)構(gòu) 葉輪葉輪速度三角形速度三角形 氣流速度：氣流速度： 絕對速度絕對速度（氣流速度）（氣流速度） c 、c2 、c1 牽連速度牽連速度（葉輪圓周速度）（葉輪圓周速度） u r（角速度）、（角速度）、u2 、u1 相對速度相對速度（流動速度）（流動速度） w 、w2 、w1 氣流角度：氣流角度：（實際參數(shù)）（實際參數(shù)） 2（ w2 ，- u2 ） 2（ c2 ，u2 ） 結(jié)構(gòu)角度：結(jié)構(gòu)角度：（理論參數(shù)）（理論參數(shù)） 葉片出口角葉片出口角2A（ 切線，切線，- u 反向）反向） 與流動和介質(zhì)無關(guān)與流動和介質(zhì)無關(guān) （理想

15、狀況（理想狀況2 2A ）相對速度相對速度圓周圓周速度速度葉輪進(jìn)口葉輪進(jìn)口速度三角形速度三角形葉輪進(jìn)口葉輪進(jìn)口速度三角形速度三角形離心葉輪的典型結(jié)構(gòu)離心葉輪的典型結(jié)構(gòu) 葉輪葉輪速度三角形速度三角形 分速度：分速度： 周向分速度周向分速度 （c 在圓周方向分量）在圓周方向分量） cu 、c2u 、c1u 與能量（揚程）有關(guān)與能量（揚程）有關(guān) 能量頭能量頭（周速）（周速）系數(shù)系數(shù) 2uc2u / u2 徑向分速度徑向分速度 （c 在直徑方向分量）在直徑方向分量） cr 、c2r 、c1r 與流量（流速）有關(guān)與流量（流速）有關(guān) 流量系數(shù)流量系數(shù) 2r c2r / u2徑向分速度徑向分速度周向周向分速

16、度分速度擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器：能量轉(zhuǎn)換元件（動能：能量轉(zhuǎn)換元件（動能壓能，氣流減速增壓）壓能，氣流減速增壓） 無葉無葉（片）型、（片）型、葉片葉片（有葉）型（有葉）型 擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器 動能轉(zhuǎn)換為壓力能作用動能轉(zhuǎn)換為壓力能作用擴(kuò)壓原理：擴(kuò)壓原理： 氣流從葉輪中出來，速度高，動能大。進(jìn)入擴(kuò)壓器氣流從葉輪中出來，速度高，動能大。進(jìn)入擴(kuò)壓器后，由于后，由于流通面積逐漸增大，使速度降低流通面積逐漸增大，使速度降低，依據(jù)能，依據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，部分動能減少而轉(zhuǎn)換為壓能，量守恒與轉(zhuǎn)換定律，部分動能減少而轉(zhuǎn)換為壓能，實現(xiàn)增壓的目的。實現(xiàn)增壓的目的。擴(kuò)壓器種類：擴(kuò)壓器種類：葉片式；直壁式（無葉擴(kuò)壓

17、器）葉片式；直壁式（無葉擴(kuò)壓器）。優(yōu)點：優(yōu)點：（1 1）排氣量大，氣體流經(jīng)離心壓縮機(jī)是連續(xù)的，其流通）排氣量大，氣體流經(jīng)離心壓縮機(jī)是連續(xù)的，其流通截面積較大，且葉輪轉(zhuǎn)速很高，故氣流速度很大，因而流截面積較大，且葉輪轉(zhuǎn)速很高，故氣流速度很大，因而流量很大。量很大。（2 2）結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小。它比同氣量的活塞式小得多；）結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小。它比同氣量的活塞式小得多；（3 3）運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長，維護(hù)費用省低；）運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長，維護(hù)費用省低；（4 4）不污染被壓縮的氣體，這對化工生產(chǎn)是很重要的；）不污染被壓縮的氣體，這對化工生產(chǎn)是很重要的；（5 5）轉(zhuǎn)速較高，適宜用蒸汽輪機(jī)或燃

