船舶动力系统4-2

船舶动力系统船舶燃气轮机压气机compressor压气机：外力对空气作功，以提高空气压力主要性能参数：增压比：出口空气总压与进口空气总压之比效率：理论上所需的压缩功与实际消耗的机械功之比……压气机按其产生压缩气体的压力范围，可分为：通风机（115KPa）鼓风机（115～350KPa）压缩机（350KPa）压气机分类（按构造和工作原理）：1.容积式：吸气和排气是间歇性的，其转速不如叶轮式压气机高排量小，but增压比可达很高的范围工程上活塞式压气机被用于高压、小排量的场合2.叶轮式：由涡轮驱动，利用高速旋转的叶片对空气作功，提高空气压力气体的压缩是在连续流动的状况下进行主要应用于低中压力，大流量的场合离心式轴流式燃气轮机装置中使用的压气机1.离心式：中小流量，高压头2.轴流式：大流量，低压头，效率较高，轴向尺寸大适用于大流量的场合，大部分用此气流沿轴向进气道进入叶轮，受高速旋转的叶轮推动，离心力的作用下，气流加速且压力稍增。外界机械能转化成空气的动能、压能、热能在涡壳型扩压管中，气流速度降低压力升高，气流动能转换成压力能离心式压气机轴流式压气机1—进口导向叶片；2—动叶片；3—静叶片；4—整流装置；5—轴承；6—密封；7—扩散器；8—转子；9—机壳；10—收缩器初态参数为p1及T1、初速为c1的气体，自进气管流径收缩器10，使气流均匀并得到初步加速。气流流经固定在机壳上的进口导向叶片1间的流道，使气流被整理成轴向流动，并使气体压力有少许提高转子8由外力拖动作高速旋转，固定在转子上的动叶片2将气流推动，使之大大加速，外界机械能功转换成气流动能高速气流流经固定在机壳上的静叶片3间的流道，由流道形状控制，流速降低，压力增加。气流动能转换成压力能气体连续流经压气机的各个工作级，逐级压缩升压。最后经扩散器7，进一步利用降速升压终态参数为p2及T2、流速为c2的高压气体，从排气管排出压气机在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短效率低于离心式功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式+一个离心式(末级)较高效率，轴向长度缩短（蒸汽/燃气）涡轮机，流体加速降压，压比大时损失小压气机，流体减速升压，损失大如果扩压器通道中，流体快速升高压力，会产生失速，造成巨大损失为使气体连续流动，并防止失速，压气机每级的压升有限制轴流式，每级1.3离心式4，（新型超音速压气机达到12）离心式压气机由进气系统、叶轮、扩压器、排气管四部分组成转子和扩压器的叶片，有各种形状，根据压力-速度特性要求选用进气道有多种结构形式，轴对称式进气道应用最多要求保证叶轮的进气均匀、轴对称进气道外面有滤网。滤网内侧流道内、外壁覆盖消声材料进气道最后部分收缩式，以引导空气均匀进入叶轮，且流动损失小叶轮叶轮是压气机的主要部件，其作用是将原动机的机械能传给空气叶轮包括导风轮和本体两部分。较小尺寸两者整体铸造，尺寸较大的分别加工后再组装与涡轮安装在同一转轴上。压气机叶轮上有一组径向叶片，叶片的前部呈弯曲形，后部为直叶片前部具有扭曲叶片的部分称为导风轮，后部称为叶轮本体或工作轮导风轮：进入叶轮时的相对速度w，转轴以某一交角进入。如果导风轮叶片是径向直叶片，则进气气流会与叶片产生冲击损失导风轮叶片朝相对速度w方向弯曲，以引导进气气流的运动叶轮本体：有开式、半开式、闭式三种结构形式开式：气体与缸壁直接接触，摩擦损失很大闭式：气体完全封闭在叶轮通道中，效率最高，但强度较差半开式：效率较高，在较高的轮周速度下有较好的强度燃气轮机中广泛应用叶轮叶片由三种形状（按流动角大小分）前弯式：流出气流速度最大，即动能高，使压气机压比高后弯式：叶片的弯曲方向和气体的自然运动轨迹完全一致，损失小，则稳定运行范围宽径向式：制造容易，数据折中实际采用P62图叶片工作面到背面的相对速度逐渐增大压气机叶轮在涡轮的驱动下高速旋转，由于离心作用，叶轮流道中的空气被甩向轮外缘，空气的压力和流速皆提高，温度也随之上升输入压气机叶轮的机械能转化为空气的压能、动能、热能同时，叶轮芯部人口处形成局部真空外界空气沿进气道连续不断地吸人压气机扩压器扩压器在压气机叶轮的外缘，是固定在机壳上的一个圆环状叶栅扩压器的作用：用流道截面积逐步扩大的方法，使气流速度降低，静压升高。