1、1 / 4过程流体机械思考题参考解答2 容积式压缩机思考题 2.1 往复压缩机的理论循环与实际循环的差异是什么？过程 理论循环（假设条件） 实际循环（工作过程） 理论参数工作腔内 无(剩)余(间)隙有余隙（阀窝、盖端、环端 3 部分）V0、 、 V工作过程 进气、压缩、排气 三个过程 进气、压缩、排气、膨胀 四个过程进排气过程 无压力损失，压力稳定 有压力损失，压力脉动 p进气过程 与外界无热交换 与外界（气缸壁）有热交 换 T工作过程 无气体泄漏损失 有气体泄漏损失 l工作过程 压缩过程指数恒定 压缩和膨胀过程指数变化 m、n工作介质 理想气体（状态方程（2-6）式） 实际气体（状态方程（2
2、-7）式） Z思考题 2.2 写出容积系数 V 的表达式，并解释各字母的意义。容积系数 V（最重要系数）V 1 （ 1）1 （2-12）n10nsdSpV式中： 相对余隙容积， V 0（余隙容积）/ Vs（行程容积） ； 0.070.12（低压） ，0.090.14（中压） ，0.110.16（高压） ，0.2(超高压)。 名义压力比（进排气管口可测点参数） ， p d / ps p 2 / p1 ，一般单级 34；n 膨胀过程指数，一般 n m（压缩过程指数） 。思考题 2.3 比较飞溅润滑与压力润滑的优缺点。飞溅润滑（曲轴或油环甩油飞溅至缸壁和润滑表面） ，结构简单，耗油量不稳定，供油量难
3、控制，用于小型单作用压缩机；2 / 4压力润滑（注油器注油润滑气缸，油泵强制输送润滑运动部件） ，结构复杂（增加油泵、动力、冷却、过滤、控制和显示报警等整套供油系统油站） ，可控制气缸注油量和注油点以及运动部件压力润滑油压力和润滑油量，适用大中型固定式动力或工艺压缩机，注意润滑油压和润滑油量的设定和设计计算。思考题 2.4 多级压缩的好处是什么？多级压缩优点：.节省功耗（有冷却压缩机的多级压缩过程接近等温过程） ； .降低排气温度（单级压力比小） ；.增加容积流量（排气量，吸气量） （单级压力比 降低，一级容积系数 V 提高） ； .降低活塞力（单级活塞面积减少，活塞表面压力降低） 。缺点：需
4、要冷却设备（否则无法省功） 、结构复杂（增加气缸和传动部件以及级间连接管道等） 。思考题 2.5 分析活塞环的密封原理。活塞环原理：阻塞和节流作用，密封面为活塞环外环面和侧端面（内环面受压预紧） ；关键技术：材料（耐磨、强度） 、环数量（密封要求） 、形状（尺寸、切口） 、加工质量等。思考题 2.6 动力空气用压缩机常采用切断进气的调节方法，以两级压缩机为例，分析一级切断进气，对机器排气温度，压力比等的影响。两级压缩机分析：1 级切断进气节流（实际 1）停止进气排气2 级节流（实际 2） （短暂）排气温度 T2（逐渐）停止进气排气（级间存气） ；活塞力（） ，阻力矩变化。思考题 2.7 分析压
5、缩机在高海拔地区运行气量的变化规律并解释其原因。高海拔地区当地大气压力即吸气压力 ps，若排气压力 pd 不变，则名义压力比，根据（2-12）式和（ 2-11）式，容积系数 V，实际吸气量 Vs0，容积流量 qV。思考题 2.8 一台压缩机的设计转速为 200 r/min，如果将转速提高到 400 r/min，试分析气阀工作情况。定性分析，定量分析难。如压缩机结构参数（行程 s、缸径 D1、阀片尺寸等）不3 / 4变，则容积流量 qV（理论增加一倍） ，使气阀流速和阻力损失（激增） ，进排气频率，阀片启闭速度，阀片撞击阀座程度（加剧） ，阀片寿命（缩短） ，故障概率（增加） 。解决问题需改变结
