过程流体机械第四章 离心压缩机

过程流体机械第四章离心压缩机第1页，共77页，2023年，2月20日，星期四第2页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.1离心压缩机的典型结构与工作原理4.1.1离心压缩机的典型结构与特点定义：利用旋转叶轮,使气体主要沿径向离心方向流动，实现能量的转换,从而提高气体压力的机器，称为离心压缩机。

4.1.1.1.离心压缩机的典型结构

结构——定子与转子定子：又称固定元件，主要指吸气室、扩压器、弯道、回流器、蜗壳等。转子：包括轴、轴套、叶轮、平衡盘等。第3页，共77页，2023年，2月20日，星期四基本术语级：实现气体压力升高的基本单元（由一个叶轮及与其相配合的固定元件所构成的）段：以排气口为标志，由多个级构成；缸：一个机壳构成一缸，一缸中可能有多段；列：同一轴线的气缸构成一列；第4页，共77页，2023年，2月20日，星期四

4.1.1.2.级的典型结构定义：级是离心压缩机使气体增压的基本单元,由一个叶轮及其附属的固定元件组成。级的三种型式：中间级:由叶轮、扩压器、弯道、回流器组成；首级：由吸气管和中间级组成；末级：由叶轮、扩压器和排气蜗室组成。第5页，共77页，2023年，2月20日，星期四第6页，共77页，2023年，2月20日，星期四第7页，共77页，2023年，2月20日，星期四3.级的特征截面第8页，共77页，2023年，2月20日，星期四in——吸气管进口截面，即首级进口截面，或整个压缩机的进口截面0——叶轮进口截面，中间级、末级的进口截面；1——叶轮叶道进口截面；2——叶轮出口截面3——扩压器进口截面4——扩压器出口截面（即弯道入口截面）5——弯道出口截面（即回流器进口截面）6——回流器出口截面0’——本级的出口截面（也是下一级的进口截面）对于末级还有：7——排气蜗室进口截面

out——排气蜗室的出口截面，即末级出口截面。或整个压缩机的出口截面。第9页，共77页，2023年，2月20日，星期四

4.1.1.3.主要构件及其功能

（1）叶轮：是唯一对气体做功的部件。气体进入叶轮后，在叶片的推动下跟着叶轮旋转，由于叶轮对气体做功，增加了气体的能量，因此气流流出叶轮的压力和速度都有增加离心叶轮的型式：a.按整体结构分：闭式、半开式和双面进气室三种。

第10页，共77页，2023年，2月20日，星期四闭式叶轮双面进气叶轮半开式叶轮第11页，共77页，2023年，2月20日，星期四b.按叶片弯曲的形式分：后弯型、前弯型、径向型三种。离心式压缩机多采用后弯式叶轮，因为级的效率高，稳定工况区宽。前弯型叶轮级的效率低，稳定工况区窄。c.从制造工艺上看：有铆接、焊接、精密铸造、钎焊和电蚀加工等结构形式。第12页，共77页，2023年，2月20日，星期四第13页，共77页，2023年，2月20日，星期四（2）扩压器：气体从叶轮流出时，速度很高，为了充分利用这部分速度能，常在叶轮后设置流通截面逐渐扩大的扩压器，以便将速度能转变成压力能。扩压器的类型:a.无叶扩压器：结构简单、级的变工况的效率高，稳定工况区宽，通常较多采用。

b.叶片式扩压器：设计工况效率高，但结构复杂。（3）弯道：为了把扩压器出来的气流引入下一级叶轮去进行压缩，在扩压器后设置使气流由离心方向改变为向心方向的弯道。第14页，共77页，2023年，2月20日，星期四（4）回流器：为了使气流以一定方向均匀地进入下一级叶轮进口，设置回流器，在其中一般有导叶。（5）蜗壳：将由扩压器（或直接由叶轮）出来的气流汇集起来并引出机外，另外，由于蜗壳的曲率半径和通流截面的逐渐扩大，它也起降速扩压的作用。（6）吸气室：其作用是将需压缩的气流，由进气管（或中间冷却器出口）均匀地导入叶轮去增压。

