1、第3章 離心壓縮機,第3章 離心壓縮機,3.1 離心壓縮機典型結(jié)構(gòu)與工作原理 3.2 性能、調(diào)節(jié)與控制 3.3 安全可靠性 3.4 選型,3.1 離心壓縮機典型結(jié)構(gòu)與工作原理,3.1.1 離心壓縮機的典型結(jié)構(gòu)與特點,離心壓縮機是利用旋轉(zhuǎn)葉輪實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，使氣體主要沿離心方向流動從而提高氣體壓力的機器,（1）結(jié)構(gòu)型式：水平剖分型和垂直剖分型。 （2）結(jié)構(gòu)組成：機殼，轉(zhuǎn)子，定子，以及輔助系統(tǒng)。,3.1.1.1 離心壓縮機的典型結(jié)構(gòu),垂直剖分型結(jié)構(gòu),高壓圓筒型和豎直剖分型,壓縮機裝置系統(tǒng)圖,3.1.1.2 級的典型結(jié)構(gòu),級是離心壓縮機使氣體增壓的基本單元，有三種型式，即：首級、中間級、末級。,3.1

2、.1.3 離心葉輪的典型結(jié)構(gòu),葉輪是主要的做功元件，它將外界（原動機）的能量傳遞給氣體，使氣體增壓。,葉輪組成及種類： 按葉輪結(jié)構(gòu)型式 閉式葉輪：性能好、效率高；由于輪蓋的影響，葉輪圓周速度受到限制。 半開式葉輪：效率較低，強度較高。 雙面進氣葉輪：適用于大流量，且軸向力平衡好。,按葉輪葉片型式 后彎型葉輪：2A 90，級效率高，穩(wěn)定工作范圍寬。 徑向型葉輪： 2A 90 ，性能介于后彎型和前彎型之間。 前彎型葉輪： 2A90，級效率較低，穩(wěn)定工作范圍窄。,氣體在旋轉(zhuǎn)葉輪中的流動與速度三角形,相對速度（w）：與葉片的切線方向一致。 牽連速度（u）： 絕對速度（c）：圓周速度與相對速度的合成。,

3、三者之間的關(guān)系可以用速度三角形表示。,3.1.1.4 擴壓器的典型結(jié)構(gòu),葉輪出口的氣流絕對速度較大，為了提高級的增壓比和效率，設置了擴壓器使氣流降速增壓。,無葉擴壓器：結(jié)構(gòu)簡單，級變工況較好，效率高，穩(wěn)定工作范圍寬。 葉片擴壓器：結(jié)構(gòu)復雜，變工況性能差，效率較低，穩(wěn)定工作范圍窄。,工作原理： 氣體流動連續(xù)性定律：,得到：,降速升壓主要依靠加大直徑來實現(xiàn)。動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芎涂朔鲃訐p失的能量。,動量矩守恒定律：,根據(jù)能量守恒定律：,綜合上兩式：,3.1.1.5 其他結(jié)構(gòu),彎道：使氣流轉(zhuǎn)向發(fā)生改變。 回流器：引導氣流無預旋進入下一級。 吸入室：引導，使氣體均勻進入葉輪。 排氣蝸殼：收集、引導氣體進

4、入排氣管道中。,3.1.1.6 離心壓縮機的特點,（1）優(yōu)點, 流量大； 轉(zhuǎn)速高； 結(jié)構(gòu)緊湊； 運轉(zhuǎn)可靠。,（2）缺點, 單級壓力比不高，高壓力比所需的級數(shù)比活塞式的多。 由于轉(zhuǎn)速高，流通截面積較大，故不能適用于太小的流量。,3.1.2 離心壓縮機的基本工作原理,3.1.2.1 連續(xù)方程,（1）連續(xù)方程的基本表達式,氣體作定常一元流動，流經(jīng)機器任意截面的質(zhì)量流量相等，其連續(xù)方程表示為：,方程說明：隨著氣體在壓縮過程中壓力不斷提高，其密度不斷增大，容積流量沿機器不斷減小。,式中：qm為質(zhì)量流量 kg/s,qv為容積流量m3/s,為氣流密度,f 為截面面積,c2r為垂直該截面的法向流速。,（2）連

5、續(xù)方程在葉輪出口的表達式,連續(xù)方程在葉輪出口處的表達式，反映流量與葉輪幾何尺寸及氣流速度的相互關(guān)系。,式中：D2為葉輪外徑, b2為葉輪出口處的軸向?qū)挾? 為葉輪出口的相對寬度。考慮到葉輪結(jié)構(gòu)的合理性和級效率,通常要求 。 為葉輪葉輪出口處的流量系數(shù),它對流量、理論能量頭和級效率均有較大的影響，根據(jù)經(jīng)驗的選取范圍，不同類型葉輪取值不同。 2為 葉輪出口的通流系數(shù)（或阻塞系數(shù)）。,說明：葉論出口連續(xù)方程式常用來校核各級葉輪選取 的合理性。,表示鉚接葉輪中連接盤、蓋的葉片折邊；無折邊的銑制、焊接葉輪，=0。,3.1.2.2 歐拉方程,歐拉方程是用來計算原動機通過軸和葉輪將機械能轉(zhuǎn)換給流體的能量，稱

