离心压缩机1(3)

1、 离心压缩机功率一般都很大，即使效率提高离心压缩机功率一般都很大，即使效率提高百分之一，所节省的能量也很可观，所以离心压百分之一，所节省的能量也很可观，所以离心压缩机的效率是个重要经济指标。缩机的效率是个重要经济指标。 效率直接和级中的流动损失、泄露损失和轮效率直接和级中的流动损失、泄露损失和轮阻损失有关。分析这些损失产生原因，并设法在阻损失有关。分析这些损失产生原因，并设法在设计、制造上尽可能减小，就可以提高压缩机的设计、制造上尽可能减小，就可以提高压缩机的效率，同时也改善压缩机的性能。效率，同时也改善压缩机的性能。内漏气损失内漏气损失轮阻损失轮阻损失流动损失：流动损失： （摩阻损失、冲击损

2、失、分（摩阻损失、冲击损失、分离损失、二次涡流损失、尾迹离损失、二次涡流损失、尾迹损失、波阻损失）损失、波阻损失） 由于叶轮轮盖处存由于叶轮轮盖处存在泄漏，有质量流量为在泄漏，有质量流量为 ml的气体从叶轮出口返的气体从叶轮出口返回到叶轮入口，并且反回到叶轮入口，并且反复循环，把能量白白消复循环，把能量白白消耗在轮盖密封处，这项耗在轮盖密封处，这项消耗功称为内漏气损失消耗功称为内漏气损失功功)51 ()100(23222DeugDkNdfdf增加D来提高能头，会增加损失增加n来提高能头，同时减小D，损失增加不大 与离心泵相比，由于气体的物性（可压缩性与离心泵相比，由于气体的物性（可压缩性等）及

3、其复杂的热力学性质，使得离心压缩机级等）及其复杂的热力学性质，使得离心压缩机级中流道内气体流动极为复杂，有关流动损失产生中流道内气体流动极为复杂，有关流动损失产生的机理及分析计算也变得极为困难，定量计算目的机理及分析计算也变得极为困难，定量计算目前还很不完善。前还很不完善。 出于定性分析需要，一般将流动损失大致分为：出于定性分析需要，一般将流动损失大致分为：摩阻损失、冲击损失、分离损失、二次涡流损失、摩阻损失、冲击损失、分离损失、二次涡流损失、尾迹损失以及波阻损失等等。尾迹损失以及波阻损失等等。1. 摩阻损失： 流体粘性是产生流动损失的根本原因。流体粘性是产生流动损失的根本原因。当气流流经压缩

4、机级的通流部分时，由于气当气流流经压缩机级的通流部分时，由于气体粘性的存在，流动模式将如图所示：体粘性的存在，流动模式将如图所示： 在贴近流道壁的地方，气体受壁面的附着在贴近流道壁的地方，气体受壁面的附着 作用，速度接近于零；作用，速度接近于零； 流道中间部分流速大，在湍流流动时速度流道中间部分流速大，在湍流流动时速度 分布比较均匀，该区域称为主流区；分布比较均匀，该区域称为主流区； 在主流区与壁面之间存在一速度梯度较大的薄层，这就是在主流区与壁面之间存在一速度梯度较大的薄层，这就是 边界层（或称附面层），边界层（或称附面层），是边界层的厚度。是边界层的厚度。 边界层内各层流体之间存在相对运动

5、，边界层内各层流体之间存在相对运动，速度较小的流层将对临近速度较高的流层产速度较小的流层将对临近速度较高的流层产生生“阻滞阻滞”作用；而速度较高的流层则有动作用；而速度较高的流层则有动能传给速度较小的流层，对它起能传给速度较小的流层，对它起“拖动拖动”作作用，拖动力与阻滞力大小相等，方向相反，用，拖动力与阻滞力大小相等，方向相反，分别作用在两个紧挨的层面上，这样的力就分别作用在两个紧挨的层面上，这样的力就是内摩擦力，或称是内摩擦力，或称粘滞力。粘滞力。 摩擦损失也包括流体层与壁面之间的摩擦损失也包括流体层与壁面之间的附着摩擦损失附着摩擦损失。 为了维持流体的运动，就必须外加能量来克服内摩擦力所

6、造为了维持流体的运动，就必须外加能量来克服内摩擦力所造成的能量损失（机械能变成无用的热能），这是成的能量损失（机械能变成无用的热能），这是摩擦损失。摩擦损失。 在主气流区中因为速度梯度很小，内摩擦在主气流区中因为速度梯度很小，内摩擦力也就很小，所以流体的沿程摩擦损失主要存力也就很小，所以流体的沿程摩擦损失主要存在于边界层中，边界层愈厚，摩擦损失也就愈在于边界层中，边界层愈厚，摩擦损失也就愈大。大。 摩擦损失的计算式可用类似于管道摩擦摩擦损失的计算式可用类似于管道摩擦损失计算式。从流道截面损失计算式。从流道截面1-11-1到截面到截面2-22-2，单，单位质量气体的摩擦损失为位质量气体的摩擦损失

