离心压缩机的典型结构与工作原理

3.1离心压缩机的典型结构与工作原理课间休息习题静态图库本章概要本章目录返回本章目录3.1.1离心压缩机的典型结构与特点3.1.2离心压缩机的基本工作原理3.1.3级内的各种能量损失3.1.4多级压缩机3.1.5功率与效率3.1.6实际气体3.1.7三元叶轮的应用离心压缩机结构的动画演示本章概要本节介绍离心压缩机的典型结构与特点；阐述其基本工作原理，揭示流动规律如能量转换、各种能量损失、气动热力参数的变化和功率及效率等，介绍实际混合气体的处理方法，简述三元流叶轮的应用。3.1.1离心压缩机的典型结构与特点3.1.1.1离心压缩机的典型结构通过能量转换，使气体压力提高的机器称为压缩机，而用旋转叶轮实现能量转换，使气体主要沿径向离心方向流动从而提高压力的机器成为离心压缩机。离心压缩机出口的气体压力在200KPa以上，以区别出口压力低的离心通风机和鼓风机。离心压缩机的典型结构之一如图3-1所示。它是由沈阳鼓风机厂生产的中低压水平剖分式MCL系列离心压缩机典型结构的实物部分剖视图。该系列压缩机可输送空气及无腐蚀性的各种工业气体，可用于化肥、乙烯、炼油等化工装置及冶金、制氧、制药、长距离气体增压输送等装置。图中表示气体由吸入室1进入，经过轴2带动叶轮3旋转对气体做功，使气体压力、速度、温度提高，然后经固定部件4使气体速度降低压力提高，并经导向使气流流入下一级叶轮继续压缩。由叶轮和固定部件构成一级，级是压缩机实现气体压力升高的基本单元。由于逐级压缩使气体温度升高，造成再压缩多耗功，为了减少耗功，气体经四级压缩为第一段，然后由排气蜗室8排出，经另外设置的中间冷却器降温后再重新引入第二段的第五级叶轮。该机器经两段八级压缩后的高压气体由另一个排气蜗室8排出。该离心压缩机还由机壳5、轴端密封6、轴承7等许多零部件组成，不再一一绍这里仅给出一个简单但却完整的机器概貌，使初学者对离心压缩机先有一个初步的印象。3.1.1.2级的典型结构级是离心压缩机使气体增压的基本单元，如图3—2所示．级分三种型式即首级、中间级和末级。图中(a)为中间级，它由叶轮(1)、扩压器(2)、弯道(3)、回流器(4)组成。(b)为首级，它由吸气管和中间级组成。(c)为末级，它由叶轮(1)、扩压器(2)、排气蜗室(5)组成。其中除叶轮随轴旋转外，扩压器、弯道、回流器及排气蜗室等均属固定部件。为简化研究，通常只着重分析与计算几个特征截面上的气流参数。这些特征截面在固3—2中分别表示为in——吸气管进口截面，也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，也也即回流器进口截面；6——凹流器出口截面；0’——本级出口截面，也即下一级的进口截面；7——排气蜗室进口截面；out——排气蜗室出口截面，也即末级出口截面或段出口截面，或整个压缩机出口截面。3.1.1.3离心叶轮的典型结构叶轮是外界(原动机)传递给气体能量的部件，也是使气体增压的主要部件，因而叶轮是整个压缩机最重要的部件。离心叶轮如图3-3所示，有闭式叶轮、半开式叶轮和双面进气叶轮。最常见的是闭式叶轮，它离心叶轮如图3-3所示，有闭式叶轮、半开式叶轮和双面进气叶轮。最常见的是闭式叶轮，它的漏气量小、性能好、效率高，但因轮盖影响叶轮强度，使叶轮的圆周速度6022nDu受到限制．如u2≤(300一320)m／s。半开式叶轮效率较低但强度较高，u2可达450—550m／s。叶轮作功量大、单级增压高。双面进气叶轮适应大流量，且叶轮轴向力本身得到平衡。叶轮结构型式通常还按叶片弯曲形式和叶片出口角采区分，如图3—4所示。图中(a)简称后弯型叶轮，叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反，叶片出口角＜90°，通常多采用这种叶轮，它的级效率高，稳定工作范围宽。(b)简称径向型叶轮，其叶片出口角＝90°，图3—3中的(b)叶片为径向直叶片也属于这种类型。