另外，为了防泄漏，机壳的两端装有前、后轴封，在级与级之间和叶轮盖进口外缘面处，还分别装有密封装置，为了平衡作用在止推轴承上的轴向力，常常在机器的一端装有平衡盘。

第15页，共77页，2023年，2月20日，星期四

4.1.1.4.离心压缩机的特点离心压缩机和往复活塞压缩机比较，离心压缩机有以下特点：优点：（1）流量大；（2）转速高；（3）结构紧凑；（4）运转可靠，维修费用低。缺点：（1）单级压力比不高，高压比所需的级数比活塞压缩机多；（2）不适用于小流量的场合。第16页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.2离心压缩机的热力过程分析一般说来，提高气体压力的主要目标就是增加单位容积内气体分子的数量。也就是缩短气体分子件的距离。为了达到这个目标，除了采用挤压元件来挤压气体的容积压缩方法外，还有一种用气体动力学的方法，即离心压缩。利用机器的做功元件，对气体做功，使其在离心力场中压力得到提高，同时动能也大大增加，随后在扩张流道中流动时，这部分动能又转变为静压能，使气体压力进一步提高。这就是离心压缩机的增压原理。本节通过各种方程，建立诸参数间的关系，以计算气流在机器中流过多少流量，提高多少压力，获得多少能量。第17页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.2.1.连续方程（1）连续方程的基本表达式第18页，共77页，2023年，2月20日，星期四第19页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.2.2.欧拉方程

欧拉方程是用来计算原动机通过轴和叶轮将机械能转换给流体的能量。故它是叶轮机械的基本方程。是根据流体力学中的质点系动量矩定理推导出来的。（1）欧拉方程的表达式：离心压缩机级的理论能头是气体流过叶轮叶片间的流道时，叶轮对单位质量流体所做的功，也称做叶片功。第20页，共77页，2023年，2月20日，星期四2.该方程的物理意义：指出叶轮与流体之间的能量转换关系，它遵循能量转换与守恒定律只要知道叶轮进出口的流速，即可求出单位重量流体与叶轮之间机械能转换的大小，而不管叶轮内部的流动情况。该方程适用于任何气体或液体，即使用与叶轮式的压缩机，又适用与叶轮式的泵。推而广之，亦适用用于原动机。第21页，共77页，2023年，2月20日，星期四3.无预旋的欧拉方程第22页，共77页，2023年，2月20日，星期四（3）斯陀道拉提出的半经验公式第23页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.2.3功率和效率4.2.3.1级内的各种能量损失

级内的能量损失有三种：流道损失漏气损失轮阻损失第24页，共77页，2023年，2月20日，星期四第25页，共77页，2023年，2月20日，星期四2.分离损失在离心压缩机减速增压的通道中，沿着流动方向主流区的速度不断下降，静压上升。边界层的流动由于得不到主流区足够的拖动而速度减少更快，边界层的厚度逐渐增加。当主流区的动能不足以带动整个边界层前进时，紧挨壁面的流体会首先停滞下来，再往前移动，就会因为抵抗不住迎面的压差阻力而产生局部道流，这就是边界层分离，它产生的损失称为分离损失。

为了减少分离损失，应该控制通道的当量扩张角。引入扩压度的概念：扩张流道的进出口速度之比值。3.冲击损失

当流量偏离设计工况时，流体的进口角与叶轮或扩压器的进口安装角不一致，造成气流对叶片的冲击，形成了冲击损失。第26页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.二次流损失

叶轮叶道是弯曲的，并且其中存在着轴向漩涡。因此，叶道中的气流速度分布是不均匀的，在工作面侧最低。而叶道内的压力分布恰好相反。由于压差的作用，造成气流由工作面向非工作面的流动，即二次涡流。它是一种与主流方向相垂直的流动，加剧了叶片非工作面边界层的增厚与分离，造成二次流损失。

