三离心式压缩机

根据能量转换与守恒定律，外界对级内气体所做的机 械功和输入的能量应转化为级内气体热焓和动能的增加， 对级内1千克气体而言，其能量方程可表示为：
H th
q
cp (T0
T0 )
c02
c02 2
h0
h0
c02
c02 2
通常外界不传递热量，故q=0。
38
H th
q cp (T0
T0 )
第三章 离心式压缩机
速度式（叶片式）压缩机：借助高速旋转 的叶轮，将机械能转化为流体的能量。
分类
按气体在叶轮中 的流动方向
离心式——轴向进、 径向出
轴流式——轴向进、 轴向出
1
多级离心压缩机组
2
离心压缩机叶轮
3
3.1 离心式压缩机的典型结构和工作原理 3.1.1典型结构与特点
1－吸入室； 2－轴； 3－叶轮； 4－固定部件； 5－机壳； 6－轴端密封； 7－轴承； 8－排气蜗室；
生分离，但不明显扩散
48
i 1A 1
流量小 于设计
流量大 于设计
大小：正冲角损失是负冲角损失的10～15倍。 减少措施：（1）控制在设计工况点附近运行；
（2）在叶轮前安装可转动导向叶片。
49
4.二次流损失 产生原因：叶道同一截面上气流速度与压力分布不均匀， 存在压差，产生流动，干扰主气流的流动，产生能量损失 。
42
3.2.5 压缩过程与压缩功
每千克气体所获得的压缩功也称为有效能量头，如对
多变压缩功而言，则有：
2dp
1
Wi M
H pol
n
n
1
RT1
p2 p1
n 1 n
1
Hpol——多变压缩有效能量头
能量头系数ψpol：能量头Hpol与
u
2 2
之比
pol
H pol u22
或
H pol
u2
pol 2
4
离心式压缩机典型结构
2
34
5
67
1－吸入室 2－轴 3－叶轮 4－固定部件 5－机壳 6－轴端密封 7－轴承； 8－排气蜗室
1
8
8
1
5
一、组成
离心压缩机
转子： 转轴、固定在轴上 的叶轮、轴套、联 轴器及平衡盘等。
定子：
扩压器、弯道、 回流器、蜗壳、 机壳、吸气室。
6
排气蜗壳
弯道
回流器
吸气室
转子 定子
f
Re,
D
f
l
dhm
cm2 2
H f qV2
减小措施：减少叶轮外表面粗糙度。
H f cm2
45
2.分离损失 形成原因：气体在扩压器中速度逐渐减小，压力增加，此 时可能产生边界层分离，造成分离损失。
减少措施： 控 f 制 Re通, D 道 的当量扩张角 6 ~ 8 ；
控制进出口的相对速度比
段的标志 多段作用：降低功耗 （Why？）
11
三、 级的典型结构
首级
吸气管 中间级
级的形式
中间级
叶轮 扩压器 弯道 回流器
叶轮
末级 扩压器
排气蜗室 12
0’——本级出口截面，也是下一级入口截面；7——排气蜗室出口截面
13
四、 离心叶轮的典型结构
（一）叶轮
1.作用：将原动机的能量转化为气体的能量。
H f qV2
1
2 f2
H f cm2
1.6 ~ 1.8
2 1 f1
叶片进口的通流面
积
46
3.冲击损失 原因：流体入口处流动方向与叶片安装角不一致，使
气流对叶片产生冲击。
即冲角i 1A 1 0 1A — 叶片安装角，即叶片切 线与圆周反速度方向的 夹角； 1 — 流体出口角，即相对速 度与圆周速度反方向的夹 角
28
3.1.2离心式压缩机的基本方程
连续方程 欧拉方程 能量方程 伯努利方程 压缩过程与压缩功
五大方程联立求解，可获得流体在机器内的能量、速 度、压力、温度等参数的变化规律。
29
进出口速度三角形
30
➢在工程上，为了便于分析研究，常假设级中气体作一元定常 流动。
