《離心壓縮機(jī)》PPT課件

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1、 氣體在旋轉(zhuǎn)葉輪中的流動與速度三角形 相對速度（ w）：與葉片的 切線方向一致。 牽連速度（ u）： 絕對速度（ c）：圓周速度與 相對速度的合成。 三者之間的關(guān)系可以用速 度三角形表示。 60 2 2 nDu 3.1.2 離心壓縮機(jī)的基本工作原理 3.1.2.1 連續(xù)方程 （ 1）連續(xù)方程的基本表達(dá)式 c o n s tfcqqqq rVV i ninViim 22222 氣體作定常一元流動，流經(jīng)機(jī)器任意截面的質(zhì)量流量相等， 其連續(xù)方程表示為： 方程說明：隨著氣體在壓縮過程中壓力不斷提高，其密度不 斷增大，容積流量沿機(jī)器不斷減小。 式中： qm為質(zhì)量流量 kg/s,qv為容積流量 m3/s,

2、為氣流密度 ,f 為截 面面積 ,c2r為垂直該截面的法向流速 。 （ 2）連續(xù)方程在葉輪出口的表達(dá)式 連續(xù)方程在葉輪出口處的表達(dá)式 ， 反映流量與葉輪幾何 尺寸及氣流速度的相互關(guān)系 。 3 2 2 2 2 2 2 222 60 u nD bqq rVm 式中： D2為葉輪外徑 , b2為葉輪出口處的軸向?qū)挾?, 為葉輪出口的相對 寬度。考慮到葉輪結(jié)構(gòu)的合理性和級效率 ,通常要求 。 為葉輪葉輪出口處的流量系數(shù) ,它對流量、理論能量頭和級效率均 有較大的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的選取范圍，不同類型葉輪取值不同。 2為 葉輪出口的通流系數(shù)（或阻塞系數(shù)）。 2 2Db 065.0025.0 2 2 Db 2

3、 22 u c r r A AA D Z bD ZbZbD 22 2 22 2 2 2 22 22 2 s i n1 s i n 2 s i n 說明：葉論出口連續(xù)方程式常用來校核 各級葉輪選取 的合理性。 2 2Db 表示鉚接葉輪中連接盤、蓋的葉片折 邊；無折邊的銑制、焊接葉輪， =0。 3.1.2.2 歐拉方程 歐拉方程是用來計算原動機(jī)通過軸和葉輪將機(jī)械能轉(zhuǎn)換給流體 的能量，稱為葉輪機(jī)械的基本方程。由流體力學(xué)的動量矩定理 導(dǎo)出，其表達(dá)式： 1122 ucucHL uuthth 也可表示為： 222 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 ccuuHL thth 式中 Lth 為葉輪

4、輸出的歐拉功 ， Hth為每千克流體所接受的能量稱為理論 能量頭 ， 單位是 kJ/kg。 歐拉方程的物理意義： 歐拉方程指出的是葉輪與流體之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系 ， 它遵循 能量轉(zhuǎn)換與守恒定律； 只要知道葉輪進(jìn)出口的流體速度 ， 即可計算出一千克流體與 葉輪之間機(jī)械能轉(zhuǎn)換的大小 、 而不管葉輪內(nèi)部的流動情況； 該方程適用于任何氣體或液體 ， 既適用于葉輪式的壓縮機(jī) ， 也適用于葉輪式的泵； 推而廣之只需將等式右邊各項的進(jìn)出口符號調(diào)換一下 ， 亦適 用于葉輪式的原動機(jī)如汽輪機(jī) 、 燃?xì)廨啓C(jī)等 。 原動機(jī)的歐拉方程為 2211 ucucHL uuuu 葉片數(shù)有限的理論能頭： 軸向旋渦 液體由于存在慣

5、性力， 產(chǎn)生軸向渦流，方向與葉輪轉(zhuǎn)動方 向相反。 結(jié)果 使得相對速度和絕對速度產(chǎn) 生滑移。 無預(yù)旋： 一般情況下氣體是從徑向流入葉道入口，簡稱徑向進(jìn)入葉輪或氣 流無預(yù)旋進(jìn)入葉輪。此時 090 11 uc， 22 ucH uth 有限多葉片相對速度的分布 工作面一側(cè)相對速度小，非工 作面一側(cè)相對速度大。 為此，斯陀道拉提出了計算周向分速的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式： 滑移速度與葉輪結(jié)構(gòu)、葉道中 流動情況及流體性質(zhì)有關(guān)。 滑移系數(shù) 得到有限多葉片的理論能頭的計算公式： 2 2222 2 2222 s i n1 uZc t guucH AAruuth 此方程為離心壓縮機(jī)計算能量與功率的基本方程式。 說明： 主