18、氣輪機(jī)直接拖動。）轉(zhuǎn)速較高，適宜用蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)直接拖動。離心式壓縮機(jī)的特點離心式壓縮機(jī)的特點由于由于高壓密封高壓密封、小流量窄葉輪小流量窄葉輪的加工和的加工和多油楔軸多油楔軸承承等技術(shù)關(guān)鍵的研制成功，使離心壓縮機(jī)的應(yīng)用等技術(shù)關(guān)鍵的研制成功，使離心壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，以致在許多場合可以取代往復(fù)活范圍大為擴(kuò)展，以致在許多場合可以取代往復(fù)活塞式壓縮機(jī)。塞式壓縮機(jī)。缺點：缺點：（1 1）單級壓力比不高，不適用于較小的流量；）單級壓力比不高，不適用于較小的流量；（2 2）穩(wěn)定工況區(qū)較窄，盡管氣量調(diào)節(jié)較方便，）穩(wěn)定工況區(qū)較窄，盡管氣量調(diào)節(jié)較方便，但經(jīng)濟(jì)性較差但經(jīng)濟(jì)性較差離心式壓縮機(jī)的特點離心式

19、壓縮機(jī)的特點_ _續(xù)續(xù)3.1.2 3.1.2 離心壓縮機(jī)的基本方程離心壓縮機(jī)的基本方程3.1.2.1 3.1.2.1 連續(xù)方程連續(xù)方程3.1.2.2 3.1.2.2 歐拉方程歐拉方程3.1.2.3 3.1.2.3 能量方程能量方程3.1.2.4 3.1.2.4 伯努利方程伯努利方程3.1.2.5 3.1.2.5 壓縮過程與壓縮功壓縮過程與壓縮功 壓縮機(jī)中氣體流動實為三元非定常流動，有粘壓縮機(jī)中氣體流動實為三元非定常流動，有粘性、壓縮性，情況復(fù)雜。性、壓縮性，情況復(fù)雜。 工程上?？珊喕癁楣こ躺铣？珊喕癁橐辉ǔＡ鲃右辉ǔＡ鲃舆M(jìn)行分析處進(jìn)行分析處理理即進(jìn)氣狀態(tài)、排氣狀態(tài)、即進(jìn)氣狀態(tài)、排氣狀態(tài)、n

20、 n不變時，認(rèn)為流不變時，認(rèn)為流體中同一載面上各點氣流參數(shù)均一；在保持穩(wěn)定體中同一載面上各點氣流參數(shù)均一；在保持穩(wěn)定工作條件下氣流參數(shù)不隨時間變化工作條件下氣流參數(shù)不隨時間變化連續(xù)方程是連續(xù)方程是質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在定常一元流動情況下，其連續(xù)方程表示為：在定常一元流動情況下，其連續(xù)方程表示為： 3.1.2.1 3.1.2.1 連續(xù)方程連續(xù)方程 為了反映為了反映流量流量與與葉輪幾何尺寸葉輪幾何尺寸及及氣流速度氣流速度的相的相互關(guān)系，常應(yīng)用連續(xù)方程在葉輪出口的表達(dá)式為：互關(guān)系，常應(yīng)用連續(xù)方程在葉輪出口的表達(dá)式為：skgunDbqqsmunD

21、bqrvmrv32222222223322222226060 （容積流量）（容積流量）122mvvvivikgqqqqqsb2葉輪出口相對寬度葉輪出口相對寬度出口葉片阻塞系數(shù) 2 2 =0.950.98 過大過大下降，下降，過小會產(chǎn)生過小會產(chǎn)生嚴(yán)重分離嚴(yán)重分離，過小過小過大，降低了葉輪中靜壓力能轉(zhuǎn)換的過大，降低了葉輪中靜壓力能轉(zhuǎn)換的增大，增大，程度，這就加大了擴(kuò)壓器的流動損失程度，這就加大了擴(kuò)壓器的流動損失（0.025b2/D20.065）理想情況，每千克氣體所獲得的能量理想情況，每千克氣體所獲得的能量H Hthth應(yīng)等于葉輪應(yīng)等于葉輪所輸出的功所輸出的功L Lthth 。 此式即為此式即為歐

