第三章 离心式压缩机_6

1、LOGO离心式离心式压缩机压缩机过程流体机械过程流体机械第三章第三章 离心式压缩机离心式压缩机离心式压缩机典型结构和工作原理离心式压缩机典型结构和工作原理3.3.1 1性能调节与控制性能调节与控制3.23.2安全可靠性安全可靠性3.33.3 选型选型( (轴流式压缩机轴流式压缩机) )3.43.4菜单菜单 离心式压缩机的基本方程离心式压缩机的基本方程概述概述气体压缩机气体压缩机容积式容积式透平式透平式往复式往复式回转式回转式活活塞塞式式柱柱塞塞式式隔膜式隔膜式罗茨式罗茨式叶氏式叶氏式螺杆式螺杆式滑片式滑片式离心式离心式轴流式轴流式斜流式斜流式复合式复合式 离心压缩机和轴流式压缩机等习惯称为风机

2、，离心压缩机和轴流式压缩机等习惯称为风机，分压缩机、鼓风机和通风机。分压缩机、鼓风机和通风机。按排出压力分类按排出压力分类 0.015 0.015MPa MPa 通风机通风机 0.015 0.015MPa-MPa-（0.30.3MPa-0.35MPaMPa-0.35MPa） 鼓风机鼓风机 （0.30.3MPa-0.35MPaMPa-0.35MPa） 压缩机压缩机离心压缩机离心压缩机: :速度式透平机械。速度式透平机械。概述概述离心压缩机的发展概况离心压缩机的发展概况新技术、新工艺使得离心压缩机的应用领域愈来愈新技术、新工艺使得离心压缩机的应用领域愈来愈广。（石油化工、油气集输）。广。（石油化工

3、、油气集输）。l 离心压缩机是在通风机基础上发展起来离心压缩机是在通风机基础上发展起来l 流量流量10000m10000m3 3/min/minl 提高了转速，大都在提高了转速，大都在35000rpm35000rpm以上，同时解决了以上，同时解决了 高速度轴承及其动平衡问题高速度轴承及其动平衡问题l 浮环密封结构，解决了高压下的轴端密封浮环密封结构，解决了高压下的轴端密封l 筒型及双层壳解决了强度问题和机体密封筒型及双层壳解决了强度问题和机体密封l 电火花加工使小流量下窄流道叶轮的加工得到解决电火花加工使小流量下窄流道叶轮的加工得到解决吴仲华教授吴仲华教授(1917-1992)(1917-19

4、92)19471947年美国麻省理工年美国麻省理工博士学位博士学位美国美国NASANASA科学家科学家准三元流动基本理论准三元流动基本理论u6060年代开始应用年代开始应用准三元流动理准三元流动理论论, ,设计空间扭曲叶片设计空间扭曲叶片, ,以改善级以改善级的流动性能，提高效率。的流动性能，提高效率。 单轴离心式压缩机单轴离心式压缩机离心式压缩机离心式压缩机u 能量转化过程：机械能能量转化过程：机械能气体动能、压能气体动能、压能进进一步转换成压能一步转换成压能 u叶轮叶轮转速越高、直径转速越高、直径越大越大传递的能量越大。传递的能量越大。 工作原理工作原理驱动机驱动机转子高速旋转转子高速旋转

5、叶轮入口产生负压（吸气）叶轮入口产生负压（吸气）气体在叶轮增速及气体在叶轮增速及后面流道中扩压后面流道中扩压被压缩气体连续被压缩气体连续从蜗壳排出从蜗壳排出气体的流动过程：气体的流动过程：EI 120EI 120 6.35/0.956.35/0.95 E E：有中间冷却器的多级高速离心压缩机：有中间冷却器的多级高速离心压缩机 I I：代表汽缸，罗马字：代表汽缸，罗马字I I 主要结构主要结构v叶轮叶轮扩压器扩压器 弯道弯道回流器回流器蜗壳蜗壳吸气室吸气室吸气室吸气室离心式压缩离心式压缩机典型结构机典型结构叶轮叶轮扩压器扩压器弯道弯道回流器回流器出口蜗壳出口蜗壳吸气室吸气室转子转子：转轴，固定在

6、轴上的叶轮、：转轴，固定在轴上的叶轮、轴套、联轴器及平衡盘等轴套、联轴器及平衡盘等。离心压缩机离心压缩机定子定子：压缩机的固定元件，如机壳、：压缩机的固定元件，如机壳、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、吸扩压器、弯道、回流器、蜗壳、吸气室气室。离心式压缩机离心式压缩机典型结构典型结构 叶叶 轮：唯一做功部件，增加气体能量；轮：唯一做功部件，增加气体能量； 扩压器：主要转能装置（泵中蜗壳或导叶）速度能扩压器：主要转能装置（泵中蜗壳或导叶）速度能转换为压力能转换为压力能 弯弯 道：在扩压器后使离心流动变为向心流动，引道：在扩压器后使离心流动变为向心流动，引入下一级入下一级 回流器：使气流以一定方向均匀流