(c)简称前弯型叶轮，叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相同，＞90°如。由于气流在这种叶道中流程短转弯大，其级效率较低，稳定工作范围较窄，故它仅用于一部分通风机中。径向型叶轮的级性能介于(a〕和(c)之间。在图3—4中还示意画出了叶轮出口的气流A2A2A2速度，由牵连速度、相对速度的矢量之和绝对速度构成了速度三角形，其中。是叶轮旋转的角速度，是叶轮出口至轴心的半径，是站在旋转叶轮上所观察到的叶轮出口处的气流速度，是站在地面所观察到的叶轮出口处的气流速度。在后面讨论离心压缩机的工作原理时，常常会用到叶轮进、出口处的速度三角形。2u2c222ru22c2r3.1.1.4扩压器的典型结构由于叶轮出口的气流绝对速度较大，为了提高级的增压比和效率，设置了扩压器让气流降速增压。扩压器的典型结构如图3-5所示，(a)为无叶扩压器，其结构简单，级变工况的效率高，稳定工作范围宽。（b)为叶片扩压器，由于叶片的导向作用，气体流出扩压器的路程短，D4不需太大，且设计工况效率高，但结构复杂，变工况的效率较低，稳定工作范围较窄。通常较多采用的是无叶扩压器。另外，弯道和回流器使气流转向以引导气流无须旋的进入下一级。通常它们不再起降速升压的作用，吸入室是将管道中的流体吸入，并沿环形面积均匀地进入叶轮。而排气蜗壳则是将叶轮窗口或扩压器出口环形面积中的流体收集、导向进入排气管道之中。3.1.1.5离心压缩机的特点如果将离心压缩机和往复活塞压缩机相比较，则可显示出离心压缩机具有以下特点。(1)优点①流量大。由于活塞压缩机仅能间断地间断地进气、排气，气缸容积小，活塞往复运动的速度不能太快，因而排气量受到很大限制。而气体流经离心压缩机是连续的，其流通截面积较大，且因叶轮转速很高，故气流速度很大，因而流量很大(有的离心压缩机进气量可达6000m3／min以上)。这样可使与输气量有关的产品产量大大提高。②转速高。活塞压缩机的活塞、连杆和曲轴等运动部件，必须实现旋转与往复运动的变换，惯性力较大、活塞和进、排气阀时动时停，有的运动件与静止件直接接触产生摩擦，因而高转速受到很多限制；而离心压缩机转子[轴和由轴带动一起旋转的所有零部件(如叶轮、推力盘、平衡盘等)的总称为转子]只作旋转运动，几乎无不平衡质量，转功惯量较小，运动件与静止件保持一定的间隙，因而转速可以提高。一般离心压缩机的转速为5000≤n≤20000r／min，由于转速高，适用工业汽轮机直接驱动，既可简化设备，又能利用化工厂的热量，可大大减少外供能源，还便于实现压缩机的变转速调节。③结构紧凑。机组重量与占地面积比用同一流量的活塞压缩机小得多。④运转可靠、维修费用低。活塞压缩机由于活塞环，进、排气阀易磨损等原因，常需停机检修；而离心压缩机运转平稳，一般可连续1-3年不需停机检修，亦可不用备机，故运转可靠，维修简单，操作费用低。(2)缺点①单级压力比不高，高压力比所需的级数比活塞式的多。所以目前排气压力在70MPa以上的，只能使用活塞压缩机。②由于转速高，流通截面积较大，故不能适用于太小的流量。由于离心压缩机的优点显著，特别适合于大流量。臣多级、多缸串联后最大工作压力可达到70MPa，故现代的大型化肥、乙烯、炼油、冶金、制氧、制药等生产装置中大都采用了离心压缩机。综上所述，表明了离心压缩机作为一种高速旋转机器，对材料、制造与装配均有较高的要求，因而这种机器的造价是较高的，有的离心压缩机一台造价达数百万甚至上千万元之多。当然应用离心压缩机参与生产过程将会生产出大量的工业产品，它所创造的价值也是十分可观的。○3.1.2离心压缩机的基本工作原理这里应用流体力学和热力学的基本知识，通过介绍连续方程、欧拉方程、能量方程、伯努利方程、热力过程方程和压缩功等基本方程来揭示气流在机器内部结构参数之之间的相互关系，以计算气流在机器中流过多少流量，获得多少能量，提高多少压力。