6、要與葉輪圓周速度有關(guān)、流量系數(shù)、葉片 出口角和葉片數(shù)有關(guān)。 式中： 稱為理論能量頭系數(shù)或周速系數(shù)。 u2 thH 3.1.2.3 能量方程 能量方程用來計算氣流溫度（或焓）的增加和速度的變化。 根據(jù)熱力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，當(dāng)氣體在 級中作穩(wěn)定流動時，取級中任意兩截面 a、 b間 的系統(tǒng)作為考察對象，則對單位質(zhì)量氣體有： 22 202000202000 cchhccTTcqL pth 能量方程的物理意義： 能量方程是既含有機(jī)械能又含有熱能的能量轉(zhuǎn)化與守恒方程 ， 它 表示由葉輪所作的機(jī)械功 ， 轉(zhuǎn)換為級內(nèi)氣體溫度 （ 或焓 ） 的升高和 動能的增加； 該方程對有粘無粘氣體都是適用的 ， 因?yàn)?/p>

7、對有粘氣體所引起的能 量損失也以熱量形式傳遞給氣體 ， 從而使氣體溫度 （ 或焓 ） 升高； 離心壓縮機(jī)不從外界吸收熱量 ， 而由機(jī)殼向外散出的熱量與氣體 與氣體的熱焓升高相比較是很小的 ， 故可認(rèn)為氣體在機(jī)器內(nèi)作絕熱 流動 ， 其 q=0； 該方程適用任一級，也適用于多級整機(jī)或其中任一通流部件，這 由所取的進(jìn)出口截面而定。 例如對于葉輪而言，能量方程表示為 對于擴(kuò)壓器而言，能量方程表示為 22 2 1 2 2 12 2 1 2 2 12 cchhccTTcH pth 22 2 4 4 2 3 3 cTccTc pp 對任意截面而言，能量方程表示為 由此可以得到溫差的計算公式： 3.1.2.4

8、 伯努利方程 應(yīng)用該方程將流體獲得的能量區(qū)分為有用能量和能量損失，并 引入壓力參數(shù)，表示出壓力的增加，將機(jī)械功與級內(nèi)流體壓力 升高的靜壓能聯(lián)系起來，其表達(dá)式為： 00 2 0 2 00 0 2 h y dthth H ccdpHL 式中 為級進(jìn)出口靜壓能頭的增量 , 為級內(nèi)的流動損失 。 00 dp 00 hydH 上式根據(jù)熱力學(xué)第一定律和能量方程推導(dǎo)求得。 假設(shè)氣體在某流道中由界面 a向界面 b作穩(wěn)定流動，并在這股氣流上建立動 坐標(biāo)系，由于氣流與外界無質(zhì)量交換，可看作封閉的熱力系統(tǒng)，則得到： baabab dphhq 實(shí)際上，氣體是相對靜止坐標(biāo)系流動，有氣體進(jìn)、出界面的開口熱力系統(tǒng)。 因此，

9、單位質(zhì)量氣體從界面 a流向界面 b實(shí)際得到的熱量應(yīng)包括兩部分：一 是從系統(tǒng)外傳入的熱量，二是由于氣體的流動所有的能量損失轉(zhuǎn)化的熱量， 即： 如果考慮內(nèi)漏氣損失和輪阻損失 ,上式表示為 00 2 0 2 00 0 2 l o s st o tt o t H ccdpHL 式中 為葉輪消耗的總功 , 為級內(nèi)每千克氣體獲得的總 能量頭 , 為級中總能量損失 。 totL tot H 00 lossH )1( dflthdfltht o t HHHHH )1( dfltht o t HH 葉輪對每千克有效氣體的總耗功（總能量）為 。稱輪阻損失系數(shù)，一般 ；般稱內(nèi)漏氣損失系數(shù)，一式中，令 13.002.

10、0/ 05.0005.0/ HqN qq dfthmdfdf lmmll 伯努利方程的物理意義 : 通用伯努利方程也是能量轉(zhuǎn)化與守恒的一種表達(dá)式 ,它表示葉 輪所做機(jī)械功轉(zhuǎn)換為級中流體的有用能量 (靜壓能和動能增加 ) 的同時 ,由于流體具有粘性 ,還需付出一部分能量克服流動損失 或級中所有的損失； 它建立了機(jī)械能與氣體壓力 p、 流速 c 和能量損失之間的相互 關(guān)系； 該方程適用一級，亦適用于多級整機(jī)或其中任一通流部件，這 由所取的時出口截面而定 ； 對于不可壓流體 ， 其密度 為常數(shù) ， 則 可直接 解出 ， 因而對輸送水或其他液體的泵來說應(yīng)用伯努利方程計算 壓力的升高是十分方便的 。 而

