离心式压缩机

离心式压缩机课件第一页，共四十六页，编辑于2023年，星期一离心式压缩机

离心式压缩机是一种高速旋转的透平式（turbine）机械，其作用是一种能量转换机械。在驱动机的拖动下，以消耗机械能达到排送和压缩各种气体，使气体压力提高，满足各种不同工艺流程的需要。

离心压缩机工作原理与活塞压缩机的不同点：活塞式压缩机是通过活塞来改变气缸的容积，从而达到压缩气体提高压力的目的。

离心压缩机是利用气体动力学的方法，即利用高速回转的叶轮对气体作功，使气体在离心力场中使压力和动能都得到提高，然后在扩张流道中在将大部分的动能转变为静压能，而使气体压力得到进一步的提高。离心压缩机工作原理

叶轮在驱动机的带动下高速旋转，在叶轮入口产生负压区，从而使气体从进气口到达吸气室，再经高速旋转的叶轮，叶轮对气体做功，使气体的压力和动能得到提高，然后进入扩压室，扩压室是一个流通截面积逐渐扩大的流道空间，使叶轮出来的高速气体尽可能的将动能转化为静压能，然后通过弯道，进入回流器，再进入下一级叶轮，使气体压力进一步得到提高，气体从最后一级叶轮出来后进入蜗壳，最后从排气口排出。第二页，共四十六页，编辑于2023年，星期一离心压缩机的组成在动静部件之间还设有密封元件

第三页，共四十六页，编辑于2023年，星期一离心压缩机各截面代号的约定:in——吸气管进口截面0——叶轮进口截面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5——弯道出口截面6——回流器出口截面0’——本级出口截面7——排气涡壳进口截面out——排气涡壳出口截面第四页，共四十六页，编辑于2023年，星期一离心压缩机的优缺点：优点：1、离心压缩机排气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小。2、运转平稳，操作可靠，摩擦件少，因此备件需用量少，维护费用及人员少。3、在化工流程中，离心压缩机对化工介质可以做到绝对无油的压缩过程。4、离心压缩机为一种回转运动机械，它适宜于工业汽轮机或燃汽轮机直接拖动，对一般大型化工厂，常用副产蒸汽驱动工业汽轮机作为动力，为热能综合利用提供了可能。缺点：1、目前还不太适用于气量太小及压力比过高的场合。且单级能够提供的压力比较活塞式压缩机小。2、稳定工况区较窄，气量调节虽然方便，但经济性较差。3、工作效率一般比活塞压缩机低。第五页，共四十六页，编辑于2023年，星期一第二节离心压缩机的气动热力学

气体在叶轮中实际状况

⑴气体在流道中流动时呈三元流动状态，即气体的状态参数沿轴向、周向、径向都是变化的。⑵实际气体流动是非定常的。如：气体在叶道中流动的相对速度⑶流动的都是实际气体，都有粘性。在内部流场的计算中应考虑气体粘性力的影响。⑷气体流动边界层的存在，会产生复杂的流动现象。⑸应考虑实际气体的压缩因子的影响。

第六页，共四十六页，编辑于2023年，星期一1理想气体状态方程、过程方程和压缩功第七页，共四十六页，编辑于2023年，星期一2实际气体状态方程、过程方程和压缩功1）状态方程2）过程方程第八页，共四十六页，编辑于2023年，星期一

§3-3气体在级中流动的概念和基本方程

1欧拉公式假设气体无预旋的进入叶轮

由于叶片无限多，β2=β2A

流量系数或叶轮径向分速系数

无穷多叶片叶轮周向分速系数

第九页，共四十六页，编辑于2023年，星期一无限多叶片叶轮的理论能量头的影响因素1）、u2

的影响

注意：u2的增大不是无限的，将受叶轮材质和气体马赫数的限制。2）、周向分速系数的影响

由连续性方程得：——堵塞系数与叶轮几何结构有关，见书P77式3-3

第十页，共四十六页，编辑于2023年，星期一有限叶片叶轮的理论能量头

通常后弯型叶片的叶轮，叶片数一般为Z=14~18，而且叶片有一定的厚度。1、叶轮上流速及压力实际分布（见图）原因：轴向涡流由于流体本身的惯性，使流体在旋转叶轮的叶道中出现了与叶轮旋转方向相反，旋转次数相同的环流现象——轴向涡流。（见图）2、改变了出口速度三角形