（3-1）3.l.2.1连续方程(1)连续方程的基本表达式连续方程是质量守恒定律在流体力学中的数学表达式，在气体作定常一元流动的情况下．流经机器任意截向的质量流量相等，其连续方程表示为下式式中为质量流量kg⁄s，为体积流量,为气流密度,为截面面积，为垂直该截面的法向流速。所谓一元流动是指气流参数(加速度、压力等)仅沿主流方向有变化，而垂直于主流方向的截而上无变化。由该式可以看出随着气体在压缩过程中压力不断提高，其密度也在不断增大，因而容积流量沿机器不断减小；constfcqvqvqvqrininiim22222mqvqsm3fc(2)连续方程在叶轮出口的表达式为了反映流量与叶轮几何尺寸及气流速度的相互关系，常应用连续方程在叶轮出口处的表达式为式式中D2为叶轮外径，b2为叶轮出口处的轴向宽度，为叶轮出口的相对宽度，考虑到叶轮结构的合理性和级效率，通常要求0.025＜＜0.065。为322222222260unDbqvqrm（3-2）22Db22Db222ucrr叶轮出口的流量系数，它对流量、理论能量头和级效率均有较大的影响，根据经验的选取范围，对于径向型叶轮为0.24－0.40，后弯型叶轮为O.18一0.32，强后弯型()叶轮为0.10—0.20。AAADZbDZbZbD2222222222222sin1sin2sinr2302A(3-3)式中为出口的通流系数(或堵塞系数)，Z为叶片数，为叶片厚度，为铆接叶轮中连接盘、盖的叶片折边如图3—6所示，无折边的铣制、焊接叶轮，。220图3-6叶片厚度与折边式（3-2）表明与互为反比，取大，则取小，反之亦然。对于多级压缩机同在一根轴上的各个叶轮中的容积流量或等都要受到相同的质量流量和同一转速n的制约，故该式常用来校核各级叶轮选取等的合理性。3.1.2.2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，亦称为欧拉方程。当流体作一元定常流动流经恒速旋转的叶轮时，由流体力学的动量矩定理可方便地导出适用于离心叶轮的欧拉方程为亦可表示为式（3-5）22Db22Db2r1122ucucHLuuthth(3-4)2r•式中为叶轮输出的欧拉功，为每千克流体所接受的能量称为理论能量头，单位是kJ⁄kg。流体在叶轮进出口截面上的速度如图3—7的速度三角形。•该方程的物理意义是：•①欧拉方程指出的是叶轮与流体之间的能量转换父系，它遵循能量转换与守恒定律；•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该方程适用于任何气体或液体，既适用于叶轮式的压缩机，也适用于叶轮式的泵；222222121222122ccuuHLthth(3-5)thLthH④推而广之，只需将等式右边各项的进出口符号调换一下，轮式的原动机如汽轮机、燃气轮机等，原动机的欧拉方程为式中为每千克流体输出的能量头，为叶轮获得的机械功。通常流体流入压缩机或泵的叶轮进口时并无预旋，即，这使计算公式更加简单了。若叶片数无限多，则气流出口角与叶片出口角一致，如图3—7所示。然而对有限叶片数的叶轮，由于其中的流体受哥氏惯性力的作用和流动复杂性的影响，出现轴向涡流等，致使流体并不沿着叶片出口角的方向流出，而是略有偏移.2211ucucHLuuuu（3-6)222212222212122ccuuHLuu（3-7）uHuL01uc2A2A2A2如图3—7所示，由、偏移至和，这种现象称为滑移，因此就难以确定了。斯陀道拉提出了一个计算的半理论半经验公式如下。式中称为滑移系数。2uc222cuc2AAruAruZuctgcucctgcuc2222222222sinArAuuctgcuZucc2222222sin1(3-8)(3-9)thH对于离心压缩机闭式后弯式叶轮，通常理论能量头按斯陀道拉提出的半理论半经验公式计算，即式中称为理论能量头系数或周速系数。式(3—10)是