6、為葉輪機械的基本方程。由流體力學的動量矩定理導出，其表達式：,也可表示為：,式中Lth 為葉輪輸出的歐拉功 ，Hth為每千克流體所接受的能量稱為理論能量頭，單位是kJ/kg。,歐拉方程的物理意義：,歐拉方程指出的是葉輪與流體之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，它遵循能量轉(zhuǎn)換與守恒定律； 只要知道葉輪進出口的流體速度，即可計算出一千克流體與葉輪之間機械能轉(zhuǎn)換的大小、而不管葉輪內(nèi)部的流動情況； 該方程適用于任何氣體或液體，既適用于葉輪式的壓縮機，也適用于葉輪式的泵； 推而廣之只需將等式右邊各項的進出口符號調(diào)換一下，亦適用于葉輪式的原動機如汽輪機、燃氣輪機等。 原動機的歐拉方程為,葉片數(shù)有限的理論能頭：,軸向旋渦

7、液體由于存在慣性力，產(chǎn)生軸向渦流，方向與葉輪轉(zhuǎn)動方向相反。 結(jié)果 使得相對速度和絕對速度產(chǎn)生滑移。,無預旋：一般情況下氣體是從徑向流入葉道入口，簡稱徑向進入葉輪或氣流無預旋進入葉輪。此時,有限多葉片相對速度的分布 工作面一側(cè)相對速度小，非工作面一側(cè)相對速度大。,為此，斯陀道拉提出了計算周向分速的半理論半經(jīng)驗公式：,滑移速度與葉輪結(jié)構(gòu)、葉道中流動情況及流體性質(zhì)有關(guān)。,滑移系數(shù),得到有限多葉片的理論能頭的計算公式：,此方程為離心壓縮機計算能量與功率的基本方程式。 說明： 主要與葉輪圓周速度有關(guān)、流量系數(shù)、葉片出口角和葉片數(shù)有關(guān)。,式中： 稱為理論能量頭系數(shù)或周速系數(shù)。,3.1.2.3 能量方程,能

8、量方程用來計算氣流溫度（或焓）的增加和速度的變化。,根據(jù)熱力學的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，當氣體在級中作穩(wěn)定流動時，取級中任意兩截面a、b間的系統(tǒng)作為考察對象，則對單位質(zhì)量氣體有：,能量方程的物理意義： 能量方程是既含有機械能又含有熱能的能量轉(zhuǎn)化與守恒方程，它表示由葉輪所作的機械功，轉(zhuǎn)換為級內(nèi)氣體溫度（或焓）的升高和動能的增加； 該方程對有粘無粘氣體都是適用的，因為對有粘氣體所引起的能量損失也以熱量形式傳遞給氣體，從而使氣體溫度（或焓）升高； 離心壓縮機不從外界吸收熱量，而由機殼向外散出的熱量與氣體與氣體的熱焓升高相比較是很小的，故可認為氣體在機器內(nèi)作絕熱流動，其q=0； 該方程適用任一級，也適用于

9、多級整機或其中任一通流部件，這由所取的進出口截面而定。,例如對于葉輪而言，能量方程表示為,對于擴壓器而言，能量方程表示為,對任意截面而言，能量方程表示為,由此可以得到溫差的計算公式：,3.1.2.4 伯努利方程,應用該方程將流體獲得的能量區(qū)分為有用能量和能量損失，并引入壓力參數(shù)，表示出壓力的增加，將機械功與級內(nèi)流體壓力升高的靜壓能聯(lián)系起來，其表達式為：,式中 為級進出口靜壓能頭的增量, 為級內(nèi)的流動損失。,上式根據(jù)熱力學第一定律和能量方程推導求得。,假設氣體在某流道中由界面a向界面b作穩(wěn)定流動，并在這股氣流上建立動坐標系，由于氣流與外界無質(zhì)量交換，可看作封閉的熱力系統(tǒng)，則得到：,實際上，氣體是

10、相對靜止坐標系流動，有氣體進、出界面的開口熱力系統(tǒng)。因此，單位質(zhì)量氣體從界面a流向界面b實際得到的熱量應包括兩部分：一是從系統(tǒng)外傳入的熱量，二是由于氣體的流動所有的能量損失轉(zhuǎn)化的熱量，即：,如果考慮內(nèi)漏氣損失和輪阻損失,上式表示為,式中 為葉輪消耗的總功, 為級內(nèi)每千克氣體獲得的總能量頭, 為級中總能量損失。,設流出葉輪的有效氣體的質(zhì)量為qm，流出葉輪后從輪蓋密封處漏回葉輪入口的質(zhì)量流量為qm l，實際從葉輪中流出的總質(zhì)量為：,由葉輪對總質(zhì)量qmtot氣體所消耗的功率為：,如果此時輪阻損失消耗的功率Ndf，則葉輪消耗的總功率為：,由于葉輪是級內(nèi)唯一做功元件，故級的總功率就是葉輪的總功率，或稱級

11、的內(nèi)功率。,葉輪對每千克有效氣體的總耗功（總能量）為,伯努利方程的物理意義: 通用伯努利方程也是能量轉(zhuǎn)化與守恒的一種表達式,它表示葉輪所做機械功轉(zhuǎn)換為級中流體的有用能量(靜壓能和動能增加)的同時,由于流體具有粘性,還需付出一部分能量克服流動損失或級中所有的損失； 它建立了機械能與氣體壓力p、流速c 和能量損失之間的相互關(guān)系； 該方程適用一級，亦適用于多級整機或其中任一通流部件，這由所取的時出口截面而定 ； 對于不可壓流體，其密度為常數(shù)，則可直接解出，因而對輸送水或其他液體的泵來說應用伯努利方程計算壓力的升高是十分方便的。而對于可壓縮流體，還需知道p=f（）的函數(shù)關(guān)系及熱力學基礎知識才可解決。,