22、拉方程式歐拉方程式，H Hthth為流體的理論能量頭。為流體的理論能量頭。 uuththcucuLH11223.1.2.2 3.1.2.2 歐拉方程歐拉方程ththLccuuH 222212222212122 歐拉方程第二表達(dá)式：歐拉方程第二表達(dá)式：歐拉方程的物理意義：1 1、是葉輪機(jī)械理論計算、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)、是葉輪機(jī)械理論計算、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，對所有計的依據(jù)，對所有葉輪式、非封閉體系葉輪式、非封閉體系都適都適用，無論是原動機(jī)還是工作機(jī)用，無論是原動機(jī)還是工作機(jī); ;2 2、介質(zhì)能量的增加、介質(zhì)能量的增加 H Hthth , ,只與葉輪進(jìn)、出口只與葉輪進(jìn)、出口介質(zhì)的速度介質(zhì)的速度

23、 u u 、w w、c c 有關(guān)，只要知道葉輪有關(guān)，只要知道葉輪進(jìn)出口速度，即可計算流體所獲得能力，不進(jìn)出口速度，即可計算流體所獲得能力，不管葉輪內(nèi)部流動情況管葉輪內(nèi)部流動情況; ;3 3、描述、描述葉輪與流體葉輪與流體之間能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，遵循之間能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，遵循能量守恒定律能量守恒定律（1 1）工程上理論能量頭計算）工程上理論能量頭計算理論能量頭計算：理論能量頭計算： 在理論流量下（在理論流量下（額定流量額定流量），葉輪進(jìn)），葉輪進(jìn)口氣體口氣體無沖擊、無預(yù)旋無沖擊、無預(yù)旋的進(jìn)入葉道。的進(jìn)入葉道。 此時：此時：C C1 1=C=C1r 1r C C1u1u=0 =0 1 1=90=90 進(jìn)出口

24、速度三角形進(jìn)出口速度三角形: : c1w1u11u1c1w1工程上理論能量頭計算uuuththcucucuLH221122歐拉方程：歐拉方程： 其中：其中： ArArructgucuctgcuctgcuc222222222221u2w2c2c2uc2r2u理論能量頭（理論流量下的歐拉方程）：理論能量頭（理論流量下的歐拉方程）： 式中：式中：結(jié)論：結(jié)論： 葉輪結(jié)構(gòu)一定、轉(zhuǎn)速一定葉輪結(jié)構(gòu)一定、轉(zhuǎn)速一定: : 則理論能量頭即確定。則理論能量頭即確定。因而，氣體經(jīng)過葉輪后所得到的能量就一定了。因而，氣體經(jīng)過葉輪后所得到的能量就一定了。 2222222222222211uuctgu)ctguc(cuHu

25、ArAruth 6022nDu葉輪的流量系數(shù)。葉輪周向分速度系數(shù)2222221ucctgrrAru理論能量頭系數(shù)理論能量頭系數(shù)理論能量頭的影響因素分析 圓周速度：圓周速度： n n 或或 D uD u2 2 H Hthth，影響最顯著。，影響最顯著。 流量系數(shù)：流量系數(shù)： 6022nDuArurrrctgAqcuc2222222221 后彎式葉輪在其它參數(shù)一定時，后彎式葉輪在其它參數(shù)一定時，q cq c2r2r 則則 H Hthth即：即：流量增加，則理論能量頭降低流量增加，則理論能量頭降低。222222222222221)1 (uuctguctguccuHuArAruth理論能量頭的影響因素

26、分析 葉片安裝角度葉片安裝角度 2A2Aa） 后彎葉片后彎葉片 2A2A 90 90 90 ctg ctg2A2A= =負(fù)值，負(fù)值， C C2 2 則：則：H Hthth2220uHctgthA則： 2222222222222211uuctgu)ctguc(cuHuArAruth 流量、轉(zhuǎn)速及葉輪直徑相同流量、轉(zhuǎn)速及葉輪直徑相同前彎式葉輪前彎式葉輪做功能力最強(qiáng)做功能力最強(qiáng)C C2 2成倍提高成倍提高, ,流阻損失和沖流阻損失和沖擊損失大且效率較低擊損失大且效率較低 采用前彎葉片時：采用前彎葉片時：絕對速度絕對速度C C2 2成倍提高，前彎式葉輪的成倍提高，前彎式葉輪的做功能力最強(qiáng)做功能力最強(qiáng)，