7、入下一级叶轮入回流器：使气流以一定方向均匀流入下一级叶轮入口，有的装有导向叶片。口，有的装有导向叶片。 吸气室：将进气管中气体均匀导入叶轮。吸气室：将进气管中气体均匀导入叶轮。 蜗蜗 壳：收集气体，引出；降速扩压作用。壳：收集气体，引出；降速扩压作用。主要过流部件：主要过流部件：离心式压缩机离心式压缩机典型结构典型结构级：级：段：段：缸：缸：由由一个叶轮与其相配合的固定元件一个叶轮与其相配合的固定元件所构成所构成以以中间冷却器中间冷却器作为分段的标志，可以由几个作为分段的标志，可以由几个级构成级构成一个机壳称为一缸，多机壳称为多缸（在叶一个机壳称为一缸，多机壳称为多缸（在叶轮数较多时采用）轮数

8、较多时采用）吸气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器、蜗壳吸气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器、蜗壳主要部件及典型结构：主要部件及典型结构：第一段第一段第二段第二段级是离心压缩机使气体增压的基本单元。分为首级、级是离心压缩机使气体增压的基本单元。分为首级、中间级、末级中间级、末级中间级中间级: : 由由叶轮、扩压器、弯道、回流器叶轮、扩压器、弯道、回流器组成；首级：组成；首级：吸气室吸气室+ +中间级；末级：叶轮、扩压器、蜗壳中间级；末级：叶轮、扩压器、蜗壳级的典型结构与关键截面级的典型结构与关键截面离心压缩机的典型结构与特点离心压缩机的典型结构与特点 级的典型结构级的典型结构 （各元件通流截面变化及

9、能量转换情况）（各元件通流截面变化及能量转换情况） 特征截面特征截面in - in0-01-12-23-34-45-56-6 0- 0说明说明(首级首级,中间级中间级)吸气管吸气管(机机)进口进口叶轮叶轮(级级)进口进口叶片叶片进口进口叶轮叶轮出口出口扩压器扩压器进口进口扩压器出口扩压器出口弯道进口弯道进口弯道出口弯道出口回流器进口回流器进口回流器回流器出口出口级出口级出口下级进口下级进口参数参数p, c, t p, c, t压力压力 p, 流速流速 c, 温度温度 t能量能量绝能绝能流动流动增能增能(做功做功)绝能绝能流动流动 1. 1. 按叶轮结构型式按叶轮结构型式闭式叶轮闭式叶轮：性能好

10、、效率高；由于轮盖的影响，叶轮：性能好、效率高；由于轮盖的影响，叶轮圆周速度受到限制。圆周速度受到限制。半开式叶轮半开式叶轮：效率较低，强度较高。：效率较低，强度较高。双面进气叶轮双面进气叶轮：适用于大流量，且轴向力平衡好。：适用于大流量，且轴向力平衡好。 离心式叶轮的典型结构离心式叶轮的典型结构按叶轮叶片弯曲型式（叶片的出口安装角）按叶轮叶片弯曲型式（叶片的出口安装角）后弯型叶轮后弯型叶轮：A A 9090，级效率高，稳定工作范围宽。，级效率高，稳定工作范围宽。径向型叶轮径向型叶轮： A A 90 90 ，性能介于后弯型和前弯型之间。，性能介于后弯型和前弯型之间。 前弯型叶轮前弯型叶轮： A

11、 A9090，级效率较低，稳定工作范围窄。，级效率较低，稳定工作范围窄。A A相对速度相对速度w牵连速度牵连速度u绝对速度绝对速度c速度三角形速度三角形叶轮进出口的速度三角形叶轮进出口的速度三角形气流在叶轮中流动的绝对速度为相对速气流在叶轮中流动的绝对速度为相对速度和牵连速度的矢量和度和牵连速度的矢量和uwc称为速度三角形。三角形三矢量组成一个封闭的,uwc位于叶轮叶道内任一点的流体质点的运动状态，均位于叶轮叶道内任一点的流体质点的运动状态，均可用一个速度三角形来表达。可用一个速度三角形来表达。实际应用中，主要用进、出口的速度三角形。它的实际应用中，主要用进、出口的速度三角形。它的形状和大小将