12、對于葉輪而言：,或,對于某一固定部件，如擴壓器,3.1.2.4 壓縮過程與壓縮功,根據(jù)熱力過程不同，確定每千克氣體所獲得的壓縮功，即有效能量頭。,對于多變過程，則多變壓縮功為,式中 稱為多變壓縮有效能量頭，簡稱為多變能量頭。,能量頭系數(shù)：能量頭與 之比，那么多變能量頭系數(shù)表示為,或,多變能頭系數(shù)的大小，表示葉輪圓周速度用來提高氣體壓力比的能量利用程度。,思考題：,5個基本方程都解決了哪些問題？,連續(xù)方程：壓縮機結(jié)構(gòu)設計。 歐拉方程：氣體經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪獲得多少能量。 能量方程：獲得的能量使氣體的溫度和動能增加。 伯努利方程：能量如何進行分配。 熱力過程方程和壓縮功的表達式關(guān)聯(lián)：氣體壓力升高到

13、規(guī)定值需要多少有效能量頭。,作業(yè)： 1.DA120-61壓縮機的低壓缸某級，D2=380mm，2A=42，Z=16，n=13800r/min， c2=200m/s，2=21.1 ，若氣體無預旋進入葉片，試求Hth和 Hth ，并說明兩者的區(qū)別。 2.已知某壓縮機進口截面處的氣流溫度Tin=303K， cin=13.6m/s，R=291.5J/kgk，k=1.4， pin=0.91105Pa，多變指數(shù)系數(shù) Htot=57317J/kg，及各關(guān)鍵截面處的氣速： c0=87.4m/s， c1=133.6m/s， c2=199.8m/s， c4=122.5m/s， c0=4.05m/s。 試計算各關(guān)鍵

14、截面處的氣流溫度，壓力和比容。,3.1.3 級內(nèi)的各種能量損失,級中能量損失包括三種：流動損失、漏氣損失、輪阻損失,3.1.3.1 級內(nèi)的流動損失,（1）摩阻損失,產(chǎn)生原因：流體的粘性是根本原因。從葉輪進口到出口有流體與壁面接觸，就有邊界層存在，就將產(chǎn)生摩阻損失。 大?。?為摩阻系數(shù) ，是Re與壁面粗糙度的函數(shù)。 通常離心壓縮機中氣流的Re大于臨界雷諾數(shù)，在一定的相對粗糙度下，是常數(shù)，則hf與qv2成正比。,減小措施：,（2）分離損失,產(chǎn)生原因：通道截面突然變化，速度降低，近壁邊界層增厚，引起分離損失。 大?。捍笥谘爻棠ψ钃p失。,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

15、：控制通道的當量擴張角 ； 控制進出口的相對速度比,（3）沖擊損失,產(chǎn)生原因：流量偏離設計工況點，使得葉輪和葉片擴壓器的進氣沖角i0，在葉片進口附近產(chǎn)生較大的擴張角，導致氣流對葉片的沖擊，造成分離損失。,減少措施：控制在設計工況點附近運行；在葉輪前安裝可轉(zhuǎn)動導向葉片。,大小：采用沖擊速度來表示，正沖角損失是負沖角損失的1015倍。,（4）二次流損失,產(chǎn)生原因：葉道同一截面上氣流速度與壓力分布不均勻，存在壓差，產(chǎn)生流動，干擾主氣流的流動，產(chǎn)生能量損失 。 在葉輪和彎道處急劇轉(zhuǎn)彎部位出現(xiàn)。,減少措施：增加葉片數(shù)，避免急劇轉(zhuǎn)彎。,大?。喝~道的彎曲，氣流速度方向的變化急劇與否。,（5）尾跡損失,產(chǎn)生原

16、因：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。,減少措施：采用翼型葉片代替等厚葉片；將等厚葉片出口非工作面削薄。,大?。号c葉道出口速度，葉片厚度及葉道邊界層有關(guān)。,3.1.3.2 漏氣損失,（1）產(chǎn)生漏氣損失的原因,存在間隙；存在壓力差。 出口壓力大于進口壓力，級出口壓力大于葉輪出口壓力，在葉輪兩側(cè)與固定件之間的間隙、軸端的間隙，產(chǎn)生漏氣，存在能量損失。,密封型式：機械密封，干氣密封，浮環(huán)油膜密封，梳齒密封,（2）密封件的結(jié)構(gòu)形式及漏氣量的

17、計算,結(jié)構(gòu)形式：在固定部件與輪蓋、隔板與軸套、軸的端部設置密封件，采用梳齒式（迷宮式）密封。,工作原理：利用節(jié)流原理。減小通流截面積，經(jīng)多次節(jié)流減壓，使在壓差作用下的漏氣量盡量減小。即通過產(chǎn)生的壓力降來平衡密封裝置前后的壓力差。 密封特點：非接觸式密封，有一定的泄漏量。,設計中應注意： 減小齒逢間隙； 增加密封齒數(shù)； 加大齒片間的空腔和流道的曲折程度。,漏氣量計算：漏氣量大小取決于裝置前后壓力差、密封結(jié)構(gòu)型式、齒數(shù)和齒縫間隙截面積。分兩種情況計算：,由連續(xù)方程和伯努利方程可知通過齒頂間隙的漏氣量，,1）軸封處向機外泄漏的外泄漏，其大小取決于裝置前后壓力差。,如果密封裝置前后壓力差小，氣體流過齒

