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1、4离心压缩机,4.1离心压缩机的典型结构与工作原理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。,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；,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,
2、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。,3.级的特征截面,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。,4.1.1.3.主要构件及其功能（1）叶轮：是唯一对
3、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。,闭式叶轮,双面进气叶轮,半开式叶轮,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。,（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
4、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。,（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，
5、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。,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。,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。
6、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。,4.2.1.连续方程（1）连续方程的基本表达式,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
7、片功。,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。,3.无预旋的欧拉方程,（3）斯陀道拉提出的半经验公式,功率和效率 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,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
8、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。,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
9、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。,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,漏气损失
10、1.产生漏气损失的原因：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。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,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,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
11、,压缩过程与压缩功,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：,：,（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,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
12、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,j,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,上式中，设,能量方程,则经整理得到,1.能量方程,讨论：一般，压缩机的工作过程中没有热量的加入，所以,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：,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,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
13、,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。,3.级中气体压力、比体积、容积流量的变化,一般把整个级中的气体变化看成是一个多变过程。,此处书中式子（6-34）有错,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,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,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,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
14、运行工作状态简称工况。,(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,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
15、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。,（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
16、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。,（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。,3,(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,相似理论在离心压缩机中的应
17、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,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
18、能换算,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。,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。,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。,4.采用可转动的扩压器叶片调节,5.改变压缩机的转速调节,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
19、法。,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,（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,4.4离心压缩机零部件,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：1432（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,（8）叶轮转速与圆周速度,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
20、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。,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1218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。,回流器和蜗壳,.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。
21、（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：曲折型密封平滑型密封阶梯型密封径向排列的迷宫密封蜂窝型的迷宫密封 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。,b.机械密封主要用于整级轴的端部密封。机械密封主要由动环、静怀、弹簧和端盖组成。动环与轴一起高速回转，静环用弹簧连接在端盖上，静环是静止不动的，靠弹簧的压紧力与动环的端面紧密接触，以达到密封的目的。由于两密封面为端面接触，所以又称为端面接触式密封。机械密封的形式多种多样，有单端面、双端面密封；又有单弹簧、多弹簧结构；平衡型或不平衡
22、型。密封材料：动环一般为硬质材料，静环材料相对为软质材料。,c.浮油环密封 浮油环密封主要用于高压离心压缩机的轴封上，亦称液膜密封。液膜密封元件主要有几个浮动环、间隔环、甩油环和轴套组成。浮油环的密封原理，就相当于把整个浮环套在轴套上，在环与轴套间注入高压油，形成油膜，阻止气体流出。由于浮环能与轴自动对中，能明显的减小油膜密封的间隙值，从而减小带压液体的用量，也大大减少漏油量。而且，浮环与轴不发生接触摩擦，故运转平稳，使用寿命长。特别适合与大压差、高转速的场合，解决了离心压缩机向高速发展的一个技术关键。,d.干气密封干气密封与机械密封、油膜密封之间的最大不同是采用的密封介质为气体，在密封动环的端面上开有一圈沟槽，进入槽内的气体的动压效应产生开启力，使动、静环两端面产生微小的间隙，其间的泄漏量甚微，而且省去了密封油系统，结构简单、工作可靠，故日益受到重视与推广应用。e.其他类型的密封：充气密封、抽气密封、碳环密封、动力密封等。（2）泄漏量的计算（自学）,练习题1,和出口温度,又,注：,第二种做法,那么,又,练习题2,