由于有限叶片叶轮中存在轴向涡流，不仅使叶道中同一截面相对速度分布不均匀，而且使叶轮出口速度方向偏离叶片的切线方向，即β2<β2A，改变了叶轮出口速度三角形。第十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期一依据斯沱道拉理论：速度滑移大体等于叶轮出口处轴向涡流的周向速度若不考虑叶片的厚度，近似取叶道的出口宽度

第十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期一因此有限叶片叶轮的理论能量头有限多叶片理论能量头系数或周向分速系数2、级的总耗功、压缩功及功率

压缩机叶轮功耗⑴叶轮对气体做功。⑵轮阻损失——当叶轮周围充满气体，叶轮旋转需要克服叶轮两侧表面及叶轮外缘与气体之间的摩擦损失。⑶泄漏损失——①轮盖密封处的泄漏；②级与级之间的密封处的泄漏（P115图3-10）。

第十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期一第十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期一叶轮对单位有效气体的总功耗——泄漏损失系数

——泄漏损失能头——轮阻损失系数

——轮阻损失能头第十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期一3能量方程式当a,b截面为级进出口截面时对理想流体对绝能流动第十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期一4柏努利方程气体在级的a,b截面间做稳定流动对进出口而言与能量方程联立第十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期一HT由柏努力方程得：在级的进出口a-b截面间能量的变化可用能头

5级效率第十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期一2）绝热效率1）多变效率3）绝热效率第十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期一在级的进出口b截面间能量的变化在等温过程中

在多变过程中

在绝热过程中

在离心式压缩机的压缩过程中除了一种特殊的等温型压缩机较接近等温压缩过程以外，压缩过程一般均为多变过程。

由于流动损失、轮阻损失、泄漏损失的能量都将转变为热量被气流吸收，所以压缩过程中得多变指数一般大于绝热指数>等温效率。第二十页，共四十六页，编辑于2023年，星期一忽略4）流动效率多变能头系数第二十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期一产生流动损失的原因：

①波阻损失：因气体的压缩性，使气速达到或超过音速时形成的激波阻力损失（见图），这种损失实际是激波前后气流压力、速度、密度、温度等参数突跃变化而造成的一种不可逆的能量损失。②气体本身的粘滞性，由摩擦、涡流而产生的能量损失。粘滞性引起的流动损失主要表现形式：1、摩擦损失2、分离损失3、二次涡流损失4、尾迹损失5、冲击损失§3-4气体在级中的能量损失第二十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期一1、摩擦损失：气体在压缩机级的流道中流动，因气体粘性的存在，在贴近流道壁处产生边界层，出现磨擦损失。在实际气体速度与理想气体的速度相差＞1%的气体层厚度，称为边界层厚度δ。规定：贴近壁面有速度梯度的这一气体薄层，称为边界层。第二十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期一2、分离损失

减少分离损失的措施使控制流道的当量扩张角θ≤6°~8

°经验方法是控制进出口的相对速度比第二十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期一3、二次流损失与主流方向垂直的流动造成的损失，由哥氏力和流道弯曲引起。主要发生在叶轮的叶道、弯道及吸气室等有急剧转弯之处。4、尾迹损失

第二十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期一5、冲击损失

当流量偏离设计工况点时使得β1≠β1A，于是气流对叶片产生冲击造成冲击损失。损失大小与进气冲角i=β1A-β1有关。当流量小于设计工况时i>0，当流量大于设计工况时i<0。第二十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期一级中轮阻损失