18、縫的速度低于音速，這時利用不可壓縮流體計算漏氣量。,如果壓力差比較大（即達到某一臨界值），最后一個齒縫間隙的氣速達到臨界音速，使裝置發(fā)生堵塞工況，漏氣不再隨裝置前后壓力差的增大而增加，則最后一個齒縫間隙中的氣體比容最大，最先達到音速。流速達到臨界音速時，漏氣量計算,式中為流量修正系數(shù)，一般 ，為齒頂間隙處的通流面積，Z為密封齒數(shù)，下標a、b為密封前、后的幾何位置。 ，k為等熵指數(shù)，如空氣的等熵指數(shù) k=1.4,B=0.684。,臨界壓力比的確定：,2） 輪蓋密封的漏氣量及漏氣損失系數(shù),輪蓋密封處的漏氣能量損失使葉輪多消耗機械功，它應包括在葉輪所輸出的總功之內(nèi)，應單獨計算。 因單級葉輪所能達到的

19、增壓不大，一般達不到臨界壓力比。,應用式（3-23）并根據(jù)實驗與分析簡化，可得輪蓋密封處的漏氣量為,若通過葉輪出口流出的流量為，則可求得輪蓋處的漏氣損失系數(shù)為,式中一般取，Z=46齒，齒頂間隙 ， 。該漏氣損失系數(shù)在計算總能量頭時，將會被用到。,3.1.3.3 輪阻損失,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)生的損失 大?。号c輪盤的粗糙度，相對側(cè)隙及雷諾數(shù)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率為：,對于離心葉輪，得到：,得到輪阻損失系數(shù),思考題： 1.離心壓縮機主要能量損失有哪些？ 2.流動損失包括哪些損失？ 3.下列設計是為了減小哪些流

20、動損失？ 有葉擴壓器； 采用翼型葉片； 提高葉輪流道的加工精度； 增加葉片數(shù)； 在葉輪前加可轉(zhuǎn)動的導葉； 4.迷宮密封的特點。 5.輪阻損失與哪些因素有關(guān)？,3.1.4 多級壓縮機,3.1.4.1 采用多級串聯(lián)和多缸串聯(lián)的必要性,壓縮機運行安全，設計合理。 對于要求增壓比或輸送輕氣體的機器需要兩缸或多缸串聯(lián)起來形成機組。,多級串聯(lián)理由：壓縮機壓比高而單級壓力比低，需采用多級壓縮；,多缸串聯(lián)的理由：,3.1.4.2 分段與中間冷卻以減少耗功,降低氣體的溫度，節(jié)省功率，采用分段中間冷卻器。,如果段數(shù)為N，則中間冷卻器的個數(shù)為N-1個。 經(jīng)過各段間冷卻器存在壓力損失；中間冷卻器和管道的阻力降，加大功

21、率消耗。因此，要合理選擇壓縮機的段數(shù)。,考慮壓縮機的具體結(jié)構(gòu)、冷卻器的布置、輸送冷卻水的泵耗功、設備成本與環(huán)境條件等綜合因素。,采用分段冷卻要考慮下列因素：,滿足用戶的要求 被壓縮介質(zhì)的特性屬于易燃、易爆（如H2、O2等）則段出口的溫度宜低一些，對于些某化工氣體，因在高溫下氣體發(fā)生不必要的分解或化合等化學變化，或會產(chǎn)生并加速對機器材料的腐蝕，這樣的壓縮機冷卻次數(shù)必需多一些。 用戶要求排出的氣體溫度高，以利于化學反應（由氮氫化合生成氨）或燃燒，則不必采用中間冷卻，或盡量減少冷卻次數(shù)。,段數(shù)確定后，根據(jù)總耗功最小的原則，確定每一段的最佳壓力比。,3.1.4.3 級數(shù)與葉輪圓周速度和氣體分子量的關(guān)系

22、,（1）減少級數(shù)與葉輪圓周速度關(guān)系,葉輪材料強度的限制 不同材料對圓周速度的限制不同。 葉輪馬赫數(shù)的限制 氣流的 升高，級效率下降、性能曲線變陡、工況范圍變窄。 葉輪相對寬度的限制 相對寬度變小，造成效率下降。,減少級數(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊。為滿足要求，需提高葉輪的圓周速度。,（2）級數(shù)與氣體分子量的關(guān)系,氣體分子量對馬赫數(shù)的影響,因此，壓縮重氣體應主要考慮馬赫數(shù)的影響，限制了u2的提高，不考慮葉輪材料的影響；反之，壓縮輕氣體，應主要考慮葉輪材料強度的影響。,氣體分子量對所需對所需壓縮功的影響,由,多變壓縮功表示為：,說明：多變壓縮功的大小與氣體的分子量和等熵指數(shù)有關(guān)，尤其是對多變壓縮功的影響較大，因此