12、直接关系到叶轮和流体间的能量交形状和大小将直接关系到叶轮和流体间的能量交换（功耗）。换（功耗）。crcucwu叶轮与速度三角形中各参数的含义如下：叶轮与速度三角形中各参数的含义如下：气流绝对速度与圆周速度的夹角。气流绝对速度与圆周速度的夹角。气流气流相对速度与圆周速度反方向的夹角，相对速度与圆周速度反方向的夹角，液流角液流角。cr 绝对速度的径向分速；绝对速度的径向分速；cu 绝对速度的周向分速。绝对速度的周向分速。A叶片安置角（叶片在该点的切线与圆周速度反方叶片安置角（叶片在该点的切线与圆周速度反方向的夹角）。向的夹角）。当叶片数无穷多时，当叶片数无穷多时， A A叶轮出口处的叶轮出口处的叶

13、片安置角叶片安置角A又叫叶片离角。又叫叶片离角。crcucwu相对速度相对速度w牵连速度牵连速度u绝对速度绝对速度c 离心叶轮的典型结构离心叶轮的典型结构 叶轮叶轮速度三角形速度三角形： 叶轮透平机械理论基础叶轮透平机械理论基础 适用压缩机、泵、汽轮机等适用压缩机、泵、汽轮机等 下标：下标： 1 叶轮进口截面叶轮进口截面 2 叶轮出口截面叶轮出口截面 A 叶片叶片 th 理论参数理论参数 叶片无限多叶片无限多 （无限薄，不占体积）无限薄，不占体积）理论参数理论参数实际参数实际参数叶轮出口叶轮出口速度三角形速度三角形叶轮进口叶轮进口速度三角形速度三角形绝对速度绝对速度叶轮出口叶轮出口速度三角形速

14、度三角形叶轮进口叶轮进口速度三角形速度三角形 离心叶轮的典型结构离心叶轮的典型结构 叶轮叶轮速度三角形速度三角形 气流速度：气流速度： 绝对速度绝对速度（气流速度）（气流速度） c 、c2 、c1 牵连速度牵连速度（叶轮圆周速度）（叶轮圆周速度） u r（角速度）、（角速度）、u2 、u1 相对速度相对速度（流动速度）（流动速度） w 、w2 、w1 气流角度：气流角度：（实际参数）（实际参数） 2（ w2 ，- u2 ） 2（ c2 ，u2 ） 结构角度：结构角度：（理论参数）（理论参数） 叶片出口角叶片出口角2A（ 切线，切线，- u 反向）反向） 与流动和介质无关与流动和介质无关 （理想

15、状况（理想状况2 2A ）相对速度相对速度圆周圆周速度速度叶轮进口叶轮进口速度三角形速度三角形叶轮进口叶轮进口速度三角形速度三角形离心叶轮的典型结构离心叶轮的典型结构 叶轮叶轮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 在圆周方向分量）在圆周方向分量） cu 、c2u 、c1u 与能量（扬程）有关与能量（扬程）有关 能量头能量头（周速）（周速）系数系数 2uc2u / u2 径向分速度径向分速度 （c 在直径方向分量）在直径方向分量） cr 、c2r 、c1r 与流量（流速）有关与流量（流速）有关 流量系数流量系数 2r c2r / u2径向分速度径向分速度周向周向分速

16、度分速度扩压器扩压器：能量转换元件（动能：能量转换元件（动能压能，气流减速增压）压能，气流减速增压） 无叶无叶（片）型、（片）型、叶片叶片（有叶）型（有叶）型 扩压器结构扩压器结构扩压器扩压器 动能转换为压力能作用动能转换为压力能作用扩压原理：扩压原理： 气流从叶轮中出来，速度高，动能大。进入扩压器气流从叶轮中出来，速度高，动能大。进入扩压器后，由于后，由于流通面积逐渐增大，使速度降低流通面积逐渐增大，使速度降低，依据能，依据能量守恒与转换定律，部分动能减少而转换为压能，量守恒与转换定律，部分动能减少而转换为压能，实现增压的目的。实现增压的目的。扩压器种类：扩压器种类：叶片式；直壁式（无叶扩压

17、器）叶片式；直壁式（无叶扩压器）。优点：优点：（1 1）排气量大，气体流经离心压缩机是连续的，其流通）排气量大，气体流经离心压缩机是连续的，其流通截面积较大，且叶轮转速很高，故气流速度很大，因而流截面积较大，且叶轮转速很高，故气流速度很大，因而流量很大。量很大。（2 2）结构紧凑、尺寸小。它比同气量的活塞式小得多；）结构紧凑、尺寸小。它比同气量的活塞式小得多；（3 3）运转平稳可靠，连续运转时间长，维护费用省低；）运转平稳可靠，连续运转时间长，维护费用省低；（4 4）不污染被压缩的气体，这对化工生产是很重要的；）不污染被压缩的气体，这对化工生产是很重要的；（5 5）转速较高，适宜用蒸汽轮机或燃