二次流损失一般发生在叶轮叶道、吸气室及弯道等有急剧转弯处，而且曲率半径越小，则损失越大。因而，为减少二次流损失，应在这些地方取用大的曲率半径或设置导流叶片，或适当的增加叶片数目，减轻叶片的负荷。第27页，共77页，2023年，2月20日，星期四5.尾迹损失由于叶片的尾缘有一定的厚度，气流流出叶道后流通面积突然扩大，会在此形成边界层，另外，叶片两侧的边界层也在此处汇合，造成许多漩涡，主流带动这些漩涡，造成的损失即称为尾迹损失。

为了防止或减少尾迹损失的形成和影响，可以将叶片出口处削薄，或采用翼型叶片代替等厚度叶片。

以上各种损失往往不单独存在，随着主流混在一起相互作用、相互影响第28页，共77页，2023年，2月20日，星期四漏气损失1.产生漏气损失的原因：

①由于叶轮出口压力大与进口压力，这样就有部分气体经由叶轮与轮盖的间隙流出，在一个循环又随主流流动，造成膨胀与压缩的循环，形成能量的损失。②级的出口压力大与叶轮的出口压力，这样就有部分气体经由叶轮外周与隔板的间隙、隔板与轴套的间隙流回到离心压缩机内参与循环，造成损失。计算时，以漏气损失功计第29页，共77页，2023年，2月20日，星期四轮阻损失

叶轮旋转时，轮盘、轮盖的外侧和轮缘都要与周围的空气发生摩擦，引起轮阻损失。计算时，以轮阻损失功计第30页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.2.3.2伯努利方程应用伯努利方程，将流体所获得的能量区分为有用能量和能量损失，并引入压缩机中所关注的参数，已显示出压力的增加。1.通用的伯努利方程，对级内流体而言：

叶轮耗功消耗在三方面第31页，共77页，2023年，2月20日，星期四第32页，共77页，2023年，2月20日，星期四第33页，共77页，2023年，2月20日，星期四

压缩过程与压缩功

第34页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.2.3.2单级总耗功、功率和效率

（1）单级总耗功、功率

叶轮实际所消耗的功用于两大方面：一，叶轮传递给气体的气体所获得的理论能头：(增加气体的动能、静压能和克服级内的流动损失）二，克服叶轮旋转所产生的漏气损失和轮阻损失。

所以叶轮对1Kg气体的总耗功为：：

第35页，共77页，2023年，2月20日，星期四（2）效率水力效率：把多变功与叶片功进行比较，其比值为流动效率或水力效率内效率（或称多变效率）：把多变功与实际总耗功进行比较，其比值为内效率（或称多变效率）：机械效率：把实际总耗功与轴功的比值称为机械效率习题第36页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.2.3.4级中气体的状态变化由于气体具有可压缩性，在压缩过程中不但压力发生变化，同时气体的温度、比体积、体积流量等也要发生变化。有热力学第一定律可知，在某一时间间隔内，对所考虑的系统而言，系统内所接受的外功+周围介质传给它的热量=该介质能量的增量jjjcc如右图所示一个叶轮，以1kg气体为衡算基准，其能量守恒定律可以写成令称为气体热焓上式中，设能量方程则经整理得到1.能量方程第37页，共77页，2023年，2月20日，星期四讨论：①一般，压缩机的工作过程中没有热量的加入，所以

