1、离心式压缩机,魏 进 家,过程装备与控制工程系西安交通大学2006年11月,离心式压缩机,0 绪论 1 气体流动基本方程和基本概念2 级中能量损失3 叶轮4 固定元件5 离心式压缩机热力设计,离心式压缩机,6 相似原理在离心压缩机中的应用7 离心式压缩机的性能曲线和调节8 离心压缩机的安全可靠性9 三元叶轮理论与设计10 实际气体,绪 论,0-1 压缩机的分类0-2 离心压缩机的特点0-3 离心式压缩机的应用0-4 离心式压缩机的结构简述,绪 论,0-1 压缩机的分类一、容积式压缩机 （1）活塞式 （2）滑片式 （3）螺杆式,0-1 压缩机的分类,二、透平式压缩机 结构：（1）轴流式 （2）离
2、心式,压力： （1）通风机 0.115Mpa以下 （2）鼓风机 0.115-0. 35Mpa （3）压缩机 0.35Mpa以上气体种类命名：氨气压缩机，氢气压缩机使用场合命名：高炉鼓风机，制冷压缩机,0-1 压缩机的分类,0-1 压缩机的分类,三、各类压缩机使用范围（1）容积式：中小流量 活塞式：高压力， 回转式：低压力 （2）透平式：大中流量 离心式：各种压力； (50-5000 m3/min) 轴流式：中低压力 (1000-20000 m3/min),一 优点 1 流量大 由于活塞压缩机仅能间断地进气、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。而气流经离心压缩机
3、是连续的，其流通截面积较大，且因叶轮转速很高，因而流量很大（有的离心压缩机进气量可达6000m3/min与输气量有关的产品产量大大提高。,0-2 离心压缩机的特点,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，因而提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，转动惯量较小，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500020000 r/min，由于转速高，适用工
4、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。,0-2 离心压缩机的特点,0-2 离心压缩机的特点,0-2 离心压缩机的特点,二、缺点,0-3 离心式压缩机的应用,一、冶金工业（1）高炉鼓风（鼓风机，轴流式）（2）烧结风机 （后向叶片双吸式离心风机）（3）氧气炼钢 （氧压机）（4）氧气的制取 （空压机，双轴四级）（5）焦炉鼓风机 （煤气加压输送）,二、石油化学工业1、油田注气 （提高油层压力，增加采油量）2、化肥 （(1) 合成氨 氮气氢气 （2）尿素 氨二氧化碳）3、石油精练 （蒸馏，精练，催化裂化（石油气和空气）， 重整（氢气，氮气
5、） ）4、石油化工 （裂解气，乙烯，丙烯，丁二烯）5、基础化工 （酸，碱，盐）6、天然气输送 （502800m3/min,6-10Mpa)7、制药工业 （发酵压缩空气0.2-0.3Mpa),0-3 离心式压缩机的应用,三、能源与动力工业1、煤炭开采与加工 （通风，煤气加压）2、燃气轮机和内燃机 （高压空气）3、动力风源 （压缩空气，气流输送和干燥）4、工业锅炉 （鼓风机，抽烟气机） 5、制冷 （气体液化，冷源）,0-3 离心式压缩机的应用,四、轻工、纺织及国防工业系统1、轻工系统（气力输送，气流干燥）2、纺织工业 （气流干燥）3、国防工业 （风洞实验）4、建材工业 （水泥炼制，陶瓷焙烧）,0-
6、3 离心式压缩机的应用,0-4 离心式压缩机结构,0-4 离心式压缩机结构,0-4 离心式压缩机结构,一、转子1、叶轮2、主轴3、平衡盘4、推力盘5、联轴器,气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体作功，使气体压力、速度、温度升高，然后流入扩压器，使速度降低，压力升高。弯道和回流器主要起导向作用，使气体流入下一级继续压缩。最后，由末级出来的高压气体经蜗室和出气管输出。多级往往需中间冷却。,0-4 离心式压缩机结构,二、静子1、机壳2、扩压器3、弯道4、回流器5、蜗室6、密封7、轴承,段和级（中间级和末级）,第一章 离心式压缩机内部流体流动基础,气流特征：基元气体流束：（1）三元流动（2）周期性非定常流