18、气轮机直接拖动。）转速较高，适宜用蒸汽轮机或燃气轮机直接拖动。离心式压缩机的特点离心式压缩机的特点由于由于高压密封高压密封、小流量窄叶轮小流量窄叶轮的加工和的加工和多油楔轴多油楔轴承承等技术关键的研制成功，使离心压缩机的应用等技术关键的研制成功，使离心压缩机的应用范围大为扩展，以致在许多场合可以取代往复活范围大为扩展，以致在许多场合可以取代往复活塞式压缩机。塞式压缩机。缺点：缺点：（1 1）单级压力比不高，不适用于较小的流量；）单级压力比不高，不适用于较小的流量；（2 2）稳定工况区较窄，尽管气量调节较方便，）稳定工况区较窄，尽管气量调节较方便，但经济性较差但经济性较差离心式压缩机的特点离心式

19、压缩机的特点_ _续续3.1.2 3.1.2 离心压缩机的基本方程离心压缩机的基本方程3.1.2.1 3.1.2.1 连续方程连续方程3.1.2.2 3.1.2.2 欧拉方程欧拉方程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 压缩过程与压缩功压缩过程与压缩功 压缩机中气体流动实为三元非定常流动，有粘压缩机中气体流动实为三元非定常流动，有粘性、压缩性，情况复杂。性、压缩性，情况复杂。 工程上常可简化为工程上常可简化为一元定常流动一元定常流动进行分析处进行分析处理理即进气状态、排气状态、即进气状态、排气状态、n

20、 n不变时，认为流不变时，认为流体中同一载面上各点气流参数均一；在保持稳定体中同一载面上各点气流参数均一；在保持稳定工作条件下气流参数不随时间变化工作条件下气流参数不随时间变化连续方程是连续方程是质量守恒定律质量守恒定律在流体力学中的数学表达式，在流体力学中的数学表达式，在定常一元流动情况下，其连续方程表示为：在定常一元流动情况下，其连续方程表示为： 3.1.2.1 3.1.2.1 连续方程连续方程 为了反映为了反映流量流量与与叶轮几何尺寸叶轮几何尺寸及及气流速度气流速度的相的相互关系，常应用连续方程在叶轮出口的表达式为：互关系，常应用连续方程在叶轮出口的表达式为：skgunDbqqsmunD

21、bqrvmrv32222222223322222226060 （容积流量）（容积流量）122mvvvivikgqqqqqsb2叶轮出口相对宽度叶轮出口相对宽度出口叶片阻塞系数 2 2 =0.950.98 过大过大下降，下降，过小会产生过小会产生严重分离严重分离，过小过小过大，降低了叶轮中静压力能转换的过大，降低了叶轮中静压力能转换的增大，增大，程度，这就加大了扩压器的流动损失程度，这就加大了扩压器的流动损失（0.025b2/D20.065）理想情况，每千克气体所获得的能量理想情况，每千克气体所获得的能量H Hthth应等于叶轮应等于叶轮所输出的功所输出的功L Lthth 。 此式即为此式即为欧

22、拉方程式欧拉方程式，H Hthth为流体的理论能量头。为流体的理论能量头。 uuththcucuLH11223.1.2.2 3.1.2.2 欧拉方程欧拉方程ththLccuuH 222212222212122 欧拉方程第二表达式：欧拉方程第二表达式：欧拉方程的物理意义：1 1、是叶轮机械理论计算、性能分析、结构设、是叶轮机械理论计算、性能分析、结构设计的依据，对所有计的依据，对所有叶轮式、非封闭体系叶轮式、非封闭体系都适都适用，无论是原动机还是工作机用，无论是原动机还是工作机; ;2 2、介质能量的增加、介质能量的增加 H Hthth , ,只与叶轮进、出口只与叶轮进、出口介质的速度介质的速度

23、 u u 、w w、c c 有关，只要知道叶轮有关，只要知道叶轮进出口速度，即可计算流体所获得能力，不进出口速度，即可计算流体所获得能力，不管叶轮内部流动情况管叶轮内部流动情况; ;3 3、描述、描述叶轮与流体叶轮与流体之间能量转换关系，遵循之间能量转换关系，遵循能量守恒定律能量守恒定律（1 1）工程上理论能量头计算）工程上理论能量头计算理论能量头计算：理论能量头计算： 在理论流量下（在理论流量下（额定流量额定流量），叶轮进），叶轮进口气体口气体无冲击、无预旋无冲击、无预旋的进入叶道。的进入叶道。 此时：此时：C C1 1=C=C1r 1r C C1u1u=0 =0 1 1=90=90 进出口