7、为：2122skfQccdlh 计算计算h hf f的关键在于确定摩擦阻力系数的关键在于确定摩擦阻力系数，而，而是雷诺数、是雷诺数、壁面粗糙度等的函数。壁面粗糙度等的函数。C Ck1k1与流道表面粗糙度及过流面积有关的系数与流道表面粗糙度及过流面积有关的系数2122skfQccdlhC Ck1k1与流道表面粗糙度及过流面积有关的系数与流道表面粗糙度及过流面积有关的系数1wrc11u1w 1w1rc 1w1A11wrc11u1w 1w1rc 1w1A1Arrccwww111 11 1cot2122112 1cot22QQccwhdsArrsss冲击损失hs22)(sdksQQchCk2与冲击损失

8、系数及过流面积有关的系数与冲击损失系数及过流面积有关的系数1A1 称为冲角，造成冲击损失的相对速度： 在扩压流道中边在扩压流道中边界层会增厚，进而边界层会增厚，进而边界层与流道壁面脱离，界层与流道壁面脱离，甚至在接近壁面的边甚至在接近壁面的边层气流中产生反向流层气流中产生反向流动出现反向流动旋涡，动出现反向流动旋涡，引起很大损失，称引起很大损失，称边边界层分离界层分离, ,产生的损失产生的损失称为分离损失。称为分离损失。 图图1-11 1-11 流体沿壁面流流体沿壁面流动时的流场示意图动时的流场示意图 如图所示，在压缩机的扩张流道中，沿着流动方向，主如图所示，在压缩机的扩张流道中，沿着流动方向

9、，主气流的速度不断下降，静压不断升高。其中边界层中的流体气流的速度不断下降，静压不断升高。其中边界层中的流体由于得不到主气流足够的拖动作用，速度衰减更快，边界层由于得不到主气流足够的拖动作用，速度衰减更快，边界层的厚度也就逐渐增加。的厚度也就逐渐增加。 至于边界层中的压力，流体力学中已证明，它与至于边界层中的压力，流体力学中已证明，它与当地主气流的压力相等，所以愈到下游，边界层内当地主气流的压力相等，所以愈到下游，边界层内的压力愈高。当扩压流动达到某一种扩压程度时，的压力愈高。当扩压流动达到某一种扩压程度时，就会发生主气流的动能不足以带动整个边界层前进，就会发生主气流的动能不足以带动整个边界层

10、前进，致使该处紧挨壁面的流体将首先停滞下来，再往前致使该处紧挨壁面的流体将首先停滞下来，再往前流动，就会因为抵抗不住迎面的压差阻力而发生局流动，就会因为抵抗不住迎面的压差阻力而发生局部倒流，这就是所谓的边界层分离。部倒流，这就是所谓的边界层分离。 粘性流体在扩压面流动才可能出现分离损失粘性流体在扩压面流动才可能出现分离损失。 分离损失与流道形状、壁面粗造度、气流雷诺数分离损失与流道形状、壁面粗造度、气流雷诺数有关，尤以流道形状影响最大。有关，尤以流道形状影响最大。 离心压缩机中有很多减速扩压流道，就可能离心压缩机中有很多减速扩压流道，就可能出现边界层分离，产生漩涡，导致分离损失产生；出现边界层

11、分离，产生漩涡，导致分离损失产生；同时，边界层增厚、分离，使主流通道流通面积同时，边界层增厚、分离，使主流通道流通面积变小，达不到扩压目的，流动恶化变小，达不到扩压目的，流动恶化。粘性流体在压力降落面内流动（加速、减压流动）不会粘性流体在压力降落面内流动（加速、减压流动）不会出现边界层分离。出现边界层分离。为减少分离损失，需限制扩压通道的扩张角或扩张度。ldd2arctan212zlbDbDAAeq111222sinsinarctan2一般规定压缩机流道的当量扩张角小于67扩压度：对可压缩流体，用流道的进出口速度之比，w1/w2，一般在1.6-1.8之间，不能大于2.当量扩张角： 叶轮叶道内，

