过程流体机械课件,过程装备要控制工程,离心压缩机1

过程流体机械——离心压缩机第三章离心压缩机

主要内容一离心压缩机的典型结构二离心压缩机的工作原理三离心压缩机的性能、调节与控制四离心压缩机的可靠性五离心压缩机的选型一离心压缩机的典型结构1.离心压缩机的定义离心压缩机：通过旋转叶轮，使气体主要沿径向离心力方向流动，从而提高气体的压力和动能，最终将机械能转变成气体的压力能的机器。一离心压缩机的典型结构

转子部分：轴、叶轮、平衡盘、轴套、联轴器等。定子部分：机壳、气体流道部分（扩压器、弯道、回流器、蜗壳）、密封、轴承等。2.离心压缩机的基本结构级：是离心压缩机实现气体压力升高的基本单元，由一个叶轮和一组与其相配合的固定元件组成。段：每一进气口到排气口之间的“级”组成一“段”，每个“段”通常由一个或几个“级”组成。（1）离心压缩机的“级”和“段”注：“段”之间设置中间冷却器，以减少功耗。单级离心式制冷压缩机结构示意图一离心压缩机的典型结构（两段七级）离心压缩机结构示意图一离心压缩机的典型结构

离心式压缩机一级的气体流道一离心压缩机的典型结构

一离心压缩机的典型结构（2）离心压缩机”级”的组成“级”的类型：首级：吸气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器中间级：叶轮、扩压器、弯道、回流器末级：叶轮、扩压器、排气蜗室

首级中间级末级

一离心压缩机的典型结构吸气室：将气体从进气管均匀导入叶轮入口，以减少气体进入叶轮时的流动损失。叶轮：是压缩机最重要的部件，高速回转的叶轮对气体作功而使气体获得能量（动能和压力能）。扩压器：由两个垂直叶轮轴的平行壁面形成的环形通道。从叶轮流出的高速气体，通过流通截面逐渐扩大的扩压器时，部分动能转化为压力能（降速增压）。弯道：把从扩压器出来的气体由离心方向改变为向心方向，以便引导到下一级继续进行压缩。回流器：可使气体以一定的方向均匀地进入下一级叶轮的入口。蜗壳：将气流汇集起来引出压缩机；对气体有降速扩压作用。“级”的典型结构及特点：一离心压缩机的典型结构（3）离心叶轮的结构形式闭式叶轮：由轮盘、叶片、轮盖组成。漏气量小，效率高；但强度低，影响了叶轮圆周速度的提高，单级压力比较低。半开式叶轮：由轮盘和叶片组成。叶轮强度高，可获得高的单级压力比；但漏气量大，效率低。双面进气叶轮：流量大，叶轮轴向力可得到平衡。一离心压缩机的典型结构叶轮结构分类：

闭式叶轮半开式叶轮双面进气叶轮一离心压缩机的典型结构

按叶片类型分类：即按叶片出口角β2A前弯型（β2A>90）后弯型（β2A<90）径向型（β2A＝90）一离心压缩机的典型结构

（4）扩压器的结构形式扩压器一般分为无叶扩压器、叶片扩压器两种。无叶扩压器：

由两个平行壁面构成的环形通道。气体从叶轮中排出，经过该环形通道时降速增压。是一种结构最简单的扩压器，造价低，变工况适应性好。叶片扩压器：

在无叶扩压器的环形通道上，沿圆周安装均布的叶片，就构成叶片扩压器。具有扩压程度大、结构尺寸小的优点；缺点是变工况性能差。一离心压缩机的典型结构

（5）平衡盘轴向力产生原因：叶轮两侧间隙内气体压力分布不对称，使作用在叶轮两侧的力不平衡所产生的轴向力；气体以一定速度沿轴向进入叶轮，而后改为径向流入叶轮通道，其速度大小和方向的改变，对叶轮产生一个轴向动反力。轴向力一离心压缩机的典型结构

平衡原理：

平衡盘安装在高压端。一侧受末级叶轮出口的气体压力；另一侧与吸气室相接。平衡盘外缘与气缸间设有迷宫密封，使平衡盘两侧保持压差，产生一个与转子的轴向力方向相反的平衡力。轴向力平衡力

一离心压缩机的典型结构（6）离心压缩机的其它组成部分密封件：轮盖密封；级间密封；轴端密封。非接触式的迷宫密封；机械密封；浮环油膜密封轴承：小型——滚动轴承其它——动压滑动轴承：支撑轴承和止推轴承冷却系统和润滑系统