27、動，動能最大能最大, , 在擴(kuò)壓管、殼體內(nèi)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，效率較低。在擴(kuò)壓管、殼體內(nèi)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，效率較低。故壓縮機(jī)不采用前彎葉片故壓縮機(jī)不采用前彎葉片一般情況下：一般情況下： 離心通風(fēng)機(jī)選：離心通風(fēng)機(jī)選： 2A2A 90 90航空渦輪發(fā)動機(jī)選：航空渦輪發(fā)動機(jī)選：2A2A = 90 = 90大中型壓縮機(jī)：大中型壓縮機(jī)：2A2A =30 =30 60 60 能量方程用于計算級內(nèi)氣體溫度（焓）的變化和能量方程用于計算級內(nèi)氣體溫度（焓）的變化和速度（動能）變化速度（動能）變化當(dāng)外界對級內(nèi)氣體做功或輸入能量后，就當(dāng)外界對級內(nèi)氣體做功或輸入能量后，就單位質(zhì)量單位質(zhì)量氣體而言氣體而言，根據(jù)，根據(jù)能量守衡定律

28、能量守衡定律，必然使氣體的焓值，必然使氣體的焓值和動能增加。能量方程為：和動能增加。能量方程為：進(jìn)入系統(tǒng)的能量等于流出系統(tǒng)的能量進(jìn)入系統(tǒng)的能量等于流出系統(tǒng)的能量3.1.2.3 3.1.2.3 能量方程能量方程其中：其中：00葉輪進(jìn)口或級的進(jìn)口截面；葉輪進(jìn)口或級的進(jìn)口截面；00級的出口截面。級的出口截面。22)(202000202000cchhccTTcqHpth能量守衡定律任何一段流道。能量守衡定律任何一段流道。22)(202000202000cchhccTTcHpth故此，上式簡化為：故此，上式簡化為：在離心式壓縮機(jī)中，由于氣體流速很快，通常（通過在離心式壓縮機(jī)中，由于氣體流速很快，通常（通

29、過機(jī)殼）與外界的熱交換很小，可認(rèn)為是絕熱流動。即：機(jī)殼）與外界的熱交換很小，可認(rèn)為是絕熱流動。即：幾乎無熱量傳遞，幾乎無熱量傳遞，q=0q=0。對葉輪進(jìn)出口截面而言，能量方程為：對葉輪進(jìn)出口截面而言，能量方程為：22)(212212212212cchhccTTcHpth即：葉輪傳給氣體的能量，一部分轉(zhuǎn)化為焓的增量，即：葉輪傳給氣體的能量，一部分轉(zhuǎn)化為焓的增量，一部分轉(zhuǎn)化為動能增量。一部分轉(zhuǎn)化為動能增量。對對擴(kuò)壓器進(jìn)出口截面而言，氣體既沒有獲得也沒有擴(kuò)壓器進(jìn)出口截面而言，氣體既沒有獲得也沒有輸出機(jī)械功和能量，故輸出機(jī)械功和能量，故H H0 0，q=0q=0，即為絕能流動，即為絕能流動，能量方程為

30、：能量方程為：02)(232434ccTTcp即：當(dāng)氣體做絕能流動時，流道內(nèi)任意截面處的焓值即：當(dāng)氣體做絕能流動時，流道內(nèi)任意截面處的焓值和動能之和為一常數(shù)。和動能之和為一常數(shù)。constant22244233cTccTcpp或：或： 應(yīng)用伯努力方程將應(yīng)用伯努力方程將流體所獲得的能量流體所獲得的能量區(qū)分為區(qū)分為有用能量有用能量和和能量損失能量損失，葉輪所做的機(jī)械功還可與級內(nèi)表征流體，葉輪所做的機(jī)械功還可與級內(nèi)表征流體壓力升高的靜壓能聯(lián)系起來，表達(dá)成通用的伯努力方壓力升高的靜壓能聯(lián)系起來，表達(dá)成通用的伯努力方程，對級內(nèi)流體而言有程，對級內(nèi)流體而言有3.1.2.4 3.1.2.4 伯努利方程伯努利