24、速度三角形进出口速度三角形: : c1w1u11u1c1w1工程上理论能量头计算uuuththcucucuLH221122欧拉方程：欧拉方程： 其中：其中： ArArructgucuctgcuctgcuc222222222221u2w2c2c2uc2r2u理论能量头（理论流量下的欧拉方程）：理论能量头（理论流量下的欧拉方程）： 式中：式中：结论：结论： 叶轮结构一定、转速一定叶轮结构一定、转速一定: : 则理论能量头即确定。则理论能量头即确定。因而，气体经过叶轮后所得到的能量就一定了。因而，气体经过叶轮后所得到的能量就一定了。 2222222222222211uuctgu)ctguc(cuHu

25、ArAruth 6022nDu叶轮的流量系数。叶轮周向分速度系数2222221ucctgrrAru理论能量头系数理论能量头系数理论能量头的影响因素分析 圆周速度：圆周速度： n n 或或 D uD u2 2 H Hthth，影响最显著。，影响最显著。 流量系数：流量系数： 6022nDuArurrrctgAqcuc2222222221 后弯式叶轮在其它参数一定时，后弯式叶轮在其它参数一定时，q cq c2r2r 则则 H Hthth即：即：流量增加，则理论能量头降低流量增加，则理论能量头降低。222222222222221)1 (uuctguctguccuHuArAruth理论能量头的影响因素

26、分析 叶片安装角度叶片安装角度 2A2Aa） 后弯叶片后弯叶片 2A2A 90 90 90 ctg ctg2A2A= =负值，负值， C C2 2 则：则：H Hthth2220uHctgthA则： 2222222222222211uuctgu)ctguc(cuHuArAruth 流量、转速及叶轮直径相同流量、转速及叶轮直径相同前弯式叶轮前弯式叶轮做功能力最强做功能力最强C C2 2成倍提高成倍提高, ,流阻损失和冲流阻损失和冲击损失大且效率较低击损失大且效率较低 采用前弯叶片时：采用前弯叶片时：绝对速度绝对速度C C2 2成倍提高，前弯式叶轮的成倍提高，前弯式叶轮的做功能力最强做功能力最强，

27、动，动能最大能最大, , 在扩压管、壳体内出现冲击现象，效率较低。在扩压管、壳体内出现冲击现象，效率较低。故压缩机不采用前弯叶片故压缩机不采用前弯叶片一般情况下：一般情况下： 离心通风机选：离心通风机选： 2A2A 90 90航空涡轮发动机选：航空涡轮发动机选：2A2A = 90 = 90大中型压缩机：大中型压缩机：2A2A =30 =30 60 60 能量方程用于计算级内气体温度（焓）的变化和能量方程用于计算级内气体温度（焓）的变化和速度（动能）变化速度（动能）变化当外界对级内气体做功或输入能量后，就当外界对级内气体做功或输入能量后，就单位质量单位质量气体而言气体而言，根据，根据能量守衡定律

28、能量守衡定律，必然使气体的焓值，必然使气体的焓值和动能增加。能量方程为：和动能增加。能量方程为：进入系统的能量等于流出系统的能量进入系统的能量等于流出系统的能量3.1.2.3 3.1.2.3 能量方程能量方程其中：其中：00叶轮进口或级的进口截面；叶轮进口或级的进口截面；00级的出口截面。级的出口截面。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，上式简化为：故此，上式简化为：在离心式压缩机中，由于气体流速很快，通常（通过在离心式压缩机中，由于气体流速很快，通常（通

29、过机壳）与外界的热交换很小，可认为是绝热流动。即：机壳）与外界的热交换很小，可认为是绝热流动。即：几乎无热量传递，几乎无热量传递，q=0q=0。对叶轮进出口截面而言，能量方程为：对叶轮进出口截面而言，能量方程为：22)(212212212212cchhccTTcHpth即：叶轮传给气体的能量，一部分转化为焓的增量，即：叶轮传给气体的能量，一部分转化为焓的增量，一部分转化为动能增量。一部分转化为动能增量。对对扩压器进出口截面而言，气体既没有获得也没有扩压器进出口截面而言，气体既没有获得也没有输出机械功和能量，故输出机械功和能量，故H H0 0，q=0q=0，即为绝能流动，即为绝能流动，能量方程为