一离心压缩机的典型结构优点：流量大；转速高；结构紧凑；运转可靠，维修方便。3.离心压缩机的特点缺点：单级压力比不高，高压力比所需的级数比活塞式的多；不能适用于太小流量工况；价格高。

气体在叶轮中的流动及速度离心压缩机的基本方程级内的各种能量损失多级压缩功率与效率主要内容二离心压缩机的工作原理二离心压缩机的工作原理（1）气体在叶轮中的流动假设条件：流道中任意点的气流参数不随时间变化，即是稳定流动；流道中与流速相垂直的任意截面上的气流参数相同，即当作一元流动。1.气体在叶轮中的流动及速度

在假设条件下，离心式压缩机内的气体流动可作为一元稳定流动，即气体的参数（速度、压力、温度等）只与流道的长度有关。

离心式压缩机内的实际气体流动过程，是三元不稳定流动。

（a）相对速度（b）圆周速度（c）绝对速度（牵连速度）（2）气体在叶轮中的速度——速度三角形α1和α2：绝对速度的方向角β1和β2：相对速度的方向角进出口的速度三角形C2rC2uC1rC1u二离心压缩机的工作原理

三种类型叶轮的速度三角形（a）后弯型（b）径向型（c）前弯型二离心压缩机的工作原理二离心压缩机的工作原理（1）连续方程——质量守恒定律在流体力学中的表达在气体作稳定一元流动的情况下，流经机器任意截面的质量流量相等。b2/D2：叶轮出口的相对宽度。D2为叶轮的外径；b2为叶轮出口的轴向宽度ψ2r＝c2r/u2：叶轮的流量系数；u2：叶轮出口的圆周速度；n:叶轮转速；τ2：叶轮出口的通流系数，与叶片数、叶片厚度、安装角度等参数有关。基本方程：叶轮出口的连续方程反映了流量与叶轮几何尺寸及气流速度的相互关系。2.基本方程叶轮出口方程：

（2）欧拉方程——叶轮机械的基本方程欧拉方程用于计算叶轮机械能与流体能量的转换。其中，Lth：即叶轮对流经的单位质量(1kg)气体所作的理论功，称为欧拉功Hth：即流过叶轮的单位质量(1kg)气体理论上所接受的能量，称为理论能量头，kJ/kg欧拉方程：二离心压缩机的工作原理欧拉第二方程：说明：第一项——气体由于离心惯性力在叶轮中获得的静压能增量。

第二项——气体在叶轮流道中由于降速引起的静压能增量。

第三项——气体经过叶轮后获得的动能增量。

二离心压缩机的工作原理无限多叶片叶轮的理论能量头计算：有限叶片叶轮的理论能量头计算（经验公式）：因为所以故叶轮的理论能量头：故叶轮的理论能量头：

通常流体流入压缩机的叶轮进口时并无旋转，即C1u＝0，则欧拉方程简化为：二离心压缩机的工作原理欧拉方程遵循能量转换与守恒定律；单位质量流体与叶轮的能量转换大小，只与进、出口的流速有关，与内部流动情况无关；该方程适用于任何气体或液体，即适用于叶轮式压缩机及叶轮式泵；该方程也适用于叶轮式的原动机，如汽轮机、燃气轮机等。对欧拉方程的几点说明：（3）能量方程能量方程用于计算气流温度的增加和速度的变化。（基本方程）二离心压缩机的工作原理

能量守恒定律：外界对级内气体所做的机械功和输入的能量应全部转化为气体的热焓和动能。则单位质量气体的能量方程为：其中，Hth：即外界通过叶轮给单位质量气体的机械功。

q：外界加给单位质量气体的热量；Cp：气体的热容；

T0、T0’:进出口的温度；C0、C0’:进出口气体的速度；h表示焓值。

对于离心式压缩机，通常外界不向级中输入热量，且向外界传递的热量可忽略不计，即q＝0，故级的能量方程普遍式为：

二离心压缩机的工作原理能量方程表示叶轮所作的机械功转换为气体温度的提高和动能的增加；该方程适用于有粘或无粘气体；该方程适用于一级或多级整机压缩机，也适用于压缩机的任一流通部件。

叶轮的能量方程：静止通道（扩压器等）的能量方程：静止通道的能量方程表明：在静止通道中气体温度升高，则速度降低，反之亦然。说明：即：（4）伯努利方程伯努利方程将流体所获得的能量区分为有用能量（静压能和动能）和能量损失，是流体的机械能守恒的表达式。通用的伯努利方程：二离心压缩机的工作原理级内流体的伯努利方程：注意：表示级内的流动损失；表示级内的总能量损失。其中，第一项：气体在进出口获得的静压能增量；