11、對于可壓縮流體 ， 還需知道 p=f （ ） 的函數(shù)關(guān)系及熱力學(xué)基礎(chǔ)知識才可解決 。 12 2 1 ppdp 對于葉輪而言： phyth H ccdpH d i m 2 1 2 22 1 2 或 l o s s i m pth H ccdpH 2 2 1 2 22 1 對于某一固定部件，如擴(kuò)壓器 h y d d i fH dpcc 4 3 2 4 2 3 2 3.1.2.4 壓縮過程與壓縮功 11 1 1 2 1 2 1 m m p o lp o l i p pRT m mHL M Wdp 根據(jù)熱力過程不同，確定每千克氣體所獲得的壓縮功，即有 效能量頭。 對于多變過程，則多變壓縮功為 式中 稱

12、為多變壓縮有效能量頭 ， 簡稱為多變能量頭 。 polH 能量頭系數(shù) ：能量頭與 之比，那么多變能量頭系數(shù)表示為 22u H pol pol 或 2 2uH p o lp o l 22u 多變能頭系數(shù)的大小，表示葉輪圓周速度用來提高氣體壓力比的能量利用 程度。 3.1.3 級內(nèi)的各種能量損失 級中能量損失包括三種：流動損失、漏氣損失、輪阻損失 3.1.3.1 級內(nèi)的流動損失 （ 1）摩阻損失 產(chǎn)生原因 ：流體的粘性是根本原因。從葉輪進(jìn)口到出口有流 體與壁面接觸，就有邊界層存在，就將產(chǎn)生摩阻損失。 大小 ： 2 2 m hm f c d lH 為摩阻系數(shù) ，是 Re與壁面粗糙 度的函數(shù)。 通常離

13、心壓縮機(jī)中氣流的 Re大于臨界雷諾數(shù)， 在一定的相對粗糙度下， 是常數(shù)，則 hf與 qv2成正比。 Df Re, 減小措施： （ 2）分離損失 產(chǎn)生原因： 通道截面突 然變化，速度降低，近 壁邊界層增厚，引起分 離損失。 大小： 大于沿程摩阻損 失。 86 8.16.1 11 22 2 1 ff 受流道形狀、壁面粗糙度、氣流雷諾數(shù)、氣體湍流程度影響。 減少措施： 控制通道的當(dāng)量擴(kuò)張角 ； 控制進(jìn)出口的相對速度比 （ 3）沖擊損失 產(chǎn)生原因： 流量偏離設(shè)計工況點(diǎn)，使得葉輪和葉片擴(kuò)壓器的 進(jìn)氣沖角 i0，在葉片進(jìn)口附近產(chǎn)生較大的擴(kuò)張角，導(dǎo)致氣流 對葉片的沖擊，造成分離損失。 減少措施： 控制在設(shè)計

14、工況點(diǎn)附近運(yùn)行；在葉輪前安裝可轉(zhuǎn) 動導(dǎo)向葉片。 大?。?采用沖擊速度來表示，正沖角損失是負(fù)沖角損失的 10 15倍。 11 Ai其中進(jìn)氣沖角 （ 4）二次流損失 產(chǎn)生原因 ：葉道同一 截面上氣流速度與壓 力分布不均勻，存在 壓差，產(chǎn)生流動，干 擾主氣流的流動，產(chǎn) 生能量損失 。 在葉輪和彎道處急劇 轉(zhuǎn)彎部位出現(xiàn)。 減少措施 ：增加葉片數(shù)，避免急劇轉(zhuǎn)彎。 大小 ：葉道的彎曲，氣流速度方向的變化急劇與否。 （ 5）尾跡損失 產(chǎn)生原因 ：葉片尾部有一定厚度，氣體從葉道中流出時， 通流面積突然擴(kuò)大，氣流速度下降，邊界層發(fā)生突然分離， 在葉片尾部外緣形成氣流旋渦區(qū)，尾跡區(qū)。尾跡區(qū)氣流速 度與主氣流速度、

15、壓力相差較大，相互混合，產(chǎn)生的能量 損失。 減少措施 ：采用翼型 葉片代替等厚葉片； 將等厚葉片出口非工 作面削薄。 大小 ：與葉道出口速 度，葉片厚度及葉道 邊界層有關(guān)。 3.1.3.2 漏氣損失 （ 1）產(chǎn)生漏氣損失的原因 存在間隙；存在壓力差。 出口壓力大于進(jìn)口壓力，級出口壓力 大于葉輪出口壓力，在葉輪兩側(cè)與固 定件之間的間隙、軸端的間隙，產(chǎn)生 漏氣，存在能量損失。 密封型式：機(jī)械密封，干氣密封，浮環(huán)油膜密封，梳 齒密封 （ 2）密封件的結(jié)構(gòu)形式及漏氣量的計算 結(jié)構(gòu)形式： 在固定部件與輪蓋、隔板與軸套、軸的 端部設(shè)置密封件，采用梳齒式（迷宮式）密封。 工作原理：利用節(jié)流原理。 減小通流截