23、要達到同樣的壓力比，壓縮重氣體時，所需的級數(shù)少。,3.1.5 功率與效率,3.1.5.1 單級總耗功、功率和效率,（1） 單級總耗功、總功率,考慮葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中所消耗的功，故一個葉輪對1kg氣體的總耗功為：,則流量為 的總功率為：,對于閉式后彎型葉輪， 一般 。 總能量頭分配如圖所示。,（2）級效率,按照不同的定義，級效率有以下幾種，分述如下：,多變效率 是級中的氣體由 升高到 所需的多變壓縮功與實際總耗功之比，表示為,通常 ,因而有,該式得出，已知多變效率，則可算出多變指數(shù)，反之亦然。,同理：等熵效率與等溫效率分別是氣體由壓力 升高到 所需等熵壓縮功或等溫壓縮功與實際總消耗功之比。,（3）

24、多變能量頭系數(shù),由多變能量頭系數(shù)定義得：,上式表明：多變能量頭系數(shù)與葉輪的周速系數(shù)、多變效率、漏氣損失系數(shù)和輪阻損失系數(shù)的相互關(guān)系。,在比較效率的高低時，應在相同條件下比較并注意：,與所指的通流部件的進出口有關(guān)。 與特定的氣體壓縮熱力過程有關(guān)。 與運行工況點有關(guān)。,通常使用較多的是級的多變效率，其由級的性能實驗獲得，或由與其相似的模型級性能實驗獲得，或由產(chǎn)品性能的資料獲得。,效率值的大小也間接反映了能量損失多少的問題。,3.1.5.2 多級離心壓縮機的功率和效率,（1）多級離心壓縮機的內(nèi)功率,多級離心壓縮機所需的內(nèi)功率可表示為諸級總功率之和，即：,（2）多級離心壓縮機的效率,多級離心壓縮機的效

25、率通常指的是內(nèi)效率，而內(nèi)效率是各級效率的平均值。對于帶有中間冷卻的機器有時還用等溫效率。,等溫效率：,（3）機械損失、機械效率和軸功率,機械損失 在軸承、密封、聯(lián)軸器以及齒輪箱中所引起的機械摩擦損失。,軸功率 原動機傳遞給壓縮機軸端的功率，它表示為,為機械效率，其一般隨內(nèi)功率的增大而升高，與傳動形式有關(guān)。,（4）原動機的輸出功率,選擇電機時，應留有足夠的余量，以保證機器的安全運行，故選取原動機的額定功率一般為：,思考題 1.葉輪圓周速度的提高受哪些因素的限制？ 2.壓縮重氣體與輕氣體所需的級數(shù)什么不同？ 3.總能量頭是如何進行分配的？ 4.已知多變效率如何確定壓縮過程指數(shù)。,3.1.6 實際氣

26、體,3.1.6.1 實際氣體的壓縮性系數(shù),（1）壓縮性系數(shù),實際氣體的分子間距較小，當氣體溫度進一步降低，壓力進一步升高，則氣體分子的間距接近于液體分子的間距。,工程上常用實際氣體狀態(tài)方程：,式中：Z為壓縮性系數(shù)。對于理想氣體Z=1；對于實際氣體表示該氣體偏離理想氣體的程度。,（2）Z的計算方法,根據(jù)對比態(tài)原理，一切氣體在相同的對比壓力 和對比溫度 下，具有相同的對比體積 ，因此具有相同的壓縮性系數(shù)。,對于不同分子結(jié)構(gòu)的氣體，壓縮性系數(shù)可表示為對比壓力和對比溫度的不同函數(shù)形式，從而確定壓縮性系數(shù)。,實際我們由對比壓力和對比溫度查通用壓縮性系數(shù)圖來確定Z。但當Tcr 2.5時其不再適用。,3.1

27、.6.2 實際混合氣體,（1）凱法則,在確定實際混合氣體的虛擬臨界熱力參數(shù) 和 時，最方便的是凱提出的按摩爾成分加權(quán)的混合法則，它表示為,凱法則使用有較大的局限性，僅適用于各組分的臨界壓力和臨界比 體積比較接近，任意兩組分的臨界溫度要滿足,（2）徐忠法則,為了方便快速且保持相當?shù)木_度，徐忠建議使用以下的半經(jīng)驗混合法則。,（3）極性的混合法則,劉云飛和徐忠提出了適用于包含極性混合物的混合法則。,3.1.6.3 實際氣體的過程指數(shù)與壓縮功,對于實際氣體，相應的壓縮功,3.1.7 三元葉輪的應用,為滿足離心壓縮機對增大流量、提高效率、提高單級壓力比，并具有較寬的變工況范圍的要求，研制開發(fā)了三元葉輪

28、。,三元葉輪特點： 葉片既彎又扭，氣流參數(shù)變化均勻； 液流流動更加符合實際情況； 多變效率達80%86%； 變工況的工作范圍寬。,3.2 性能、調(diào)節(jié)與控制,3.2.1 離心壓縮機的性能,3.2.1.1 性能曲線、最佳工況點與穩(wěn)定工作范圍,（1）性能曲線（特性曲線）,在一定轉(zhuǎn)速和進口條件下的壓力比與流量、效率與流量的性能曲線。,離心壓縮機工作性能最主要的參數(shù)是壓力比、效率和流量。為將其工作性能形象表示出來，一般以曲線的形式表示，就得到了壓縮機的性能曲線。,性能曲線由實驗確定。,工況點,級的性能曲線的形成,當級一定、轉(zhuǎn)速一定，則無限多葉片理論能頭與葉輪入口容積流量成直線關(guān)系。那么對于有限多葉片理論