6、构（缩短行程、减小缸径，增加气阀通道面积等） 。思考题 2.9 画出螺杆压缩机过压缩和压缩不足的指示图，并分析其对压缩机性能的影响。压力比：内压力比（工作腔压缩终压/进气压力） 、外压力比（排气管压 /进气压力）；（图 2-42）内外压力比不相等时指示图。过压缩：内压力比外压力比；欠压缩（压缩不足）：内压力比外压力比；过压缩和欠压缩均增加功耗，等压力比减少功耗。3 离心压缩机思考题 3.1 何谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？级典型结构（图 3-2）：叶轮、扩压器、弯道、回流器，首级（增加吸气管） 、中间级、末级（无弯道、回流器，增加蜗壳） ；叶轮：唯一做功元件。闭式、半开式
7、、双吸式（双面进气） ；后弯（后向）型、径向型、前弯（前向）型；扩压器：能量转换元件（动能压能，气流减速增压） ，无叶（片）型、叶片（有叶）型。思考题 3.2 离心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？离心压缩机特点（与往复式压缩机对比）压缩机 流量 输出压力 转速 结构 体积重量 易损 件 运转 单级压比 级数 热效率 价格制造要求适用 主要问题离心式 大 稳定 高 紧凑 较小 少 可靠 低 多 较低 高 高 大流量中低压不适用小流量往复式 中小 脉动 低 复杂 大 多 故障 多 高 少 高 低 较低中高压中小流量故障维修压力4 / 4脉动优缺点 离心式优、往复式差 离心式差、往复式优 选用条
8、件思考题 3.3 何谓连续方 程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式中 b2/D2和 2r 的数值应在何范围之内？连续方程：质量守恒（流经任意截面流量）qm i qVi in qVin 2 qV2 2 c2r f2 const （3-1）式中：q m 为质量流量，kg/s；q V 为容积流量，m 3/s； 为气流密度；f 为截面面积；c 为法向流速；qm 2 qV2 2 2 2r u2 2 2r （3-2）Dbb3260un式中：D 2 为叶轮外径；b 2 为叶轮出口轴向宽度；b 2 / D2 为叶轮出口相对宽度（0.0250.065） ； 2r 为流量系数（径向叶轮 0.240.40，
9、后弯叶轮 0.180.32， 2A 30 强后弯叶轮 0.100.20 ） ； 2 为叶轮出口通流系数。思考题 3.4 何谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该方程的物理意义。欧拉方程：（叶轮机械基本方程）理论和实用表达式LthH thc 2u u2c 1u u1 （3-4、5）2121c2w式中：L th 为叶轮输出欧拉功；H th 为理论能量头（接受能量/ 单位重流体） ，kJ/kg；物理意义：3 部分能量， （离心力做功转静压能）+（动能增量）+（w 减速转静压能） 。思考题 3.5 何谓能量方程？试写出级的能量方程表达式，并说明能量方程的物理意义。能量方程：（热焓方程）
10、H thcp（T 2T 1） h 2h 1 （T 2T 1）12c21ckR21c（3-12）式中：c p 为定压比热， h 为焓值，k 为绝热指数， R 为气体常数；物理意义：焓值+（动能增量） 。5 / 4思考题 3.6 何谓伯努利方程？试写出叶轮的伯努利方程表达式，并说明该式的物理意义。伯努利方程：（压能损失方程）叶轮功（叶片功） （含流动损失） Hth H hyd 0-0 （3-14）0pd20c总功（全部损失）Htot H loss 0-0 H hydH lH df 0pd20c 020c（3-15）物理意义：（三部分）压能、动能、损失，忽略热交换和位能。思考题 3.7 试说明级内有