31、方程hydthHccdpH 21212221 hydH：級內(nèi)的流動損失：級內(nèi)的流動損失對包含葉輪的一段流道，伯努利方程為：對包含葉輪的一段流道，伯努利方程為：hydimpthHccdpH2212221impeller222212222212122ccwwuuHth對照可見：對照可見：hydimp212221212222Hdpwwuu上式表明：上式表明：流體在葉輪中牽連速度的增加和相對速流體在葉輪中牽連速度的增加和相對速度的減少，一部分轉(zhuǎn)化為靜壓能增高，度的減少，一部分轉(zhuǎn)化為靜壓能增高，一部分用于克服葉輪中的流動損失。一部分用于克服葉輪中的流動損失。hydimp212221212222Hdpww

32、uu對不包含葉輪的一段流道，如擴(kuò)壓對不包含葉輪的一段流道，如擴(kuò)壓器器(diffuser)，伯努利方程為：，伯努利方程為：02232443hyddifHccdphyddifHdpcc4324232或為：或為：動能的減少，一部分變?yōu)閴毫ι撸ń邓賱幽艿臏p少，一部分變?yōu)閴毫ι撸ń邓贁U(kuò)壓），一部分用于克服流動阻力。擴(kuò)壓），一部分用于克服流動阻力。伯努利方程的物理意義為：伯努利方程的物理意義為： 表示葉輪所做機(jī)械功轉(zhuǎn)換為級中流體的有用能量表示葉輪所做機(jī)械功轉(zhuǎn)換為級中流體的有用能量( (靜壓能靜壓能和動能增加和動能增加) )的同時，還需付出一部分能量克服流動損失或的同時，還需付出一部分能量克服流動損失或

33、級中的所有損失；級中的所有損失； 它建立了機(jī)械能與氣體壓力它建立了機(jī)械能與氣體壓力p p、流速、流速c c和能量損失之間的和能量損失之間的相互關(guān)系；相互關(guān)系； 該方程適用一級，亦適用于多級整機(jī)或其中任一通流通該方程適用一級，亦適用于多級整機(jī)或其中任一通流通部件，這由所取的進(jìn)出口截面而定；部件，這由所取的進(jìn)出口截面而定； 對于不可壓縮流體來說應(yīng)用伯努利方程計算壓力的升高對于不可壓縮流體來說應(yīng)用伯努利方程計算壓力的升高是方便的。而對于可壓縮流體，尚需獲知壓力和密度的函數(shù)是方便的。而對于可壓縮流體，尚需獲知壓力和密度的函數(shù)關(guān)系才能求解靜壓能頭積分，這還要聯(lián)系熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識關(guān)系才能求解靜壓能頭積分，

34、這還要聯(lián)系熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識加以解決。加以解決。3.1.2.5 3.1.2.5 壓縮過程與壓縮功壓縮過程與壓縮功在伯努利方程中在伯努利方程中21ppdp稱為靜壓能頭增量（相當(dāng)于活塞式壓縮機(jī)中的循環(huán)功），是將單位質(zhì)量氣體從p壓縮到p所需的壓縮功。)(11221ppdp對不可壓縮的液體對不可壓縮的液體靜壓能頭的增量靜壓能頭的增量對可壓縮的氣體，由于壓力的改變必將引起比容（密度）的改變，而比容的改變與壓縮過程有關(guān)，因此，有等溫（isothermal)、等熵(adiabatical)和多變(polytrope)三種形式：等溫壓縮功等溫壓縮功121121112121lnppvpdppvpvdpdpHis絕

35、熱壓縮功絕熱壓縮功)(1 1)(1121121TTRkkppRTkkHadkkad多變壓縮功多變壓縮功)(1 1)(1121121TTRnnppRTnnHpolnnpol氣流在離心式壓縮機(jī)的葉輪及固定元件中的流動多數(shù)為多變過程。Hpol稱為多變壓縮有效能量頭 單位kJ/kg通常把能量頭與之比成為能量頭系數(shù)22uHpolpol常用多變能頭系數(shù)pol表示葉輪圓周速度在提高氣體壓力上的能量利用程度 連續(xù)性方程、歐拉方程、能量方程、伯努利方程和壓縮功計算式關(guān)聯(lián)后，可推出流量或流體速度在機(jī)器中的變化。 連續(xù)性方程、歐拉方程、能量方程、伯努利方程和壓縮功計算式關(guān)聯(lián)后，通常離心式壓縮機(jī)整機(jī)的進(jìn)口和出口速度以