②对于任意一个静止的部件，它对气体不做功，对于扩压器而言：③对与叶轮而言：

能量方程建立了气体温度（或焓）、速度和外界功与热量的关系。外界对级内气体所做的功和输出入的热量，将转化成气体热焓和动能的增加。称为绝能通道第38页，共77页，2023年，2月20日，星期四2.级中气体温度的变化在任何截面与进口截面之间都可以列能量方程，如下其中为任意截面i与进口截面间外界对气体做的功，如果这两个截面积间没有叶轮，则取0。习题第39页，共77页，2023年，2月20日，星期四3.级中气体压力、比体积、容积流量的变化此处书中式子（6-34）有错令称指数系数则若已知温度的变化和过程指数，则压力变化、比体积变化可求容积流量第40页，共77页，2023年，2月20日，星期四指数系数的求解由多变效率出发通常，压缩机级的进出口流速基本相等。=0习题第41页，共77页，2023年，2月20日，星期四第42页，共77页，2023年，2月20日，星期四1.性能曲线、最佳工况点与稳定工况点4.3性能、调节与控制4.3.1离心压缩机的性能（1）性能曲线（亦称特征曲线）一台压缩机的工作特性可简要表示为，在一定转速和进口条件下的压力比（或出口压力）与流量、效率与流量的性能曲线。曲线上的某一点即为压缩机的某一运行工作状态简称工况。

第43页，共77页，2023年，2月20日，星期四(2)最佳工况点通常将曲线上的效率最高点称为最佳工况点。(3)稳定工作范围在喘振工况和堵塞工况之间的区域称为压缩机的稳定工作范围。2道第44页，共77页，2023年，2月20日，星期四B．压缩机的喘振当压缩机的流量减小到一定程度时，叶道中的若干脱离团就会联合在一起成为大的脱离团，占据大部分叶道，这时气流受到严重的阻塞，致使性能曲线中断或陡降。叶轮虽然对气流做功，但是不能提高气体的压力。于是，压缩机出口的压力显著下降。由于管网具有一定的容积，其中气体的压力不可能很快下降，因而比压缩机出口压力大。从而气体向压缩机倒流，甚至冲出压缩机进口。直到管网中的压力下降到与压缩机出口压力相等时，这种倒流才停止。压缩机又开始重新进气。但当管网中的压力迅速回升，流量又下降时，系统中的气体又会发生倒流。这种整个系统发生周期性低频大幅的轴向气流的振荡现象，成为喘振。发生喘振的内在工况条件是叶到中几乎充满了气流的脱离，而外在条件与管网的容积和管网的特性有关。（2）喘振的危害使压缩机的性能恶化，压力和效率显著降低，机器出现异常的噪声、吼叫和爆音，机器出现强烈的振动，致使压缩机的轴承、密封遭到破坏，有可能造成机器的严重破坏。严重限制了离心压缩机的流量操作范围。第45页，共77页，2023年，2月20日，星期四

（3）防喘振措施

a.及时监测、调控。b.降低转速；c.设置导叶转动机构，调节导叶角度，以减小进口冲角；d.出口设置旁通管道；放空多余气体，或部分气体回流。（4）压缩机的堵塞工况

流量不断增大时，气流产生较大的负冲角，在叶片工作面上发生分离。流量达到最大值时，叶轮做功全部用于抵御能量损失，压力不再升高，甚至可能使叶道中的流动变成收敛性质，或流道最小截面出现了声速，这时气体压力无法提高，流量也不再增大，即达到了堵塞工况。第46页，共77页，2023年，2月20日，星期四（5）多级压缩机的性能曲线多级压缩机的性能曲线与单级的形状基本一致，但级数愈多稳定工况区愈窄。

（6）从性能曲线上判断压缩机性能其最佳效率愈高、效率曲线越平坦、稳定工况区愈宽的压缩机性能越好。第47页，共77页，2023年，2月20日，星期四3第48页，共77页，2023年，2月20日，星期四第49页，共77页，2023年，2月20日，星期四(3)平衡工况的稳定性此图为稳定时的情形此图为不稳定时的情形（4）判断压缩机平衡工况点的稳定性稳定

不稳定第50页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.4.2相似理论在离心压缩机中的应用相似理论的应用价值a.模化设计：按照性能良好的模型级或机器，快速地设计出性能良好的新机器；

b.性能换算：由模型代替实际机器实验的结果，换算成在设计条件下或使用条件下的机器性能。

c.相似的机器可用通用的性能曲线表示它们的性能；

d.可使产品系列化、通用化、标准化。离心压缩机流动相似应具备的条件流动相似：就是指流体流经几何相似的通道或机器时，其任意对应点上同名物理量比值相等。相似条件：（1）几何相似：（2）运动相似：叶轮进口速度三角形相似（3）动力相似：特征马赫数相等和特征雷诺数相等（4）热力相似：气体等熵指数相等第51页，共77页，2023年，2月20日，星期四符合相似条件的性能换算（1）完全符合相似条件的性能换算