16、面積，經(jīng)多次節(jié) 流減壓，使在壓差作用下的 漏氣量盡量減小。即通過產(chǎn) 生的壓力降來平衡密封裝置 前后的壓力差。 密封特點(diǎn)：非接觸式密封， 有一定的泄漏量。 設(shè)計中應(yīng)注意： 減小齒逢間隙； 增加密封齒數(shù)； 加大齒片間的空 腔和流道的曲折 程度。 漏氣量計算： 漏氣量大小取決于裝置前后壓力差 、 密封結(jié)構(gòu)型 式 、 齒數(shù)和齒縫間隙截面積 。 分兩種情況計算： 由連續(xù)方程和伯努利方程可知通過齒頂間隙的漏氣量 ， 1）軸封處向機(jī)外泄漏的外泄漏，其大小取決于裝置前后壓力 差。 如果密封裝置前后壓力差小，氣體流過齒縫的速度低于音速， 這時利用不可壓縮流體計算漏氣量。 aa baba ml VZp ppppD

17、sq 如果壓力差比較大 （ 即達(dá)到某一臨界值 ） ， 最后一個齒縫間 隙的氣速達(dá)到臨界音速 ， 使裝置發(fā)生堵塞工況 ， 漏氣不再隨裝 置前后壓力差的增大而增加 ， 則最后一個齒縫間隙中的氣體比 容最大 ， 最先達(dá)到音速 。 流速達(dá)到臨界音速時 ， 漏氣量計算 a a ml V p BZ Dsq 2 11 1 式中為流量修正系數(shù) ， 一般 ， 為齒頂間隙處的通流 面積 ， Z為密封齒數(shù) ， 下標(biāo) a、 b為密封前 、 后的幾何位 置 。 ， k為等熵指數(shù) ， 如空氣的等熵指數(shù) k=1.4,B=0.684。 73.067.0 1 1 1 2 1 2 k kk kB 臨界壓力比的確定： 112 1

18、21 ZBk k k cr 2） 輪蓋密封的漏氣量及漏氣損失系數(shù) 輪蓋密封處的漏氣能量損失使葉輪多消耗機(jī)械功，它應(yīng)包括在 葉輪所輸出的總功之內(nèi)，應(yīng)單獨(dú)計算。 因單級葉輪所能達(dá)到的增壓不大，一般達(dá)不到臨界壓力比。 應(yīng)用式 （ 3-23） 并根據(jù)實(shí)驗(yàn)與分析簡化 ， 可得輪蓋密封處的漏氣量為 2 2 1 2 14 3 D D ZuDsq mml 若通過葉輪出口流出的流量為 ， 則可求得輪蓋處的漏氣損失系數(shù)為 m r m ml l D b D D ZD s D D q q 2 2 2 2 2 2 2 1 22 1 4 3 式中一般取， Z=4 6齒，齒頂間隙 ， 。該漏氣損失系 數(shù)在計算總能量頭時，將

19、會被用到。 mms 4.0 2 2 V Vin m 3.1.3.3 輪阻損失 產(chǎn)生原因 葉輪旋轉(zhuǎn)，輪蓋、輪盤的外緣和輪緣與周圍的氣體發(fā)生摩擦，產(chǎn) 生的損失 大?。?與輪盤的粗糙度，相對側(cè)隙及雷諾數(shù)有關(guān)。 利用等厚度圓盤在水中作低速旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，分析計算得輪阻損失功 率為： 2 2 2 3 2 2 51 1 0 0 D eDuKN df 對于離心葉輪，得到： 2 2 2 3 2 2 51 10054.0 D eDuN df 得到輪阻損失系數(shù) df 2 2 222 2222222 2 2 3 2 2 1 0 0 0 1 7 2.01 0 0 54.01 0 0 01 0 0 0 D bcubDc D