36、及各級的進(jìn)、出口速度是基本相同的，只要按照實驗統(tǒng)計和設(shè)計經(jīng)驗選定氣流速度，流道內(nèi)各截面的尺寸即可確定。3.1.3 3.1.3 級內(nèi)的各種流動損失級內(nèi)的各種流動損失 損失種類：損失種類： 泄漏損失泄漏損失 H HL L 總損失總損失 輪阻損失輪阻損失 H Hdf df 流動損失流動損失 H Hhyd hyd 摩阻損失摩阻損失 分離損失分離損失 沖擊損失沖擊損失 二次流損失二次流損失 尾跡損失尾跡損失 LLthHH 流動損失流動損失LLthHHdfdf（1 1）摩阻損失）摩阻損失 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：流體的粘性是根本原因。從葉輪進(jìn)口到出口有流：流體的粘性是根本原因。從葉輪進(jìn)口到出口有流體與壁面接觸，

37、就有邊界層存在，就將產(chǎn)生摩阻損失。體與壁面接觸，就有邊界層存在，就將產(chǎn)生摩阻損失。大?。捍笮。?為摩阻系數(shù)為摩阻系數(shù) ，是，是ReRe與壁面與壁面粗糙度的函數(shù)。粗糙度的函數(shù)。通常離心壓縮機(jī)中通常離心壓縮機(jī)中是常數(shù)，則是常數(shù)，則h hf f與與q qv v2 2成正比。成正比。 DRe,f 減小措施減小措施：提高加工精度：提高加工精度3. 1 .33. 1 .3級內(nèi)的流動損失級內(nèi)的流動損失22mhmfcdlH （2 2）分離損失）分離損失產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：通道截面突通道截面突然變化，速度降低，近然變化，速度降低，近壁邊界層增厚，引起分壁邊界層增厚，引起分離損失。離損失。大小：大?。捍笥谘爻棠ψ?/p>

38、損大于沿程摩阻損失。失。868.16.1112221ff受流道形狀、壁面粗糙度、氣流雷諾數(shù)、氣體湍流程度影響受流道形狀、壁面粗糙度、氣流雷諾數(shù)、氣體湍流程度影響。減少措施：減少措施：控制通道的當(dāng)量擴(kuò)張角；控制通道的當(dāng)量擴(kuò)張角；控制進(jìn)出口的相對速度比控制進(jìn)出口的相對速度比（3 3）沖擊損失）沖擊損失 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：流量偏離設(shè)計工況點，使得葉輪和葉片擴(kuò)壓器的流量偏離設(shè)計工況點，使得葉輪和葉片擴(kuò)壓器的進(jìn)氣沖角進(jìn)氣沖角i0i0，在葉片進(jìn)口附近產(chǎn)生較大的擴(kuò)張角，導(dǎo)致氣，在葉片進(jìn)口附近產(chǎn)生較大的擴(kuò)張角，導(dǎo)致氣流對葉片的沖擊，造成分離損失。流對葉片的沖擊，造成分離損失。減少措施：減少措施：控制在設(shè)計工

39、況點附近運行；在葉輪前安裝可轉(zhuǎn)控制在設(shè)計工況點附近運行；在葉輪前安裝可轉(zhuǎn)動導(dǎo)向葉片。動導(dǎo)向葉片。大?。捍笮。翰捎脹_擊速度來表示，正沖角損失是負(fù)沖角損失的采用沖擊速度來表示，正沖角損失是負(fù)沖角損失的10-1510-15倍。倍。11 Ai其其中中進(jìn)進(jìn)氣氣沖沖角角（4 4）二次流損失）二次流損失產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：葉道同一：葉道同一截面上氣流速度與壓截面上氣流速度與壓力分布不均勻，存在力分布不均勻，存在壓差，產(chǎn)生流動，干壓差，產(chǎn)生流動，干擾主氣流的流動，產(chǎn)擾主氣流的流動，產(chǎn)生能量損失生能量損失 。在葉輪和彎道處急劇在葉輪和彎道處急劇轉(zhuǎn)彎部位出現(xiàn)。轉(zhuǎn)彎部位出現(xiàn)。減少措施減少措施：增加葉片數(shù)，避免急劇轉(zhuǎn)彎