30、：能量方程为：02)(232434ccTTcp即：当气体做绝能流动时，流道内任意截面处的焓值即：当气体做绝能流动时，流道内任意截面处的焓值和动能之和为一常数。和动能之和为一常数。constant22244233cTccTcpp或：或： 应用伯努力方程将应用伯努力方程将流体所获得的能量流体所获得的能量区分为区分为有用能量有用能量和和能量损失能量损失，叶轮所做的机械功还可与级内表征流体，叶轮所做的机械功还可与级内表征流体压力升高的静压能联系起来，表达成通用的伯努力方压力升高的静压能联系起来，表达成通用的伯努力方程，对级内流体而言有程，对级内流体而言有3.1.2.4 3.1.2.4 伯努利方程伯努利

31、方程hydthHccdpH 21212221 hydH：级内的流动损失：级内的流动损失对包含叶轮的一段流道，伯努利方程为：对包含叶轮的一段流道，伯努利方程为：hydimpthHccdpH2212221impeller222212222212122ccwwuuHth对照可见：对照可见：hydimp212221212222Hdpwwuu上式表明：上式表明：流体在叶轮中牵连速度的增加和相对速流体在叶轮中牵连速度的增加和相对速度的减少，一部分转化为静压能增高，度的减少，一部分转化为静压能增高，一部分用于克服叶轮中的流动损失。一部分用于克服叶轮中的流动损失。hydimp212221212222Hdpww

32、uu对不包含叶轮的一段流道，如扩压对不包含叶轮的一段流道，如扩压器器(diffuser)，伯努利方程为：，伯努利方程为：02232443hyddifHccdphyddifHdpcc4324232或为：或为：动能的减少，一部分变为压力升高（降速动能的减少，一部分变为压力升高（降速扩压），一部分用于克服流动阻力。扩压），一部分用于克服流动阻力。伯努利方程的物理意义为：伯努利方程的物理意义为： 表示叶轮所做机械功转换为级中流体的有用能量表示叶轮所做机械功转换为级中流体的有用能量( (静压能静压能和动能增加和动能增加) )的同时，还需付出一部分能量克服流动损失或的同时，还需付出一部分能量克服流动损失或

33、级中的所有损失；级中的所有损失； 它建立了机械能与气体压力它建立了机械能与气体压力p p、流速、流速c c和能量损失之间的和能量损失之间的相互关系；相互关系； 该方程适用一级，亦适用于多级整机或其中任一通流通该方程适用一级，亦适用于多级整机或其中任一通流通部件，这由所取的进出口截面而定；部件，这由所取的进出口截面而定； 对于不可压缩流体来说应用伯努利方程计算压力的升高对于不可压缩流体来说应用伯努利方程计算压力的升高是方便的。而对于可压缩流体，尚需获知压力和密度的函数是方便的。而对于可压缩流体，尚需获知压力和密度的函数关系才能求解静压能头积分，这还要联系热力学的基础知识关系才能求解静压能头积分，

34、这还要联系热力学的基础知识加以解决。加以解决。3.1.2.5 3.1.2.5 压缩过程与压缩功压缩过程与压缩功在伯努利方程中在伯努利方程中21ppdp称为静压能头增量（相当于活塞式压缩机中的循环功），是将单位质量气体从p压缩到p所需的压缩功。)(11221ppdp对不可压缩的液体对不可压缩的液体静压能头的增量静压能头的增量对可压缩的气体，由于压力的改变必将引起比容（密度）的改变，而比容的改变与压缩过程有关，因此，有等温（isothermal)、等熵(adiabatical)和多变(polytrope)三种形式：等温压缩功等温压缩功121121112121lnppvpdppvpvdpdpHis绝

35、热压缩功绝热压缩功)(1 1)(1121121TTRkkppRTkkHadkkad多变压缩功多变压缩功)(1 1)(1121121TTRnnppRTnnHpolnnpol气流在离心式压缩机的叶轮及固定元件中的流动多数为多变过程。Hpol称为多变压缩有效能量头 单位kJ/kg通常把能量头与之比成为能量头系数22uHpolpol常用多变能头系数pol表示叶轮圆周速度在提高气体压力上的能量利用程度 连续性方程、欧拉方程、能量方程、伯努利方程和压缩功计算式关联后，可推出流量或流体速度在机器中的变化。 连续性方程、欧拉方程、能量方程、伯努利方程和压缩功计算式关联后，通常离心式压缩机整机的进口和出口速度以

36、及各级的进、出口速度是基本相同的，只要按照实验统计和设计经验选定气流速度，流道内各截面的尺寸即可确定。3.1.3 3.1.3 级内的各种流动损失级内的各种流动损失 损失种类：损失种类： 泄漏损失泄漏损失 H HL L 总损失总损失 轮阻损失轮阻损失 H Hdf df 流动损失流动损失 H Hhyd hyd 摩阻损失摩阻损失 分离损失分离损失 冲击损失冲击损失 二次流损失二次流损失 尾迹损失尾迹损失 LLthHH 流动损失流动损失LLthHHdfdf（1 1）摩阻损失）摩阻损失 产生原因产生原因：流体的粘性是根本原因。从叶轮进口到出口有流：流体的粘性是根本原因。从叶轮进口到出口有流体与壁面接触，