20、u Hq N ur urthm df df 3.1.4 多級壓縮機(jī) 3.1.4.1 采用多級串聯(lián)和多缸串聯(lián)的必要性 壓縮機(jī)運(yùn)行安全， 設(shè)計合理。 對于要求增壓比或 輸送輕氣體的機(jī)器 需要兩缸或多缸串 聯(lián)起來形成機(jī)組。 多級串聯(lián)理由： 壓縮機(jī)壓比高 而單級壓力比低，需采用多級壓 縮； 多缸串聯(lián)的理由： 3.1.4.2 分段與中間冷卻以減少耗功 降低氣體的溫度，節(jié)省功率，采用分段中間冷卻器。 如果段數(shù)為 N，則中間冷卻器的個數(shù)為 N-1個。 經(jīng)過各段間冷卻器存在壓力損失；中間冷卻器和管道的阻力降， 加大功率消耗。因此，要合理選擇壓縮機(jī)的段數(shù)。 考慮壓縮機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、冷卻器的布置、輸送冷卻水的泵耗

21、功、設(shè)備成本與環(huán)境條件等綜合因素。 采用分段冷卻要考慮下列因素： 滿足用戶的要求 o被壓縮介質(zhì)的特性屬于易燃 、 易爆 （ 如 H2、 O2等 ） 則段出口的 溫度宜低一些 ， 對于些某化工氣體 ， 因在高溫下氣體發(fā)生不必 要的分解或化合等化學(xué)變化 ， 或會產(chǎn)生并加速對機(jī)器材料的腐 蝕 ， 這樣的壓縮機(jī)冷卻次數(shù)必需多一些 。 o用戶要求排出的氣體溫度高 ， 以利于化學(xué)反應(yīng) （ 由氮?dú)浠仙?成氨 ） 或燃燒 ， 則不必采用中間冷卻 ， 或盡量減少冷卻次數(shù) 。 段數(shù)確定后，根據(jù)總耗功最小的原則，確定每一段的最佳壓 力比。 3.1.4.3 級數(shù)與葉輪圓周速度和氣體分子量的關(guān)系 （ 1）減少級數(shù)與葉

22、輪 圓周速度 關(guān)系 葉輪材料強(qiáng)度的限制 不同材料對圓周速度的限制不同 。 葉輪馬赫數(shù)的限制 氣流的 升高 ， 級效率下降 、 性能曲線變陡 、 工況范圍變窄 。 葉輪相對 寬度 的限制 相對寬度變小 ， 造成效率下降 。 21 cw MM 和 減少級數(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊。為滿足要求，需提高葉輪的圓周速度。 （ 2） 級數(shù)與氣體分子量的關(guān)系 氣體分子量對馬赫數(shù)的影響 ininin u kT u R k T u c u M R 8315 8315 222 2 而機(jī)器馬赫數(shù) 由于氣體常數(shù) 因此，壓縮重氣體應(yīng)主要考慮馬赫數(shù)的影響，限制了 u2的提 高，不考慮葉輪材料的影響；反之，壓縮輕氣體，應(yīng)主要考 慮葉輪材

23、料強(qiáng)度的影響。 氣體分子量對所需對所需壓縮功的影響 1 1 831 5 1 polk k p o linp o lp o l k kTHL polk k m m 11 由 多變壓縮功表示為： 說明：多變壓縮功的大小與氣體的分子量和等熵指數(shù)有 關(guān)，尤其是 對多變壓縮功的影響較大，因此要達(dá)到同樣 的壓力比，壓縮重氣體時，所需的級數(shù)少。 3.1.5 功率與效率 3.1.5.1 單級總耗功、功率和效率 （ 1） 單級總耗功、總功率 考慮葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中所消耗的功，故一個葉輪對 1kg氣體的總耗功為： kgkJHHHHHL thdfldfltht o tt o t /1 則流量為 的總功率為： mq k

24、WHqHqN thmdflt o tmt o t 1 對于閉式后彎型葉輪， 一般 。 總能量頭分配如圖所示。 04.002.0 dfl （ 2）級效率 按照不同的定義 ， 級效率有以下幾種 ， 分述如下： 多變效率 是級中的氣體由 升高到 所需的多變壓縮 功與實(shí)際總耗功之比 ， 表示為 21 1 1 2 0 2 0 00 1 0 0 0 cc TT k kR p p RT m m H H L L m m t o t p o l t o t p o l p o l pol 0p 0p 通常 ,因而有 00 cc 1 1 1 )( 1 00 00 k k m m TTR k k TTR m m p

25、 o l 該式得出，已知多變效率，則可算出多變指數(shù)，反之亦然。 同理：等熵效率與等溫效率分別是氣體由壓力 升高到 所需等 熵壓縮功或等溫壓縮功與實(shí)際總消耗功之比。 0p 0p （ 3） 多變能量頭系數(shù) 由多變能量頭系數(shù)定義得： poludflt o tpolpolpol u HuH 22 2 2 2 1 上式表明：多變能量頭系數(shù)與葉輪的周速系數(shù)、多變效率、漏 氣損失系數(shù)和輪阻損失系數(shù)的相互關(guān)系。 在比較效率的高低時，應(yīng)在相同條件下比較并注意： 與所指的通流部件的進(jìn)出口有關(guān)。 與特定的氣體壓縮熱力過程有關(guān)。 與運(yùn)行工況點(diǎn)有關(guān)。 通常使用較多的是級的多變效率，其由級的性能實(shí)驗(yàn)獲得，或 由與其相似的