11、哪些流动损失？流量大于或小于设计流量时冲角有何变化？由此会产生什么损失？若冲角的绝对值相等，谁的损失更大？为什么？级内流动损失（1）摩阻损失 Hf （ 平均气速） ；（2）分离损失：边界层（c0）分离（回2Vqmc流） ，控制通道扩张角（锥度、扩压度，图 3-8） ；（3）冲击损失（叶轮、扩压器）：（叶轮为例，扩压器类似分析） ；叶轮进气角 1叶片进口角 1A，冲击分离损失（相当于扩张角） ；流量/设计流量 (进气冲角)i 1A 1冲击面 分离区( 漩涡区)损失(相同冲角)原因（小 qV） 正冲角 i0工作面（前面）非工作面（背面） 较大分离区易扩散（设计 qV） 零冲角 i0 无 无 无 损
12、失（大 qV） 负冲角 i0非工作面（背面）工作面（前面） 较小分离区较稳定（4）二次流损失：垂直环流；（5）尾迹损失：叶尖绕流；思考题 3.8 多级压缩机为何要采用分段与中间冷却？分段与中间冷却：分段（冷却、抽气） 、中间冷却（耗功等温过程） 、工艺（排6 / 4温，防腐蚀、分解、化合） 。思考题 3.9 试分析说明级数与圆周速度和气体分子量的关系。级数与叶轮圆周速度 u2 和气体分子量 的关系u2，单级 Lth级数，但叶轮材料强度、气流马赫数 Mw1 和 Mc2、叶轮相对宽度 b2 / D2（范围 0.0250.065）限制 u2（320300 m/s） 。表 3-1介质气体分子量J/(k
13、gK)气体常数R(同压比下所需)多变压缩功Hpol kJ/kg级数圆周速度u2m/s机器（特征）M2 inkT8315材料强度重 F-11 136.3 16.97 1 186 限制 u2 影响小轻 H2 2 1319.45 32 280 影响小 限制 u2思考题 3.10 示意画出级的总能量头与有效能量头和能量损失的分配关系。（图 3-14）H totH thH l HdfH pol( )/2H hydH lH df20c说明：H totH thH polH hydH dfH l( )/2思考题 3.11 何谓级的多变效率？比较效率的高低应注意哪几点？比较效率注意：(教材 )通流进出口（单级
14、0-0、整机多级 in-out） ；(教材)热力过程（多变、等熵、绝热） ；(教材) 设计工况点（最佳效率） ； 常用（多变效率） pol ； （多级）整机效率 （各级平均内效率） ，含分段中间冷却等作用；判别：同效率 对比（优） ，知某 算总功 Htot 或 Ni 对比（H tot或 Ni优） 。思考题 3.12 若已知级的多变压缩功和总耗功，尚须具备什么条件可求出级的能量损失和级内的流动损失？由(3-32)(3-15) 式（级能量损失） HhydH lH dfH tot( )20c/2H pol（1H pol/Htot） Htot（1 pol）H tot7 / 4由(3-14)式（级内流动
15、损失）H hydH th( )/2 Hpol（1H pol/Hth）20cHth（1 hyd）H th1(1 l df)polHtot/(1 l df)式中：流动效率 hydH pol/Hth（1 l df） pol，c 0c 0、H l 为漏气耗功、H df为轮阻耗功。另有：多变能头系数 pol hyd 2u（1 l df） 2u pol （3-36）求级能量损失和级内流动损失须知 pol、 （ l df） 、以及（准确）( )/2；多变20c效率 pol 反映级能量损失大小，流动效率 hyd 反映级内流动损失大小。思考题 3.13 何谓离心压缩机的内功率、轴功率？试写出其表达式，如何据此选