29、能頭與葉輪入口容積流量仍成直線關(guān)系。 對于流動損失，由于無法定量計算，因此：按摩阻損失對待 并考慮變工況下的沖擊損失,得到了性能曲線Hpolqin，但這一曲線在只在壓縮機設計 中使用 而工程應用中采用更為直觀的qin曲線。 經(jīng)換算得：,換算得到的qin曲線和Hpolqin曲線形狀相似。,性能曲線的一般特點：,隨流量的減小，壓縮機提供的壓力比將增大。在最小流量時，達到最大。流量和壓力比的關(guān)系是一一對應的，流量與其他參數(shù)的關(guān)系也是一一對應的。 流量有最大和最小兩個極限流量；排出壓力也有最大值和最小值。 效率曲線有最高效率點，離開該點的工況效率下降很快。,功率曲線一般隨流量增加而向上傾斜，但當壓力比

30、流量曲線向下傾斜很快時，功率曲線可能先向上傾斜而后逐漸向下傾斜。,（2）最佳工況點,性能曲線上的效率最高點稱為最佳工況點，一般是該機器設計計算的工況點。,（3）不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線,因理論能頭正比于轉(zhuǎn)速的平方，同一臺壓縮機壓縮同一種介質(zhì)、在同樣的進氣條件，高轉(zhuǎn)速的曲線在上方。 喘振曲線 等效率曲線 高轉(zhuǎn)速時喘振流量大于低轉(zhuǎn)速的喘振流量。,3.2.1.2 壓縮機的喘振與堵塞,（1）壓縮機喘振的機理,旋轉(zhuǎn)脫離,流量減小 邊界層分離 旋轉(zhuǎn)脫離,壓縮機喘振,流量進一步減小 脫離團阻塞葉道 出口壓力顯著下降 倒流,整個壓縮機系統(tǒng)發(fā)生周期性的低頻大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象，就稱為喘振。,現(xiàn)象：級進出口參數(shù)產(chǎn)生強

31、烈脈動，葉片振動，機器噪音增大。,喘振的內(nèi)因：流量過小，小于壓縮機的最小流量，導致機內(nèi)出現(xiàn)嚴重的氣體旋轉(zhuǎn)脫離； 喘振的外因：管網(wǎng)有一定容積，且壓力高于壓縮機的排壓，造成氣流倒流，產(chǎn)生大幅度的氣流脈動。脈動的頻率和振幅與管網(wǎng)容量有關(guān)。,（2）喘振的危害,壓縮機性能惡化，壓力、效率降低； 出現(xiàn)異常噪聲、吼叫和爆音； 機組出現(xiàn)強烈振動，使得壓縮機的軸承、密封損壞，轉(zhuǎn)子和固定部件發(fā)生碰撞，造成機器嚴重破壞。,喘振原因：,操作者和運行人員的要求： 應具有備標識喘振的壓縮機性能曲線的能力，隨時了解壓縮機工況點處在性能曲線圖上的位置； 運行操作從員應了解壓縮機的工作原理，隨時注意機器所在的工況位置； 熟悉各

32、種監(jiān)測系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的操作，盡量使機器不致進入喘振狀態(tài)。,（3）防喘振的措施,降低運行轉(zhuǎn)速，可使流量減少而不致進入喘振狀態(tài)，但出口壓力隨之降低； 在首級或各級設置導葉轉(zhuǎn)動機構(gòu)以調(diào)節(jié)導葉角度，使流量減少時的進氣沖角不致太大，從而避免發(fā)生喘振。 在壓縮機出口設置旁通管道，讓壓縮機通過足夠的流量，以防進入喘振狀態(tài)。 在壓縮機進口設置溫度、流量監(jiān)視儀表，出口設置壓力監(jiān)視儀表，一旦出現(xiàn)異?；虼窦皶r報警；設有與防喘振控制操作聯(lián)動或與緊急停車聯(lián)動。,系統(tǒng)設計要求：,（4）壓縮機的阻塞工況（最大流量工況）,產(chǎn)生原因： 流量增大，氣流的沖角達到較大的負沖角，在葉片工作面上發(fā)生邊界層分離，葉片做功全部轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

33、能量損失，壓力不再升高，僅用于維持在該流量下流動； 在流道最小截面處出現(xiàn)了聲速，邊界層分離區(qū)急劇擴大，壓縮機達到了阻塞工況，此時壓力得不到提高，流量不再增大。,（5）穩(wěn)定工作范圍,在性能曲線上，處于喘振工況和阻塞工況之間的區(qū)域，稱為穩(wěn)定工作范圍。,衡量壓縮機性能好壞，除要求有較高的壓力比和較高的效率外，還有較寬的穩(wěn)定工作范圍。,說明：級與多級壓縮機的性能曲線形狀基本一致，但由于受逐級氣流密度的變化與影響，級數(shù)愈多，壓縮機的性能曲線愈陡。喘振流量愈大，阻塞流量愈小，穩(wěn)定工作范圍愈窄。,3.2.1.3 壓縮機與管網(wǎng)聯(lián)合工作,（1）管網(wǎng)特性曲線,管網(wǎng)特性曲線 :指通過管網(wǎng)的氣體流量與保證這個流量通過