一元定常流动——垂直于流动方向的各截面上的流动参数（压 力、温度、密度和速度等）都均匀一致且不随时间变化。这样， 气体参数的变化仅与流道长度这一坐标有关。
部件。
对它的主要要求是：有足 够的强度以承受气体的压 力，法兰结合面应严密， 主要由铸钢组成。
25
6、隔板：隔板是形成固定元件的气体通道
根据隔板在压缩机所处的位置，隔板可分为4种类型：进口 隔板、中间隔板、段间隔板、排气隔板。
26
27
六、 离心式压缩机的特点 优点： ➢（1）流量大； ➢（2）转速高：一般为5000~20000r/min，适宜 用工业汽轮机直接驱动。 ➢（3）结构紧凑、尺寸小 ➢（4）运转平稳可靠，维护费用省 缺点： ➢（1）单级压力比不高； ➢（2）不适用于较小的流量； ➢（3）造价高；
（二） 扩压器的典型结构 1.作用：增压和导流 2.扩压原理：
减速增压
气流从叶轮中出来，速度高， 动能大。进入扩压器后，由于 流通面积逐渐增大，使速度降 低，依据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。
20
21
（二） 扩压器的典型结构
3.分类 （1）无叶扩压器：结构简单，效率高，稳定工作范围宽 （2）叶片扩压器：设计工况效率高，但结构复杂，变工况的 效率较低，稳定工作范围窄。
说明：H th 主要与叶轮圆周速度、流量系数、叶片出口
角和叶片数有关。
36
【例】 离心式压缩机DA350—61第一级叶轮的外径 D2=600 mm，叶片出口角β2A=45°，叶片数 z =18，流 量系数φ2r=0.248，转速n =8600 r/min。求叶轮使每千 克气体所获得的理论能头。
解：
2
1
-
b2 z2 DD22 sin
2A
物理意义：（1）反映流量与叶轮几何尺寸及气流速度的相
互关系。 （2）该方程可用来校核各级叶轮选取
b2 D2
的合理性。
32
二、 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 换给流体的能量的。离心叶轮的欧拉方程为：
Hth c2uu2 c1uu1
也可表示为：
c2r
cot 2A
u2
z
sin
2A
c2u c2u
1
u2
z
sin
2A
u2 c2r cot 2A
其中：β2A——叶片出口角； z——叶片数； µ——滑移系数
对于离心压缩机闭式后弯式叶轮，有
式中：
2r
Hth (12r cot
——流量系数。
2A
2r
sin
cz2r
u2
2
A
)u22
此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本方程式。
22
五、其它各部件的作用
1.吸气室 将需要压缩的气 体均匀地引入叶 轮中。
2.轴 安装叶轮、传递 动力
23
3弯道和回流器 将气流转向以引导 其无预旋地进入下 一级叶轮。 4.排气蜗壳 将气体汇集，并引 出机外。
24
5、气缸：压缩机的壳体，又称为机壳。 由壳体和进排气室组成，内装有隔板、密封体、轴承等零
如图所示。 但对于有限叶片数的叶轮， 由于其中的流体受到惯性力 的作用和流动复杂性的影响， 致使流体并不沿着叶片出口 角β2A的方向流出，而是略 有偏移，此种由ω2∞、c2∞偏 移到ω2、c2的现象称为滑移。
35
考虑有限叶片数受滑移的影响，斯托道拉提出了计算C2u
的半理论半经验公式：
c2u
u2
HT
c2uu2
u22 (12rctg2A
z
sin 2A)
u
Dn
.