7、动,一元定常流动简化,第一章 离心式压缩机内部流体流动基础,1-1 欧拉方程 用于计算叶轮对气体的作功 叶轮进出口气流速度,1-1 欧拉方程,1-1 欧拉方程,动量矩定理： 所研究的气体质量在任一瞬时相对于某一轴线的动量矩的时间导数，等于所有外力对同一轴线的合成力矩。,1-1 欧拉方程,理论能量头,欧拉方程,欧拉第二方程,由欧拉方程可知：如果知道了叶轮进出口气体的速度，就可以计算叶轮对单位气体作功的大小，而可以不管叶轮内部的气体流动状况。,速度三角形关系,1-2 能量方程,根据能量守恒定律：,内能增量,动能增量,气体压力对气体所作功 移动功,外力对气体所作的功,叶轮对气体所作功,1-2 能量方
8、程,1-2 能量方程,能量方程的说明：（1）能量守恒是在质量守恒的前提下得到的，即要满足连续条件（2）对无粘和有粘流体均适用（3）离心压缩机中对外的热交换与气体压缩时的比焓变化相比很小，Q0,（4）当气体流过静止通道时，Wtot0,1-2 能量方程,总能量头：,理论能量头,轮阻损失能量头,内漏气损失能量头,热量,机械能,1-3 伯努利方程,1-3 伯努利方程,伯努利方程的说明：一、原动机传给叶轮的总功转换成下列四部分提高气体的静压能提高气体的动能克服气流在级中的流动损失克服内漏气损失和轮阻损失二、对于叶轮,三、对于扩压器,1-4 气体过程和压缩功,一、压缩功,移动功,压送功,压缩功,压送功,压
9、缩功,通风机,1-4 气体过程和压缩功,1、等温压缩（,）,1-4 气体过程和压缩功,2、绝热过程压缩功 （ ）,1-4 气体过程和压缩功,3、多变过程压缩功 （ ）,m =1 , k,1-4 气体过程和压缩功,2、气体压缩过程1、等温压缩,1-4 气体过程和压缩功,2、绝热压缩,1-4 气体过程和压缩功,三、多变压缩,与外界无热交换,与外界有热交换,1-4 气体过程和压缩功,四、不同压缩过程TS图,1-5 级的总耗功和功率,一、无预旋，不考虑轮阻损失和内漏气损失,二、无预旋，考虑轮阻损失和内漏气损失,1-5 级的总耗功和功率,1-6 级中气体状态参数的变化,一、滞止温度和滞止压力1、滞止温度
10、：想象为对外界没有热交换的情况下，流动着的气体不论有无损失，其速度被滞止到零时的温度。,1-6 级中气体状态参数的变化,2、滞止压力：想象为对外界没有热交换的情况下，气体动能无损失地全部转变为压力能时的气体压力。,绝能流和无损失情况下,绝能流和有损失情况下,在绝能流中，不管有无损失，滞止温度不变，而滞止压力则与有无损失有关,1-6 级中气体状态参数的变化,1-6 级中气体状态参数的变化,二、机中气流温度的变化1、in-in 截面1-1截面,2、in-in 截面2-2截面,1-6 级中气体状态参数的变化,3、级中任一截面气流温度,1-6 级中气体状态参数的变化,三、级中气流压力和比容的变化,级效
11、率主要是用来说明传递给气体的机械能的利用程度（压缩功转化程度）,1-7 级效率,1-7 级效率,一、多变效率由压力p1增加到压力p2所需的压缩功与实际所消耗的功之比,二、定熵效率由压力p1增加到压力p2定熵压缩功与实际所消耗的功之比,1-7 级效率,1-7 级效率,三、多变效率与定熵效率的关系,1-7 级效率,四、等温效率由压力p1增加到压力p2等温压缩功与实际所消耗的功之比,实际过程越接近等温过程，压缩机的等温效率越高,1-7 级效率,五、流动效率评价级中气流流动情况的好坏,级效率和压缩级效率均适用，计算所取截面不同而已,1-8 流量及流量系数,在单位时间内通过级的气体流量称为级的通流能力，
12、用qv或qm表示压缩机流量的大小。也可用流量系数表示通流能力,1-8 流量及流量系数,转速预估,从级的流量关系式可知，级的流量取决于通流面积和速度。设计大流量级时可通过增加气流速度和通流面积。 增加气流速度 马赫数很大提高而降低效率 增加通流面积 收到叶轮强度约束当通过叶轮或叶片扩压器叶道最小通流截面积的气流达到声速时，通过级的流量将达到最大滞止值。,1-8 流量及流量系数,1-9 能量头及能量头系数,一、能量头系数 把多变压缩功 或多变能量头 与 的比值称为多变能量头 系数,因为提高圆周速度是提高能量头的有效办法，所以上式表明了能量头系数的大小反映了所给定圆周速度的利用程度。,1-9 能量头及能量头系数,二、轴向旋涡对能量头的影响 无限叶片和有限叶片（流体惯性产生轴向旋涡流） 出口速度三角形，气流出口角减小,1-9 能量头及能量头系数,三、有效通流面积对能量头的影响 粘度边界层有效通流面积缩小径向分速度提高 出口速度三角形， 增加， 减小， 减小,考虑轴向涡流和粘度影响，理论计算周向分速度就有一定的局限性，只能由实验决定。半经验和经验关系式。,第一章 离心式压缩机内部流体流动基础,