面积

摩擦力矩

设圆盘附近气体的密度ρ不变，且等于叶轮出口处的ρ2；设圆盘内径等于0，则

级中泄漏损失

式中：a=0.7Z=4~6齿，齿顶间隙s≈0.4mm，第二十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期一因圆盘有两个侧面，故消耗的功率

KW圆盘外缘摩擦力矩

式中e——轮盘外缘宽度圆盘外缘消耗功率KW轮盘摩擦总损失功率为KW第二十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期一叶轮轮阻损失系数

多级离心压缩机

由于离心压缩机每级所能提供的压缩比很小1.2~1.5，所以离心式压缩机大多采用多级串联结构来满足工艺压力比的要求。单机级数最多可达9级。为了节省功耗，在离心式压缩机中同样可以采用中间冷却器的方法降低排气温度。第二十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期一离心压缩机的性能曲线

在该曲线上的每个点即代表着压缩机的一个工况，把效率最高的工况点称为最佳工况点。注意：该图是在一定转速下测定的。在性能曲线最左边对应着喘振点。右边对应着压缩机的堵塞点。两点之间为压缩机的稳定工况区。第三十页，共四十六页，编辑于2023年，星期一喘振原因旋转脱离第三十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期一阻塞原因第三十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期一管网特性曲线

压缩机在使用中总是需要管网与其配套。管网包括与压缩机连接的进气管路、排气管路以及这些管路上的附件及设备的总称。

气体在管网中流动时，需要有足够的压力来克服沿程阻力和各种局部阻力，每条管网都有自己的特性曲线，即气体通过管网流量与保证这个流量通过所需的压力之间的关系曲线，其取决于管网本身与用户的需要。管网特性曲线形式第三十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期一压缩机与管网联合工作压缩机工作点的两个条件：a、压缩机的排气量等于管网的需气量；b、压缩机提供的排气压力等于管网需要的端压。稳定工作点的判定条件：——具有稳定工况点——具有不稳定工况点第三十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期一离心式压缩机串联和并联工作

多台离心压缩机可以串联或并联在管网中使用。机组并联可增大供气量，串联可提高供气压力。第三十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期一相似理论在离心式压缩机中应用相似理论在离心式压缩机中的应用是十分重要的问题，它可为试验研究、相似设计和性能换算提供理论依据。离心压缩机相似实际是研究气体在压缩机内接受叶轮外功进行能量交换过程中的流动相似问题。流动相似是指气体在流经几何相似的机器时，其任意对应点的同名物理量的比值相等。气体流动的基本物理量有T、p、c若两机流动相似，两机间任意点处的T、p、c比值相等。相似的条件：流动相似时两机间几何、运动、动力、热力必须相似。对于几何相似是指同名几何参数对应比值等于常数，且任意点处叶片安装角必须相等。注意：要产生相似流动只能发生在几何相似的流道，其是相似流动最基本的要素。第三十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期一运动相似的条件对于运动相似是指两机内部流动的流型相似，即两机任意对应点处的速度大小成比例，且为一个常数，速度的方向相同——速度三角形相似。可以证明：对于几何相似的流道内当进口速度三角形相似则能保证后续的运动相似。

动力相似的条件：动力相似是指两机气流在对应点上所受的同名力的比值相等。离心压缩机中对气流流动起主要作用的力有惯性力、粘性力、弹性力。

由因次分析得:

惯性力

粘性力

第三十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期一弹性力是指气体在流动中由于体积发生变化所需的力。弹性力大小与气体的弹性系数有关。弹性系数的物理含义是：产生单位容积相对变化率时所需的压强增量。因气体容积变化率与密度变化率刚好相反。力是压强乘以面积，所以弹性力必然与弹性系数及受力面积成正比。弹性力为：第三十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期一若两机对应的雷诺数相等则两机对应点的惯性力的比值等于对应点的粘性力比值。雷诺数相等实际是反映流体粘性对流体流动的影响相当，当两机雷诺数相等时，两机对应的摩擦阻力系数相等，但由于透平式机械雷诺数一般大于临界值，机内流动已进入自动模