34、管網(wǎng)所需要的壓力之間的關(guān)系曲線，即p=f（qv）曲線。每一種管網(wǎng)都有自己的特性曲線，其決定于管網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)和用戶要求。有三種形式：,管網(wǎng)阻力與流量無關(guān)； 可用 表示的二次曲線； 上面兩種形式的混合。,（2）壓縮機與管網(wǎng)聯(lián)合工作,平衡工作點,當離心壓縮機向管網(wǎng)輸送氣體時，如果氣體流量和排出壓力相當穩(wěn)定（即波動很?。?，說明壓縮機和管網(wǎng)的性能協(xié)調(diào)，處于穩(wěn)定操作狀態(tài)。 壓縮機性能曲線與管網(wǎng)性能（阻力）曲線的交點稱為平衡工作點。 平衡工作點具有的條件： 壓縮機的容積流量等于管網(wǎng)的進氣量； 壓縮機提供的排壓等于管網(wǎng)需要的端壓。,（3）平衡工況的穩(wěn)定性,平衡工況,穩(wěn)定工況點與不穩(wěn)定工況點 穩(wěn)定工況點的判別：

35、,通常壓縮機的喘振點位于駝峰曲線的頂點的左支，故曲線左支不再畫出。,3.2.1.4 壓縮機的串聯(lián)與并聯(lián),串聯(lián)：增大氣流的排出壓力； 并聯(lián)：增大氣流的輸送流量。不適于管網(wǎng)阻力較大的系統(tǒng)。,要求：需保證壓縮機的特性與管網(wǎng)特性相互匹配，防止使用不當出現(xiàn)問題。,串聯(lián)和并聯(lián)操作適用于流量或壓力需長時間增加的操作，在風機或離心泵中使用普遍，在壓縮機不常應用。,3.2.3 壓縮機的各種調(diào)節(jié)方法及特點,調(diào)節(jié)的目的：使壓縮機適應變工況下操作，保持生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。 調(diào)節(jié)的方法：等壓調(diào)節(jié)和等流量調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)原理：設法改變壓縮機的性能曲線和改變管網(wǎng)性能曲線，其實質(zhì)是改變壓縮機的工況點。,3.2.3.1 壓縮機出口節(jié)流

36、調(diào)節(jié),方法：調(diào)節(jié)壓縮機出口管道中節(jié)流閥門的開度。 特點： 改變管網(wǎng)阻力特性曲線； 減小閥門開度，減小流量，反之亦然； 閥門關(guān)小，管網(wǎng)阻力損失增大，系統(tǒng)效率降低； 方法簡單，操作方便。僅在風機和小型壓縮機上采用。,3.2.3.2 壓縮機進口節(jié)流調(diào)節(jié),方法：調(diào)節(jié)進口管道中閥門開度。 特點： 比出口節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)省功率； 改變壓縮機性能曲線的位置，達到調(diào)節(jié)輸送氣體的流量和壓力的目的； 壓縮機性能曲線向小流量方向移動，使其在更小流量下穩(wěn)定運行。 帶來一定壓力損失使排氣壓力降低。 簡便常用的方法。,3.2.3.3 采用可轉(zhuǎn)動的進口導葉調(diào)節(jié)（又稱進氣預旋調(diào)節(jié)）,方法：在葉輪之前設置進口導葉，并用專門機構(gòu)，使各

37、個葉片繞自身的軸轉(zhuǎn)動，從而改變導向葉片的角度，使葉輪進口氣流產(chǎn)生預旋。 分為正預旋和負預旋。 特點： 改變壓縮機性能曲線； 經(jīng)濟性好于進出口節(jié)流調(diào)節(jié)； 機構(gòu)復雜，實際應用不多，一般只在風機上使用。,3.2.3.4 采用可轉(zhuǎn)動的擴壓器葉片調(diào)節(jié),方法：改變擴壓器葉片的進口角，適應來流角。 特點： 改變壓縮機性能曲線； 擴大了穩(wěn)定工作范圍 喘振流量減小，對于 等壓下調(diào)節(jié)流量有利； 壓力、效率變化小，很 少單獨使用； 調(diào)節(jié)機構(gòu)復雜。 應用不多。,3.2.3.5 改變壓縮機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),方法：利用原動機改變轉(zhuǎn)速。 特點： 改變壓縮機性能曲線位置； 流量和壓力的變化較大，擴大了穩(wěn)定工況范圍； 經(jīng)濟簡便的方法

38、，不增加附加能量損失，不需改變壓縮機的結(jié)構(gòu)，但驅(qū)動機必須是可調(diào)速的。,3.2.3.6 三種調(diào)節(jié)方法的經(jīng)濟性比較及聯(lián)合采用兩種調(diào)節(jié),（1）進口節(jié)流、進氣預旋和改變轉(zhuǎn)速比較,改變轉(zhuǎn)速最為經(jīng)濟。,（2）兩種方法聯(lián)合使用,穩(wěn)定工作范圍擴大。,例如：改變轉(zhuǎn)速和改變擴壓器葉片角度,對上述調(diào)節(jié)方法做一綜合比較： 改變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法，經(jīng)濟性最好，調(diào)節(jié)范圍廣，適用于蒸汽輪機、燃氣輪機驅(qū)動的壓縮機。 壓縮機進口節(jié)流調(diào)節(jié)方法，方法簡單，經(jīng)濟性較好，且具有一定的調(diào)節(jié)范圍，在轉(zhuǎn)速固定的壓縮機、鼓風機等采用。 轉(zhuǎn)動進口導葉調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)范圍較廣，經(jīng)濟性也好，但結(jié)構(gòu)較復雜。 轉(zhuǎn)動擴壓器葉片調(diào)節(jié)方法，使壓縮機性能曲線平移，對