12、是一个有能量加入的扩压流道。叶轮叶道内，是一个有能量加入的扩压流道。叶轮的旋转使得边界层中气流还受到离心力作用，叶轮的旋转使得边界层中气流还受到离心力作用，从而减缓了边界层的分离。从而减缓了边界层的分离。轴向涡流的滑移影响使轴向涡流的滑移影响使得叶道中边界层分离多产生在非工作面，尤其是叶得叶道中边界层分离多产生在非工作面，尤其是叶轮出口附近。轮出口附近。非工作面的气流分离非工作面的气流分离叶片扩压器流道中，因无能量加入，因而叶片扩压器流道中，因无能量加入，因而容易出现气流的边界层分离。容易出现气流的边界层分离。不同冲角下叶道中边界层分离不同冲角下叶道中边界层分离示意图示意图 在离心压缩机的级中

13、，二次涡流的产生是由在离心压缩机的级中，二次涡流的产生是由流道同一截面流道同一截面中存在压差中存在压差而引起的，主要发生在叶轮叶道、弯道及吸气室等而引起的，主要发生在叶轮叶道、弯道及吸气室等有急剧转弯之处有急剧转弯之处；同样，在；同样，在叶片扩压器叶片扩压器中也有二次涡流产生。中也有二次涡流产生。二次涡流问题很复杂，仍处于研究阶段，在此只作定性分析。二次涡流问题很复杂，仍处于研究阶段，在此只作定性分析。 叶轮叶道中二次流叶轮叶道中二次流叶轮叶道呈曲线形，并存在叶轮叶道呈曲线形，并存在轴向涡流轴向涡流，因此在同一截面上气，因此在同一截面上气流的流的速度和压力的分布是不均匀速度和压力的分布是不均匀

14、的。的。 对于后弯叶片来说，叶片工作面一侧速度小，对于后弯叶片来说，叶片工作面一侧速度小，压力高；而非工作面的一边相反，压力最低，速压力高；而非工作面的一边相反，压力最低，速度最大。度最大。 边界层中气体在上述边界层中气体在上述压力差压力差的作用下将产生的作用下将产生由工作面向非工作面的流动由工作面向非工作面的流动，流动的方向与主气，流动的方向与主气流方向大致相流方向大致相垂直垂直，这就是所谓的，这就是所谓的二次流二次流。二次流二次流的存在：的存在： 干扰了主流流动，造成能量损失；干扰了主流流动，造成能量损失；同时还会使叶轮叶片的非工作面更容同时还会使叶轮叶片的非工作面更容易分离。易分离。 因

15、为二次流的流动使叶片工作面因为二次流的流动使叶片工作面边界层中的气流被吸走，边界层变薄，边界层中的气流被吸走，边界层变薄，并有较大动能的主流气体来补充；而并有较大动能的主流气体来补充；而非工作面边界层非工作面边界层由于接受了沿壁面流由于接受了沿壁面流来的能量较低的气体，来的能量较低的气体，边界层变厚边界层变厚，速度减小，甚至小于工作面的速度，速度减小，甚至小于工作面的速度，因此非工作面变得容易出现气体分离。因此非工作面变得容易出现气体分离。 叶道中的二次涡流叶道中的二次涡流 闭式叶轮顶部的闭式叶轮顶部的二次涡流二次涡流 叶片扩压器中的二次流叶片扩压器中的二次流 在叶片扩压器中同样存在二次流。但

16、扩压器中压力较高区在叶片扩压器中同样存在二次流。但扩压器中压力较高区是在叶片的凹面，低压区是在叶片的凸面，所以扩压器中的二是在叶片的凹面，低压区是在叶片的凸面，所以扩压器中的二次流是从叶片的凹面流向凸面，这一点与叶轮中的二次流凸面次流是从叶片的凹面流向凸面，这一点与叶轮中的二次流凸面流向凹面相反流向凹面相反( (实际是一致的实际是一致的) )。 弯道中的二次流弯道中的二次流在弯曲管道中，由于气体在转弯处在弯曲管道中，由于气体在转弯处产生产生离心惯性力离心惯性力，使外壁处压力增，使外壁处压力增大，大于流道中的平均压力，速度大，大于流道中的平均压力，速度减小；弯道内壁处压力减小，小于减小；弯道内壁处压力减小，小于流道中的平均压力，速度则增大。流道中的平均压力，速度则增大。弯管中除了有二次涡流以外还有边界层分离。弯管中除了有二次涡流以外还有边界层分离。弯管中二次涡流及边界层分离的影响因素：流道截面沿长度弯管中二次涡流及边界层分离的影响因素：流道截面沿长度方向的变化（即扩压度）的均匀性、曲率半径方向的变化（即扩压度）的均匀性、曲率半径l 马赫数M：某一点气流速度与当地音速的比值与冲角，叶片厚度、进出口面积及边界层