26、模型級性能實(shí)驗(yàn)獲得，或由產(chǎn)品性能的資料獲得。 效率值的大小也間接反映了能量損失多少的問題。 3.1.5.2 多級離心壓縮機(jī)的功率和效率 （ 1） 多級離心壓縮機(jī)的內(nèi)功率 多級離心壓縮機(jī)所需的內(nèi)功率可表示為諸級總功率之和 ， 即： kWuqHqN iuidfM i lmt o tmi i 2 22 1 )1( （ 2） 多級離心壓縮機(jī)的效率 多級離心壓縮機(jī)的效率通常指的是內(nèi)效率 ， 而內(nèi)效率是各級效 率的平均值 。 對于帶有中間冷卻的機(jī)器有時還用等溫效率 。 i in o u t inm T N p pRTq ln 等溫效率： （ 3） 機(jī)械損失、機(jī)械效率和軸功率 機(jī)械損失 在軸承、密封、聯(lián)軸器

27、以及齒輪箱中所引 起的機(jī)械摩擦損失。 mN 軸功率 原動機(jī)傳遞給壓縮機(jī)軸端的功率 ， 它表示為 kWNNNN m i miz zN 為機(jī)械效率，其一般隨內(nèi)功率的增大而升高，與傳動形式有關(guān)。 m （ 4） 原動機(jī)的輸出功率 選擇電機(jī)時，應(yīng)留有足夠的余量，以保證機(jī)器的安全運(yùn)行， 故選取原動機(jī)的額定功率一般為： ze NN 3.1 3.2 性能、調(diào)節(jié)與控制 3.2.1 離心壓縮機(jī)的性能 3.2.1.1 性能曲線、最佳工況點(diǎn)與穩(wěn)定工作范圍 （ 1） 性能曲線（特性曲線） 在一定轉(zhuǎn)速和進(jìn)口條件下的壓力 比與流量、效率與流量的性能曲 線。 離心壓縮機(jī)工作性能最主要的參 數(shù)是壓力比、效率和流量。為將 其工作

28、性能形象表示出來，一般 以曲線的形式表示，就得到了壓 縮機(jī)的性能曲線。 性能曲線由實(shí)驗(yàn)確定。 工況點(diǎn) 級的性能曲線的形成 2 2 22222 2 2 1 1 2 u ukbD c tgq H c HHH v Av i nl th h y dthpol 而 當(dāng)級一定、轉(zhuǎn)速一定，則無限多葉 片理論能頭與葉輪入口容積流量成 直線關(guān)系。那么對于有限多葉片理 論能頭與葉輪入口容積流量仍成直 線關(guān)系。 對于流動損失，由于無法定量計算， 因此：按摩阻損失對待 并考慮變工況下的沖擊損失 2 2 2 in m hm h y d Bq c d lH 得到了性能曲線 Hpol qin，但這一曲線在只在壓縮機(jī)設(shè)計 中

29、使用 而工程應(yīng)用中采用更為直觀的 qin曲線。 經(jīng)換算得： i pol RT H 1 換算得到的 qin曲線和 Hpol qin曲線形狀相似。 性能曲線的一般特點(diǎn)： 隨流量的減小，壓縮機(jī) 提供的壓力比將增大。 在最小流量時，達(dá)到最 大。流量和壓力比的關(guān) 系是一一對應(yīng)的，流量 與其他參數(shù)的關(guān)系也是 一一對應(yīng)的。 流量有最大和最小兩個 極限流量；排出壓力也 有最大值和最小值。 效率曲線有最高效率點(diǎn)， 離開該點(diǎn)的工況效率下 降很快。 功率曲線一般隨流量增加而向上傾斜，但當(dāng)壓力比 流量曲線 向下傾斜很快時，功率曲線可能先向上傾斜而后逐漸向下傾斜。 （ 2）最佳工況點(diǎn) 性能曲線上的效率最高點(diǎn)稱為最佳工況