使气体动能转换成压力能为了更有效地进行能量转换，离心式压气机一般同时采用无叶扩压器和叶片扩压器，先通过无叶扩压器，再进入叶片扩压器增压无叶扩压器：叶轮出口截面到叶片扩压器截面之间，由缸体壁面围成的圆柱环状流道。结构简单，效率低，增压能力不强叶片扩压器：强制气流按照叶片规定的方向，不断增加气流方向角，缩短流程，减少损失，使气流动能更多地转换成压力能。实验证明，静压升高主要发生在扩压器进口的斜切部分，在某种工况下，可能出现“阻塞”2-2：叶轮出口截面3-3：叶片出口截面叶片扩压器排气管收集从叶片扩压器流出的气体，并输送到燃烧室压气机的喘振surge喘振：透平式压缩机在流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动当转速一定，流量减小到最小值时出口压力会突然下降，管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出口压力升高重新向管道输送介质为止；当管道中的压力恢复到原来的压力时,流量再次减少,管道中介质又产生倒流，如此周而复始离心式压缩机发生喘振时，典型现象：1.压缩机的出口压力最初先升高，继而急剧下降，并呈周期性大幅波动；2.压缩机的流量急剧下降，并大幅波动，严重时甚至出现空气倒灌至吸气管道；3.机器产生强烈的振动，同时发出异常的气流噪声燃气轮机中压气机喘振不但会使压气机的压比和效率急剧下降，同时还影响到燃烧室和透平的工作，常见的如压气机熄火、透平排气超温等，至使整个机组产生强烈的振动，高速旋转之下几秒钟之内就可能使叶片断裂飞出，造成灾难性的后果喘振出现的原因流量=流速*截面积设计流量时，气流在叶片流道内的相对速度与流道中心线平行，这时气流对叶片的冲击损失最少，工作效率最高，压气机稳定流量大于设计时，带来“冲击损失”，气流的离心力，使气流挤向叶片凹面，因此分离不会向叶道内部发展，总是限于叶片的进口部分流量变化导致压气机叶轮中气流变化a．设计工况b.大于设计流量c.小于设计流量当流量小于设计值时，气流在叶片背面产生分离，离心力的作用使气流的分离加剧为防止喘振，必须使流体机械在喘振区之外运转压气机的阻塞某转速时，压气机气体流量达最大值，不能再增加的现象扩压管离心式压气机结构示意图进气室进气口叶轮蜗壳出气口出口扩压器主轴出口扩压器离心式压气机结构示意图两级离心式压气机，由于损失随级数增大，所以实际应用最多二级，且只用在小型机组（否则横截面太大）离心式压缩机纵剖面结构图1:吸气室2:叶轮3:扩压器4:弯道5:回流器6:涡室7，8:密封9:隔板密封10:轮盖密封11:平衡盘12:推力盘13:联轴节14:卡环15:主轴16:机壳17:轴承18:推力轴承19:隔板20:导流叶片离心式压气机用途：石油化学工业、炼油、天然气输送、制冷等工业场合使用的各种压缩机在动力工程中小功率燃气轮机内燃机增压动力风源优点：结构简单，工作可靠，每个工作级的压比高，在较宽的运行范围内可保持良好的效率，成本低，质量小缺点：多级效率较低，迎风面积大离心式压气机特性曲线喘振线：压气机特性曲线上各个转速下对应的发生喘振的流量连线转速一定，随着流量减少，增压比和效率先是提高，到某一流量时效率达量最大。当流量继续减少时，离心式压气机的增压比和效率开始下降流量压比P63图4-11运行工作线：效率、压比、质量流量综合最佳实际运行尽可能靠近该条线，才能与涡轮机匹配好离心压气机最小流量受喘振工况的限制，最大流量受阻塞工况的限制可以采用变转速、进口节流、出口节流和可调进口导叶等方法进行调节，以扩大运行工况范围