16、取原动机的输出功率？多级功率（3-37 式）总内功率 Ni 机械损失 Nm机械效率 m（9698）（3-39式）轴功率 Nz功率增量 30（3-40 式）原动机功率 Ne。思考题 3.14 如何计算确定实际气体的压缩性系数 Z？实际气体压缩性系数 Z计算：范德瓦尔对比态方程（对应态原理） ， （3-41）式，压缩性系数 Zf （对比参数 pc、T c） 。思考题 3.15 简述混合气体的几种混合法则及其作用。实际混合气体法则：凯法则（局限性） 、徐忠法则（精确度） 、极性物质混合法则。思考题 3.16 示意画出离心压缩机的性能曲线，并标注出最佳工况点和稳定工况范围。性能曲线性能参数关系，列表、
17、曲线和方程 3 种表示方法，有级（机）性能曲线，图 3-15、图 3-16。特点：曲线（主要 3 条）：压比 q Vin 流量或压力 pq Vin、多变效率 pol qVin、功率 Nq Vin；形状：q Vin 为 形、 polq Vin 为形、Nq Vin为形（有 max 点） ； 最佳工况点： max 设计工况；极限（危险）工况：最小 qVin（喘振）最大 qVin（堵塞） ；稳定工作范围：极限工况之间；来源：试验测试；要求： max，稳定工作范围（宽） ；多级（机）特性：（与单级对比）( qVin)max、(q Vin)min，稳定工作范围 （窄） ，曲线斜度（更陡峭） 。8 / 4思
18、考题 3.17 简述旋转脱离与喘振现象，说明两者之间有什么关系？说明喘振的危害，为防喘振可采取哪些措施？喘振工况现象：流量个别叶道产生漩涡（边界层分离）“旋转脱离” （叶道漩涡区逆向转动）流量大部叶道堵塞（旋转脱离漩涡团）出口压力 p管网气流倒流出口压力 p管网正流供气流量反复倒流正流喘振工况；危害：强烈振动、噪声、性能（p、）下降、轴承和密封损坏、转子定子碰撞机器严重破坏；特点：旋转脱离频率、振幅、影响叶片，管网影响较小；喘振频率、振幅、机组管网影响极大；防喘振措施：出口降压（放空、旁路回流） ，调节（变速、预旋(导叶)、气量、停机） ，监测（q Vin、 p） ；思考题 3.18 试简要比
19、较各种调节方法的优缺点。调节方法 原理 变特性 措施 优点 问题 经济 性 应用出口节流调节节流管特性斜率 管 阀门简单方便流动损失 差常备不常用进口节流调节 节流 机 阀门简便省功qVmin节流损失 好 常用可调进口导叶进气预旋c1u(Hth) 机可调导叶经济性好机构复杂 很好轴流机常用可调扩压器叶片调进口角3A 机可调导叶改善喘振qVmin机构太复杂 较好 不常用变速调节 平移机特性 机 变速驱动连续调节经济性需变速驱动机最佳 常用9 / 4最好思考题 3.19 离心压缩机的流动相似应具备哪些条件？相似理论有何用处？相似条件：几何（尺寸）相似、运动（进口速度）相似、动力相似（重力、粘滞力、
20、压力、弹性力、惯性力等相似、准数 Re、E u、M 相等） 、热力相似（热力过程相似，k、m、 pol 相等） ；离心压缩机流动相似条件：几何相似、叶轮进口速度相似、特征马赫数 M2uM 2u、等熵指数 kk；应用：新型设计、模化试验（同机性能换算）、相似换算（不同机性能换算） 、产品系列化（通用标准化） ；性能换算：完全相似换算（比例参数转速 n、流量 qV、功率 N 和相等参数压比 、效率 、系数 ，3-5459 式） ；近似相似换算（特征 MM，或 kk ） 。思考题 3.20 离心压缩机有哪些附属系统？它们分别起什么作用？它们由哪些部分组成？管网系统：输送，含管道、阀门、过滤器、消声器