30、點(diǎn)， 一般是該機(jī)器設(shè)計計算的工況點(diǎn)。 （ 3）不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線 因理論能頭正比于轉(zhuǎn)速的平方， 同一臺壓縮機(jī)壓縮同一種介質(zhì)、 在同樣的進(jìn)氣條件，高轉(zhuǎn)速的 曲線在上方。 喘振曲線 等效率曲線 高轉(zhuǎn)速時喘振流量大于低轉(zhuǎn)速 的喘振流量。 3.2.1.2 壓縮機(jī)的喘振與堵塞 （ 1）壓縮機(jī)喘振的機(jī)理 旋轉(zhuǎn)脫離 流量減小 邊界層分離 旋轉(zhuǎn)脫離 壓縮機(jī)喘振 流量進(jìn)一步減小 脫離團(tuán)阻塞葉道 出口壓力顯著下降 倒流 整個壓縮機(jī)系統(tǒng)發(fā)生周期性的低頻大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象，就稱 為喘振。 現(xiàn)象：級進(jìn)出口參數(shù)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動，葉片振動，機(jī)器噪音增大。 喘振的內(nèi)因：流量過小，小于壓縮機(jī)的最小流量，導(dǎo)致機(jī)內(nèi)出 現(xiàn)嚴(yán)重的氣體

31、旋轉(zhuǎn)脫離； 喘振的外因：管網(wǎng)有一定容積，且壓力高于壓縮機(jī)的排壓，造 成氣流倒流，產(chǎn)生大幅度的氣流脈動。脈動的頻率和振幅與管 網(wǎng)容量有關(guān)。 （ 2）喘振的危害 壓縮機(jī)性能惡化，壓力、效率降低； 出現(xiàn)異常噪聲、吼叫和爆音； 機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈振動，使得壓縮機(jī)的軸承、密封損壞，轉(zhuǎn)子和 固定部件發(fā)生碰撞，造成機(jī)器嚴(yán)重破壞。 喘振原因： 操作者和運(yùn)行人員的要求： 應(yīng)具有備標(biāo)識喘振的壓縮機(jī)性能曲線的能力 ， 隨時了 解壓縮機(jī)工況點(diǎn)處在性能曲線圖上的位置； 運(yùn)行操作從員應(yīng)了解壓縮機(jī)的工作原理 ， 隨時注意機(jī) 器所在的工況位置； 熟悉各種監(jiān)測系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的操作 ， 盡量使機(jī) 器不致進(jìn)入喘振狀態(tài) 。 （ 3）防

32、喘振的措施 降低運(yùn)行轉(zhuǎn)速 ， 可使流量減少而不致進(jìn)入喘振狀態(tài) ， 但出口壓力隨之降低； 在首級或各級設(shè)置導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度 ， 使 流量減少時的進(jìn)氣沖角不致太大 ， 從而避免發(fā)生喘振 。 在壓縮機(jī)出口設(shè)置旁通管道 ， 讓壓縮機(jī)通過足夠的流 量 ， 以防進(jìn)入喘振狀態(tài) 。 在壓縮機(jī)進(jìn)口設(shè)置溫度 、 流量監(jiān)視儀表 ， 出口設(shè)置壓 力監(jiān)視儀表 ， 一旦出現(xiàn)異?；虼窦皶r報警；設(shè)有與 防喘振控制操作聯(lián)動或與緊急停車聯(lián)動 。 系統(tǒng)設(shè)計要求： （ 4）壓縮機(jī)的阻塞工況（最大流量工況） 產(chǎn)生原因： 流量增大，氣流的沖角達(dá)到較大的負(fù)沖角，在葉片工作 面上發(fā)生邊界層分離，葉片做功全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繐p失， 壓力

33、不再升高，僅用于維持在該流量下流動； 在流道最小截面處出現(xiàn)了聲速，邊界層分離區(qū)急劇擴(kuò)大， 壓縮機(jī)達(dá)到了阻塞工況，此時壓力得不到提高，流量不 再增大。 （ 5）穩(wěn)定工作范圍 在性能曲線上，處于喘振工況 和阻塞工況之間的區(qū)域，稱為 穩(wěn)定工作范圍。 衡量壓縮機(jī)性能好壞，除要求 有較高的壓力比和較高的效率 外，還有較寬的穩(wěn)定工作范圍。 說明：級與多級壓縮機(jī)的性能曲線形狀基本一致，但 由于受逐級氣流密度的變化與影響，級數(shù)愈多，壓縮 機(jī)的性能曲線愈陡。喘振流量愈大，阻塞流量愈小， 穩(wěn)定工作范圍愈窄。 3.2.1.3 壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作 （ 1）管網(wǎng)特性曲線 管網(wǎng)特性曲線 :指通過管網(wǎng)的氣體流量與保證這個