第二项：气体在进出口获得的动能增量；

第三项：气体的级内的流动能量损失。

二离心压缩机的工作原理

叶轮的伯努利方程：固定部件（如扩压器）的伯努利方程：即：伯努利方程建立了机械能与气体压力p、流速c和能量损失之间的关系；伯努利方程中未包括温度参数，因此在离心压缩机的计算中，总是将包含温度参数的能量方程与包含压力及能量损失的伯努利方程同时使用。该方程适用于一级或多级整机，也适用于压缩机的任一流通部件。说明：

（5）压缩过程与压缩功二离心压缩机的工作原理在离心压缩机中，气体伴随着流动的同时不断实现着改变热力状态的热力学过程。多变压缩过程中，每千克气体所获得的压缩功，即多变能量头为：（6）总结将连续方程、欧拉方程、能量方程、伯努利方程等相关联，流体在机器内的速度、压力、温度等的变化规律就明确了。二离心压缩机的工作原理（1）级内的流动损失★

摩阻损失3.级内的各种能量损失计算：λ：摩擦阻力系数，与Re、壁面粗糙度、管道内径等有关；l：沿程长度；dhm：平均水力直径；cm：气流平均速度。原因：流体粘性导致的粘滞力结论：摩阻损失与流量的平方成正比。

边界层壁面主流二离心压缩机的工作原理★边界层分离损失减少分离损失的措施：设计扩张通道时，限制其扩张角θ不大于6°～8°；适当增加叶轮及叶片扩压器的叶片数，可减小叶道的当量扩张角；其扩压度（进出口的相对速度之比）一般为（经验）：原因：在扩张流道中，流体的减速增压导致边界层分离，造成旋涡和倒流。边界层分离的出现与通道形状、壁面粗糙度、雷诺数等有关，但与通道形状关系最大；叶轮中的边界层不会产生严重的边界层分离现象。说明：二离心压缩机的工作原理★

冲击损失（变工况下的边界层分离损失）减少冲击损失的措施：选择压缩机时，尽量使操作流量与额定流量相差不要太大；在叶轮前设置可转动的导向叶片，以适应入口气流角的变化。流量小于额定流量流量大于额定流量原因：当流量偏离额定流量时，叶轮或扩压器叶片的进口冲角（i＝）不等于零，导致气流对叶片产生冲击造成能量损失。二离心压缩机的工作原理★

二次流损失减少二次流损失的措施：适当增加叶片数，以减小工作表面和非工作表面的压力梯度；避免气流方向的急剧转弯。二次流损失：与主流方向垂直的流动造成的能量损失。原因：流道同一截面中存在压差引起的，主要发生在叶轮的叶道、弯道及吸气室等气流速度方向急剧变化处。二离心压缩机的工作原理★

尾迹损失减少尾迹损失的措施：采用机翼型叶片；使用等厚度叶片时，将叶片尾部削薄。原因：叶片的厚度使气体从叶轮叶道中流出时，通流面积扩大，在叶片尾部外缘形成气流旋涡区。该区和主流区气流的速度、压力相差较大，在相互混合过程中产生能量损失。二离心压缩机的工作原理（2）漏气损失原因：转子与固定部件之间存在间隙，间隙两端的气体压力不等时，导致气体由高压端向低压端泄漏，所漏气体的膨胀与压缩循环，产生能量损失。减少漏气损失的措施：设置密封装置（如迷宫式）轮盖密封级间密封轴端密封平衡盘密封轮盖处的漏气损失系数：级间密封的漏气损失计入固定部件的流动损失二离心压缩机的工作原理（3）轮阻损失原因：叶轮旋转时，其轮盖、轮盘的外侧面和叶轮的外缘和周围的气体发生摩擦，消耗摩擦功。轮阻功率损失——离心叶轮：轮阻损失系数：ρ2：流体密度；u2

：圆盘外缘圆周速度；D：圆盘外径。二离心压缩机的工作原理（1）多级压缩的必要性i离心压缩机的单级压力较低，一般为多级串联式结构；对高增压比或输送轻气体的压缩机需要多缸串联形成机组。ii离心压缩机多采用分段中间冷却的结构，段与段之间在机器外由管道连接中间冷却器，这样可以减少功耗。（2）分段需考虑的因素被压缩气体的特性；要求排出的气体温度；综合考虑压缩机的结构、冷却器的布置、功耗等因素；段数确定后，每段的最佳压力比根据总功耗最小原则