40、。：增加葉片數(shù)，避免急劇轉(zhuǎn)彎。大小大?。喝~道的彎曲，氣流速度方向的變化急劇與否。：葉道的彎曲，氣流速度方向的變化急劇與否。（5 5）尾跡損失）尾跡損失 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：葉片尾部有一定厚度，氣體從葉道中流出時，：葉片尾部有一定厚度，氣體從葉道中流出時，通流面積突然擴(kuò)大，氣流速度下降，邊界層發(fā)生突然分離，通流面積突然擴(kuò)大，氣流速度下降，邊界層發(fā)生突然分離，在葉片尾部外緣形成氣流旋渦區(qū)，尾跡區(qū)。尾跡區(qū)氣流速在葉片尾部外緣形成氣流旋渦區(qū)，尾跡區(qū)。尾跡區(qū)氣流速度與主氣流速度、壓力相差較大，相互混合，產(chǎn)生的能量度與主氣流速度、壓力相差較大，相互混合，產(chǎn)生的能量損失。損失。減少措施減少措施：采用翼型：采用

41、翼型葉片代替等厚葉片；葉片代替等厚葉片；將等厚葉片出口非工將等厚葉片出口非工作面削薄。作面削薄。大小大?。号c葉道出口速：與葉道出口速度，葉片厚度及葉道度，葉片厚度及葉道邊界層有關(guān)。邊界層有關(guān)。3.1.3.2 3.1.3.2 漏氣損失漏氣損失產(chǎn)生漏氣損失的原因產(chǎn)生漏氣損失的原因存在間隙；存在壓力差存在間隙；存在壓力差。出口壓力大于進(jìn)口壓力，級出口壓力出口壓力大于進(jìn)口壓力，級出口壓力大于葉輪出口壓力，在葉輪兩側(cè)與固大于葉輪出口壓力，在葉輪兩側(cè)與固定件之間的間隙、軸端的間隙，產(chǎn)生定件之間的間隙、軸端的間隙，產(chǎn)生漏氣，存在能量損失。漏氣，存在能量損失。H Hl l= =l lH Hthth漏氣損失系數(shù)

42、：漏氣損失系數(shù)：l l ，根據(jù)漏氣量，密封結(jié)構(gòu)形式確定根據(jù)漏氣量，密封結(jié)構(gòu)形式確定（2 2）密封件的結(jié)構(gòu)形式）密封件的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式：在固定部件與輪蓋、隔板與軸套，采用結(jié)構(gòu)形式：在固定部件與輪蓋、隔板與軸套，采用梳齒式（迷宮式）密封。梳齒式（迷宮式）密封。工作原理：利用工作原理：利用節(jié)流節(jié)流原理。減小原理。減小通流截面積，經(jīng)多次節(jié)流減壓，使通流截面積，經(jīng)多次節(jié)流減壓，使在壓差作用下的漏氣量盡量減小。在壓差作用下的漏氣量盡量減小。即通過產(chǎn)生的壓力降來平衡密封裝即通過產(chǎn)生的壓力降來平衡密封裝置前后的壓力差。置前后的壓力差。密封特點：密封特點：非接觸式密封，有一非接觸式密封，有一定的泄漏量。定的泄

43、漏量。級間密封級間密封葉輪前密葉輪前密封封3. 1.3.3 3. 1.3.3 輪阻損失輪阻損失產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因葉輪旋轉(zhuǎn)，輪蓋、輪盤的外緣和輪緣與周圍的氣體發(fā)生摩擦，產(chǎn)葉輪旋轉(zhuǎn)，輪蓋、輪盤的外緣和輪緣與周圍的氣體發(fā)生摩擦，產(chǎn)生的損失生的損失大小：大?。号c輪盤的與輪盤的粗糙度粗糙度，相對間隙及，相對間隙及雷諾數(shù)雷諾數(shù)有關(guān)。有關(guān)。利用等厚度圓盤在水中作低速旋轉(zhuǎn)實驗，分析計算得輪阻損失功利用等厚度圓盤在水中作低速旋轉(zhuǎn)實驗，分析計算得輪阻損失功率為：率為： 22232251100540DeDu.Hdf 得到輪阻損失系數(shù)得到輪阻損失系數(shù): :df 22222622222222232210172010054