37、就有边界层存在，就将产生摩阻损失。体与壁面接触，就有边界层存在，就将产生摩阻损失。大小：大小： 为摩阻系数为摩阻系数 ，是，是ReRe与壁面与壁面粗糙度的函数。粗糙度的函数。通常离心压缩机中通常离心压缩机中是常数，则是常数，则h hf f与与q qv v2 2成正比。成正比。 DRe,f 减小措施减小措施：提高加工精度：提高加工精度3. 1 .33. 1 .3级内的流动损失级内的流动损失22mhmfcdlH （2 2）分离损失）分离损失产生原因：产生原因：通道截面突通道截面突然变化，速度降低，近然变化，速度降低，近壁边界层增厚，引起分壁边界层增厚，引起分离损失。离损失。大小：大小：大于沿程摩阻

38、损大于沿程摩阻损失。失。868.16.1112221ff受流道形状、壁面粗糙度、气流雷诺数、气体湍流程度影响受流道形状、壁面粗糙度、气流雷诺数、气体湍流程度影响。减少措施：减少措施：控制通道的当量扩张角；控制通道的当量扩张角；控制进出口的相对速度比控制进出口的相对速度比（3 3）冲击损失）冲击损失 产生原因：产生原因：流量偏离设计工况点，使得叶轮和叶片扩压器的流量偏离设计工况点，使得叶轮和叶片扩压器的进气冲角进气冲角i0i0，在叶片进口附近产生较大的扩张角，导致气，在叶片进口附近产生较大的扩张角，导致气流对叶片的冲击，造成分离损失。流对叶片的冲击，造成分离损失。减少措施：减少措施：控制在设计工

39、况点附近运行；在叶轮前安装可转控制在设计工况点附近运行；在叶轮前安装可转动导向叶片。动导向叶片。大小：大小：采用冲击速度来表示，正冲角损失是负冲角损失的采用冲击速度来表示，正冲角损失是负冲角损失的10-1510-15倍。倍。11 Ai其其中中进进气气冲冲角角（4 4）二次流损失）二次流损失产生原因产生原因：叶道同一：叶道同一截面上气流速度与压截面上气流速度与压力分布不均匀，存在力分布不均匀，存在压差，产生流动，干压差，产生流动，干扰主气流的流动，产扰主气流的流动，产生能量损失生能量损失 。在叶轮和弯道处急剧在叶轮和弯道处急剧转弯部位出现。转弯部位出现。减少措施减少措施：增加叶片数，避免急剧转弯

40、。：增加叶片数，避免急剧转弯。大小大小：叶道的弯曲，气流速度方向的变化急剧与否。：叶道的弯曲，气流速度方向的变化急剧与否。（5 5）尾迹损失）尾迹损失 产生原因产生原因：叶片尾部有一定厚度，气体从叶道中流出时，：叶片尾部有一定厚度，气体从叶道中流出时，通流面积突然扩大，气流速度下降，边界层发生突然分离，通流面积突然扩大，气流速度下降，边界层发生突然分离，在叶片尾部外缘形成气流旋涡区，尾迹区。尾迹区气流速在叶片尾部外缘形成气流旋涡区，尾迹区。尾迹区气流速度与主气流速度、压力相差较大，相互混合，产生的能量度与主气流速度、压力相差较大，相互混合，产生的能量损失。损失。减少措施减少措施：采用翼型：采用

41、翼型叶片代替等厚叶片；叶片代替等厚叶片；将等厚叶片出口非工将等厚叶片出口非工作面削薄。作面削薄。大小大小：与叶道出口速：与叶道出口速度，叶片厚度及叶道度，叶片厚度及叶道边界层有关。边界层有关。3.1.3.2 3.1.3.2 漏气损失漏气损失产生漏气损失的原因产生漏气损失的原因存在间隙；存在压力差存在间隙；存在压力差。出口压力大于进口压力，级出口压力出口压力大于进口压力，级出口压力大于叶轮出口压力，在叶轮两侧与固大于叶轮出口压力，在叶轮两侧与固定件之间的间隙、轴端的间隙，产生定件之间的间隙、轴端的间隙，产生漏气，存在能量损失。漏气，存在能量损失。H Hl l= =l lH Hthth漏气损失系数