21、等；增（减）速设备：传动，齿轮变速箱；油路系统：润滑，管道和油站（油泵、油箱、过滤、冷却、仪表等） ；水路系统：冷却，含冷却器、管道、阀门、水箱等；检测系统：调节控制，信号检测（传感器、仪表） 、传输（电缆） 、处理（计算机） 、记录（显示）等。思考题 3.21 何谓转子的临界转速？采用什么方法汁算它？工作转速如何校核？临界转速：（转子弯曲振动）固有频率转速，1 阶 nc1、2 阶 nc2、n 阶 ncn 等，主要考虑前 3 阶；计算方法：传递矩阵法(初参数法，精确解)、能量（瑞利）法(近似计算) 、特征值法( 求固频) 、影响系数法( 求强迫振幅 )；校核条件：（3-60）刚性转子n0.75
22、n c1；（ 3-61）柔性转子 1.3nc1n0.7n c2。思考题 3.22 转子的轴向推力是如何产生的？采用什么措施平衡轴向推力？为防止转子轴向窜动，对轴向推力及轴承有什么要求？轴向力：叶轮两侧压差、流体轴向动量差，方向指向叶轮入口；轴向力平衡措施：叶轮对排（对称平衡） 、双吸（双面进气）叶轮、叶轮背叶片（背压） 、平衡盘（末级叶轮后，盘前高压，盘后引入口低压，反向平衡力） ；防轴向串动要求：止推轴承、保留（30008000 N）轴向力、 （设置轴向）位移限制器、监测（轴向）位移。思考题 3.23 何谓滑动轴承的动态特性？何谓油膜振荡？哪几种滑动轴承具有抑振10 / 4特性？滑动轴承特性
23、：静态特性，轴颈中心稳定（偏心距 e 和偏位角 不变） ， （油压、油量、承载、阻力、温升） ；动态特性，轴颈中心涡动（e 和 变化，径向速度和涡动角速度 ） ；半速涡动：涡动角速度 涡 1/2 （转子角速度） ，同dtedt方向持续，振幅较小； .收敛（阻尼力推动力） ； .稳定（等功，轴心椭圆轨迹） ；.发散（阻尼力推动力） ；油膜振荡：（涡动角速度） 涡 n c1（1 阶临界转速） ，频率保持，振幅极大；（油膜振荡）防止方法：转子（转子刚度、n c1、n 工作 ，n 工作 2n c1） ，轴承（抑振轴承） ；抑振轴承：原理（双多油楔、自调整、动压收敛） （图 3-41）椭圆轴承、多油叶（
24、不对称三油叶 Three Lobe）轴承、多油楔（四油楔）轴承、可倾瓦 Tilting Pad（活支五瓦块）轴承、垫块式止推轴承等。思考题 3.24 有哪几种轴端密封？试简述它们的密封原理和特点。机械密封：动静环，径向间隙（轴面）密封轴向间隙（端面）密封，效果、寿命好，成本高，替代填料；液膜（浮环）密封：浮动径向间隙密封（液体润滑）双端面密封，封液（气压）强制向内外输送（回收） ；干气（气膜）密封：动静环动环开槽( 旋转 )气体动压 端面间隙气封（润滑） ，启动、装配、振动问题；离心压缩机：状态监测干气密封工业实用保证（解决重大技术问题） 。思考题 3.25 试简述选型的基本原则，为何要确定经
25、常运行的工况点？技术指标：参数 qV、N，工作点（余量） 、变工况（调节） 、安全（振动、装配） ；经济指标：价格、生产（周期） 、寿命、备件、维护（技术）等；其他：管网（系统） 、原动机、仪表（监测） 、控制（调节） 、安装、场地等。确定经常运行工况点：节能（高效点） 、安全（防喘振、堵塞） 、变工况（余量 qV15、p26，性能换算） 。qV in计算 （1.011.05）q Vin （3-72）计算 p in（1.021.06）p/p in （3-74）思考题 3.26 有哪几种选型分类？为何按流量选型？为何按结构分类？选型分类：流量、压力、介质特点、结构型式；流量选型原因：不同流量要求不同结构形式（回转、活塞、离心、轴流） 、叶轮型式（普通、三元） ；结构分类原因：