44、0Db.cubDcDu.HHururthdfdf 在一級中存在氣流損失項：在一級中存在氣流損失項： 流動損失：流動損失： 泄漏損失泄漏損失 ： 輪阻損失：輪阻損失： 葉輪旋轉(zhuǎn)所消耗的功：葉輪旋轉(zhuǎn)所消耗的功： 級內(nèi)總功（總能量頭），即葉輪總輸出功：級內(nèi)總功（總能量頭），即葉輪總輸出功：hydHHthllH HthdfdfH tolthldfHHHHHthHtot3.1.4 3.1.4 多級壓縮多級壓縮（1 1） 采用采用多級串聯(lián)多級串聯(lián)和和多缸串聯(lián)多缸串聯(lián)的必要性的必要性（2 2） 分段與中間冷卻以減少耗功分段與中間冷卻以減少耗功（3) 3) 級數(shù)級數(shù)與與葉輪圓周速度葉輪圓周速度和和氣體分子量氣

45、體分子量的關(guān)系的關(guān)系a a）級數(shù)與氣體分子量的關(guān)系：）級數(shù)與氣體分子量的關(guān)系：氣體分子量對所需壓縮功的影響氣體分子量對所需壓縮功的影響氣體氣體分子量分子量/J/(k/J/(kgK)gK)絕熱指絕熱指數(shù)數(shù)m m密度密度/(kg/(kg/m m3 3) )多方壓多方壓縮功縮功H Hpolpol(kJ/(kJ/kg)kg)圓周速圓周速度度u u2 2/(m/s)/(m/s)級數(shù)級數(shù)j j氟里昂氟里昂- -1111136.3136.31.101.106.156.1516.9716.971861861 1空氣空氣28.9728.971.401.401.2931.29392.21492.214280280

46、2 2焦?fàn)t煤焦?fàn)t煤氣氣11.7811.781.361.360.5250.525215.82215.822802805 5氦氣氦氣4 41.661.660.1780.178701.42701.422802801717氫氣氫氣2 21.411.410.0900.0901319.451319.452802803232kgJppTmmdpHmmsdpol 1831511121 達(dá)到相同壓比達(dá)到相同壓比2.52.5時，壓縮不同氣體時所需壓縮時，壓縮不同氣體時所需壓縮功和級數(shù)的比較功和級數(shù)的比較壓縮氣體的壓縮氣體的分子量越小分子量越小，達(dá)到相同的排氣壓，達(dá)到相同的排氣壓力，需要的力，需要的多變功越大多變功

47、越大、轉(zhuǎn)速及葉輪結(jié)構(gòu)一、轉(zhuǎn)速及葉輪結(jié)構(gòu)一定的情況下，所需要的定的情況下，所需要的級數(shù)就會越多級數(shù)就會越多 b) b) 級數(shù)與葉輪圓周速度的關(guān)系：級數(shù)與葉輪圓周速度的關(guān)系：在達(dá)到所需壓力比條件下要求在達(dá)到所需壓力比條件下要求盡可能減少級數(shù)盡可能減少級數(shù)提高葉輪圓周速度提高葉輪圓周速度u u2 2 ，受到以下幾種因素限制，受到以下幾種因素限制 葉輪材料強(qiáng)度葉輪材料強(qiáng)度限制；限制； 氣流馬赫數(shù)氣流馬赫數(shù)限制；限制； 葉輪出口相對寬度葉輪出口相對寬度限制限制 D D2 2 ， u u2 2 , b, b2 2/D/D2 2 22222sin1AththrAJHLctgukgZ6022nDu 為了降低氣體溫度，節(jié)省功率，在離心壓縮機(jī)中往為了降低氣體溫度，節(jié)省功率，在離心壓縮機(jī)中往往采用分段中間冷卻的結(jié)構(gòu)，而不采用汽缸套冷卻。各往采用分段中間冷卻的結(jié)構(gòu)，而不采用汽缸套冷卻。各段由一級或若干級組成，段與段之間在機(jī)器