. m/s
HT
270.22 1 0.248 ctg 45
sin
18
45
73008.04 0.6286 45892.85 (J/kg)
37
三、 能量方程
能量方程用来计算气流温度(或焓)的增加和速度的变 化。
H th
u22
u12 2
c22
c12 2
12
22
2
离心力产生 的能量
动能产生 的能量
流道变化产 生的能量
33
Hth c2uu2 c1uu1
欧拉方程的物理意义为：
H th
u22
u12 2
c22
c12 2
12
22
2
①欧拉方程指出的是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；
c02
c02 2
h0
h0
c02 c02 2
能量方程的物理意义为： ① 表示由叶轮所做的机械功，转化为级内气体温度(或焓) 的升高和动能的增加；
② 对有粘无粘的气体都 该方程适用于一级，也适用于多级整机或其中任一通流
部件，这由所取的进出口截面决定。
f
Re,
D
H f qV2
H f cm2
47
i 1A 1
（a）设计工况（实际流量=设计流量）：i=0，出口位置非 工作面边界层有一些分离
（b）流量<设计流量（相当于i>0）：流体在非工作面前缘 发生分离，并在通道中向叶轮出口逐渐扩散。
（c）流量>设计流量（相当于i<0）：在叶片工作面前缘发
应用伯努利方程可将能量转换与动能、压力能的变 化联系起来。
Hth
0 0
dp
c02
c02 2
H hyd00
如计级内漏气损失和轮阻损失，上式可表示为：
Htot
0 0
dp
c02
c02 2
H loss 00
总能量 损失
41
Hth
0 0
dp
c02
c02 2
H hyd00
伯努利方程的物理意义为： ① 表示叶轮所做机械功在转换为级中流体的有用能 量(静压能和动能增加)的同时，还需付出一部分能量 克服流动损失或级中的所有损失； ②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； ③ 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，需获知压力和 密度的函数关系才能求解静压能头积分。
由上式可知，提高叶轮圆周速度是提高有效能量头最有效
的方法。
43
3.1.3 级内的各种能量损失 级内的流动损失 漏气损失 轮阻损失
44
一、 级内的流动损失
1.摩阻损失 流体的粘性是产生摩擦阻力损失的根本原因。
从叶轮进口到出口有流体与壁面接触，就有边界
层存在，就将产生摩阻损失。
沿程摩阻损失大小为：
H
断增大，容积流量qV沿机器不断减小。
31
2.连续方程在叶轮出口的表达式
D2 — 叶轮外径；
qm 2qV 2
2
b2 D2
2r
2
60 n
2
u23
b2 — 叶轮出口处的轴向宽度
b2 D2
— 叶轮出口的相对宽度，一般要求0.025
b2 D2
0.065
强径2r后向—弯型叶型，轮（Db222r出2A口0处.32的04)流， ~ 量0.2系r40数 ； ，后0.弯 224r 型~，0cu.22r42r0； 0.18 ~ 0.32；
当流体沿叶片流道运动时， βA= β
16
3.离心叶轮的分类 （1）按叶片弯曲形式和叶片出口角分
（a）后弯型：弯曲方向与叶轮旋转方向相反，β2A＜90°， 级效率高、稳定工作范围宽
（b）径向型：介于（a）和（c）之间
（c）前弯型：级效率较低、稳定工作范围较窄，仅用于部
分通风机中。
17
18
19
7
扩压器
7
8
9
二、工作原理
离心力
驱动机 叶轮高速旋转
气体被甩出叶轮
在扩压器中扩压
气体连续从排气蜗壳排出
叶轮中心处形成低 压
工作原理动画
气体连续从吸气室吸入
10
离心式压缩机常用术语：
级： 流体增压的基本单元， 由一个叶轮与其相配 合的固定元件所构成
多级作用：提高出口压力 段： 以中间冷却器作为分
轮
轮盘
盖
叶片
14
2.叶轮内流体的运动
旋转运动： 沿叶轮切向方向 旋转速度u=ωr 方向为质点所在处
相对运动：叶片的切线方向。 相对速度ω的大小 与流量和流道形状 有关
绝对运动：c
15
几个角度的区别
β2A——叶片出口安装角， 指出口处叶片切线与圆 周速度反方向的夹角；
β2——流体出口角，指出 口处相对速度ω与圆周 速度反方向的夹角
②只要知道叶轮进出口的流体速度，即可计算出一
千克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；
③适用于任何气体或液体，既适用于叶轮式的压缩
机，也适用与叶轮式的泵；
④推而广之只需将等式右边各项的进出口符号调换
一下，亦适用于叶轮式的原动机。
34
Hth c2uu2 c1uu1
通常流体进入叶轮进口时无预旋，即c1u=0。 若叶片无限多，则液流出口角β2和叶片出口角β2A一致，
➢在离心式压缩机中气体的流动实际上是属于三元非稳态流动。 一、连续方程——质量守恒定律 1.基本方程 在气体作定常一元流动的情况下，流经机器任意截面的质量流 量相等，其连续方程表示为：
qm iqVi inqVin 2qV 2 2c2r f2 const
方程说明：随着气体在压缩过程中压力不断提高，其密度不
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例如对于叶轮而言，能量方程表示为
Hth cp
T2 T1
c22 c12 2
h2
h1
c22
2
c12
kR k 1
(T2
T1)
c
2 2
2
c12
对于扩压器而言，没有输入或输出机械功及能量，
Hth=0能量方程表示为
cpT3
c32
2
cpT4
c42
2
对任意截面而言，能量方程表示为
40
四、 伯努利方程