（2）近似符合相似条件的性能换算第52页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.4.3压缩机的各种调节方法及其特点1.压缩机的进口节流调节在进口管道上安装调节阀，性能曲线随阀门的开度变化而变化。第53页，共77页，2023年，2月20日，星期四2.压缩机的出口节流调节在出口管道上安装调节阀，管路特性曲线随阀门的开度变化而变化。曲线1阀门的开度比曲线2的要小。第54页，共77页，2023年，2月20日，星期四3.采用可转动的进口导叶调节（又称进气预旋调节）

在叶轮入口前设置可绕本身轴转动的导叶，改变导叶的角度，即可改变气流的方向，从而改变理论能头，使性能曲线发生改变，从而改变气量。第55页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.采用可转动的扩压器叶片调节第56页，共77页，2023年，2月20日，星期四5.改变压缩机的转速调节第57页，共77页，2023年，2月20日，星期四6.切割叶轮外径的方法它与改变转速的方法大体有相同的性能曲线变化，但叶轮进行切割后无法恢复，因此是一种不得已而为之的方法。第58页，共77页，2023年，2月20日，星期四轴流式与离心式压缩机的性能比较

（1）轴流式比离心式适用于更大的流量

补充第59页，共77页，2023年，2月20日，星期四第60页，共77页，2023年，2月20日，星期四（2）轴流式比离心式级的压力比低（3）轴流式比离心式效率高（4）轴流式比离心式的变工况适用性差第61页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.4离心压缩机零部件4.4.1叶轮（前已述及其主要形式）叶轮的主要参数：（1）叶轮的相对宽度：（受到强度、效率的双重限制）（2）叶轮的轮径比：（受到效率的限制）（3）叶片的进口安置角：（4）叶片的出口安置角：（5）叶片数：14~32（6）叶片的型线：一般采用单圆弧形（7）轮盖转角的圆弧半径及轮盖倾角第62页，共77页，2023年，2月20日，星期四（8）叶轮转速与圆周速度第63页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.4.2扩压器

从叶轮出来的气体速度相当大，具有的动能约占叶片功的25%~40%，因此必须很好的利用，使其有效地转化成所需的静压能。扩压器就是使气流的动能转换成静压能的组件。（1）无叶扩压器：气体在其中的流动方向角不变，始终沿一条对数螺旋线流动适用于流量变化较大的离心压缩机或级，效率较低。（2）叶片扩压器：适用于流量变化不大的离心压缩机或级，效率较高。（3）直壁形扩压器：是叶片扩压器的一种，通道较少。用于流量较小的离心压缩机或级。第64页，共77页，2023年，2月20日，星期四回流器:是用于改变气流方向的组件。为提高效率，内部都装有叶片，一般为12~18片。蜗壳：是把从扩压器或者叶轮出来的气体汇集起来引到压缩机排气管道或者冷却器中去的组件。4.4.3回流器和蜗壳

第65页，共77页，2023年，2月20日，星期四4.4.4.离心压缩机的密封

通常在气缸两端装有前后轴封，在气缸内部设有隔板内孔密封、平衡盘密封和叶轮轮盖密封。（1）密封件的结构形式及用途

a.迷宫式密封：

又称梳齿密封，是一种非接触型密封，包括以下几种型式：

ⅰ曲折型密封

ⅱ平滑型密封

ⅲ阶梯型密封

ⅳ径向排列的迷宫密封

ⅴ蜂窝型的迷宫密封

梳齿密封主要用于离心压缩机级内、轮盖处的密封、级间密封和平衡盘的密封上，也可以作为轴端密封中的辅助密封。第66页，共77页，2023年，2月20日，星期四第67页，共77页，2023年，2月