39、減小喘振流量，擴大穩(wěn)定工作范圍很有效，經(jīng)濟性也好，但結(jié)構(gòu)復雜，目前該法很少單獨采用，有時同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法聯(lián)合使用。 出口節(jié)流調(diào)節(jié)方法最簡單，但經(jīng)濟性最差，目前只在通風機和小功率的壓縮機、鼓風機上使用。 同時采用兩種調(diào)節(jié)方法，可取長補短，最有效地擴大壓縮機的穩(wěn)定工作范圍。,3.2.4 附屬系統(tǒng),3.2.4.1 輸送氣體的管網(wǎng)系統(tǒng),注意設計計算出管網(wǎng)系統(tǒng)在設計工況及變工況下，不同流量、流速下的管網(wǎng)系統(tǒng)各部件的阻力壓降，掌握阻力情況。,3.2.4.2 增（減）速設備,3.2.4.3 油路系統(tǒng),設計時要保證按各用油處能帶走所需要帶走的熱量，考慮阻力降；操作時保證油溫、油壓、清潔。,作用：潤滑、冷卻、密封、

40、控制、支承,高位油槽：,3.2.4.4 水路系統(tǒng),3.2.4.5 檢測系統(tǒng),性能檢測： 安全檢測：,冷卻器的設計，冷卻水的使用。,保證系統(tǒng)帶走所有的熱量，以使壓縮機正常工作。,目的為機器安全運行、調(diào)節(jié)控制和故障診斷提供基本信息。,3.2.5 壓縮機的控制,用于壓縮機的啟動、停車、原動機的變轉(zhuǎn)速、壓縮機工況點保持穩(wěn)定或變工況調(diào)節(jié)，使壓縮機盡量處于最佳工作狀態(tài)。,3.2.2 相似理論在離心壓縮機中的應用,3.2.2.1 相似理論的應用價值,按照性能良好的模型級或機器，快速設計出性能良好的新機器； 將模型化試驗的結(jié)果，換算成設計條件或使用條件下的機器性能； 相似的機器可用通用性能曲線表示其性能； 使

41、產(chǎn)品系列化、通用化、標準化，利于產(chǎn)品設計制造，也利于產(chǎn)品的選型使用。,利用相似理論中的一些規(guī)律，與試驗結(jié)合，有效解決一些復雜過程的研究和設計問題：大致有以下四方面用途：,相似理論的主要任務在于揭示滿足相似所需的足夠條件，包括找出決定流動相似的相似準數(shù)。在離心式壓縮機中的應用有重要意義。,對于離心壓縮機的相似原理，主要是研究氣體在機內(nèi)接受葉輪外功，進行能量交換過程中的流動相似問題。 為簡化討論，僅研究理想氣體在一元穩(wěn)定流動中的流動相似：,3.2.2.2 離心壓縮機流動相似應具備的條件,流動相似：流體流經(jīng)幾何相似的通道或機器時，其任意對應點上同名物理量比值相等，就可認為機器的流動性能相似。,相似條

42、件：幾何相似、運動相似、動力相似、熱力相似。,為了保證兩機流動相似必須具備的相似條件,對于離心壓縮機要保持兩機流動相似必須具備的條件： 幾何相似：兩機通流部件對應的線性尺寸之比為常數(shù)，對應角度相等。即 幾何相似是物理現(xiàn)象相似的先決條件。 運動相似：流動過程中兩機對應點的同名速度大小成比例，且為一常數(shù)，速度方向角相同 。即 實際上一般只要求葉輪進口速度三角形對應相似就滿足運動相似的要求。,動力相似：指兩機對應點上作用的同名力大小成比例，且為一常數(shù)，力的方向?qū)嗤?判別動力相似的判據(jù)是動力相似準數(shù)：表示粘性影響的決定性準數(shù)是雷諾數(shù)；表示可壓縮性影響的決定性準數(shù)是馬赫數(shù)。,在氣體壓縮過程中，氣體

43、參數(shù)的變化受氣體可壓縮性的影響，隨馬赫數(shù)的增大，其影響愈加顯著。所以，要保持兩機流動相似，各對應點的馬赫數(shù)應相等。為了簡化以不隨工況改變的機器特征馬赫數(shù)代替第一級進口馬赫數(shù)，即動力相似的條件是兩機的特征馬赫數(shù)相等。,熱力相似：指氣體在兩機內(nèi)的流動過程中，氣體的熱力過程相似，即兩機的氣體等熵指數(shù)應相等。,等熵指數(shù)相等是兩機相似的必需條件。,所以，要保持兩臺離心壓縮機流動完全相似，必須具備以下相似條件： 幾何相似； 葉輪進口速度三角形相似； 特征馬赫數(shù)相等； 氣體等熵指數(shù)相等。,3.2.2.3 符合相似條件的性能換算,（1）符合相似條件的性能換算（完全相似）,兩臺機器符合相似條件時，只要知道一臺機器的性能參數(shù)，就可應用相似換算得到另一臺機器的性能參數(shù) ：,解決的