42、：漏气损失系数：l l ，根据漏气量，密封结构形式确定根据漏气量，密封结构形式确定（2 2）密封件的结构形式）密封件的结构形式结构形式：在固定部件与轮盖、隔板与轴套，采用结构形式：在固定部件与轮盖、隔板与轴套，采用梳齿式（迷宫式）密封。梳齿式（迷宫式）密封。工作原理：利用工作原理：利用节流节流原理。减小原理。减小通流截面积，经多次节流减压，使通流截面积，经多次节流减压，使在压差作用下的漏气量尽量减小。在压差作用下的漏气量尽量减小。即通过产生的压力降来平衡密封装即通过产生的压力降来平衡密封装置前后的压力差。置前后的压力差。密封特点：密封特点：非接触式密封，有一非接触式密封，有一定的泄漏量。定的泄

43、漏量。级间密封级间密封叶轮前密叶轮前密封封3. 1.3.3 3. 1.3.3 轮阻损失轮阻损失产生原因产生原因叶轮旋转，轮盖、轮盘的外缘和轮缘与周围的气体发生摩擦，产叶轮旋转，轮盖、轮盘的外缘和轮缘与周围的气体发生摩擦，产生的损失生的损失大小：大小：与轮盘的与轮盘的粗糙度粗糙度，相对间隙及，相对间隙及雷诺数雷诺数有关。有关。利用等厚度圆盘在水中作低速旋转实验，分析计算得轮阻损失功利用等厚度圆盘在水中作低速旋转实验，分析计算得轮阻损失功率为：率为： 22232251100540DeDu.Hdf 得到轮阻损失系数得到轮阻损失系数: :df 22222622222222232210172010054

44、0Db.cubDcDu.HHururthdfdf 在一级中存在气流损失项：在一级中存在气流损失项： 流动损失：流动损失： 泄漏损失泄漏损失 ： 轮阻损失：轮阻损失： 叶轮旋转所消耗的功：叶轮旋转所消耗的功： 级内总功（总能量头），即叶轮总输出功：级内总功（总能量头），即叶轮总输出功：hydHHthllH HthdfdfH tolthldfHHHHHthHtot3.1.4 3.1.4 多级压缩多级压缩（1 1） 采用采用多级串联多级串联和和多缸串联多缸串联的必要性的必要性（2 2） 分段与中间冷却以减少耗功分段与中间冷却以减少耗功（3) 3) 级数级数与与叶轮圆周速度叶轮圆周速度和和气体分子量气

45、体分子量的关系的关系a a）级数与气体分子量的关系：）级数与气体分子量的关系：气体分子量对所需压缩功的影响气体分子量对所需压缩功的影响气体气体分子量分子量/J/(k/J/(kgK)gK)绝热指绝热指数数m m密度密度/(kg/(kg/m m3 3) )多方压多方压缩功缩功H Hpolpol(kJ/(kJ/kg)kg)圆周速圆周速度度u u2 2/(m/s)/(m/s)级数级数j j氟里昂氟里昂- -1111136.3136.31.101.106.156.1516.9716.971861861 1空气空气28.9728.971.401.401.2931.29392.21492.214280280

46、2 2焦炉煤焦炉煤气气11.7811.781.361.360.5250.525215.82215.822802805 5氦气氦气4 41.661.660.1780.178701.42701.422802801717氢气氢气2 21.411.410.0900.0901319.451319.452802803232kgJppTmmdpHmmsdpol 1831511121 达到相同压比达到相同压比2.52.5时，压缩不同气体时所需压缩时，压缩不同气体时所需压缩功和级数的比较功和级数的比较压缩气体的压缩气体的分子量越小分子量越小，达到相同的排气压，达到相同的排气压力，需要的力，需要的多变功越大多变功

47、越大、转速及叶轮结构一、转速及叶轮结构一定的情况下，所需要的定的情况下，所需要的级数就会越多级数就会越多 b) b) 级数与叶轮圆周速度的关系：级数与叶轮圆周速度的关系：在达到所需压力比条件下要求在达到所需压力比条件下要求尽可能减少级数尽可能减少级数提高叶轮圆周速度提高叶轮圆周速度u u2 2 ，受到以下几种因素限制，受到以下几种因素限制 叶轮材料强度叶轮材料强度限制；限制； 气流马赫数气流马赫数限制；限制； 叶轮出口相对宽度叶轮出口相对宽度限制限制 D D2 2 ， u u2 2 , b, b2 2/D/D2 2 22222sin1AththrAJHLctgukgZ6022nDu 为了降低气体温度，节省功率，在离心压缩机中往为了降低气体温度，节省功率，在离心压缩机中往往采用分段中间冷却的结构，而不采用汽缸套冷却。各往采用分段中间冷却的结构，而不采用汽缸套冷却。各段由一级或若干级组成，段与段之间在机器