34、流量通過管網(wǎng) 所需要的壓力之間的關(guān)系曲線，即 p=f（ qv）曲線。每一種管網(wǎng) 都有自己的特性曲線，其決定于管網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)和用戶要求。有 三種形式： 管網(wǎng)阻力與流量無關(guān)； 可用 表示的二次曲線； 上面兩種形式的混合。 2vAqp （ 2） 壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作 平衡工作點(diǎn) 當(dāng)離心壓縮機(jī)向管網(wǎng)輸送氣體時， 如果氣體流量和排出壓力相當(dāng)穩(wěn) 定（即波動很?。f明壓縮機(jī) 和管網(wǎng)的性能協(xié)調(diào)，處于穩(wěn)定操 作狀態(tài)。 壓縮機(jī)性能曲線與管網(wǎng)性能（阻 力）曲線的交點(diǎn)稱為平衡工作點(diǎn)。 平衡工作點(diǎn)具有的條件： 壓縮機(jī)的容積流量等于管網(wǎng)的進(jìn) 氣量； 壓縮機(jī)提供的排壓等于管網(wǎng)需要 的端壓。 （ 3）平衡工況的穩(wěn)定性 平衡

35、工況 穩(wěn)定工況點(diǎn)與不 穩(wěn)定工況點(diǎn) 穩(wěn)定工況點(diǎn)的判 別： p i pvc o m pvp i pvc o m pv dq dp dq dp dq dp dq dp 不穩(wěn)定穩(wěn)定 通常壓縮機(jī)的喘振 點(diǎn)位于駝峰曲線的 頂點(diǎn)的左支，故曲 線左支不再畫出。 3.2.1.4 壓縮機(jī)的串聯(lián)與并聯(lián) 串聯(lián)：增大氣流的排出壓力； 并聯(lián)：增大氣流的輸送流量。不適于管網(wǎng)阻力較大的系統(tǒng)。 要求：需保證壓縮機(jī)的特性與管網(wǎng)特性相互匹配，防止使用 不當(dāng)出現(xiàn)問題。 串聯(lián)和并聯(lián)操作適 用于流量或壓力需 長時間增加的操作， 在風(fēng)機(jī)或離心泵中 使用普遍，在壓縮 機(jī)不常應(yīng)用。 3.2.3 壓縮機(jī)的各種調(diào)節(jié)方法及特點(diǎn) 調(diào)節(jié)的目的： 使壓縮

36、機(jī)適應(yīng)變工況下操作，保持生產(chǎn) 系統(tǒng)的穩(wěn)定。 調(diào)節(jié)的方法： 等壓調(diào)節(jié)和等流量調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)原理： 設(shè)法改變壓縮機(jī)的性能曲線和改變管網(wǎng)性 能曲線，其實(shí)質(zhì)是改變壓縮機(jī)的工況點(diǎn)。 3.2.3.1 壓縮機(jī)出口節(jié)流調(diào)節(jié) 方法： 調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口管道中節(jié)流閥門的開度。 特點(diǎn)： 改變管網(wǎng)阻力特性曲線； 減小閥門開度，減小流量，反之亦然； 閥門關(guān)小，管網(wǎng)阻力損失增大，系統(tǒng)效率降低； 方法簡單，操作方便。僅在風(fēng)機(jī)和小型壓縮機(jī)上采用。 3.2.3.2 壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié) 方法： 調(diào)節(jié)進(jìn)口管道中閥門開度。 特點(diǎn)： 比出口節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)省功率； 改變壓縮機(jī)性能曲線的位置， 達(dá)到調(diào)節(jié)輸送氣體的流量和壓 力的目的； 壓縮機(jī)性能曲線

37、向小流量方向 移動，使其在更小流量下穩(wěn)定 運(yùn)行。 帶來一定壓力損失使排氣壓力 降低。 簡便常用的方法。 3.2.3.3 采用可轉(zhuǎn)動的進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)（又稱進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)） 方法： 在葉輪之前設(shè)置進(jìn)口導(dǎo) 葉，并用專門機(jī)構(gòu)，使各個葉 片繞自身的軸轉(zhuǎn)動，從而改變 導(dǎo)向葉片的角度，使葉輪進(jìn)口 氣流產(chǎn)生預(yù)旋。 分為正預(yù)旋和負(fù)預(yù)旋。 特點(diǎn)： 改變壓縮機(jī)性能曲線； 經(jīng)濟(jì)性好于進(jìn)出口節(jié)流調(diào)節(jié)； 機(jī)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用不多，一 般只在風(fēng)機(jī)上使用。 3.2.3.4 采用可轉(zhuǎn)動的擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié) 方法： 改變擴(kuò)壓器葉片的進(jìn)口角，適應(yīng)來流角。 特點(diǎn)： 改變壓縮機(jī)性能曲線； 擴(kuò)大了穩(wěn)定工作范圍 喘振流量減小，對于 等壓下調(diào)節(jié)流量有

38、利； 壓力、效率變化小，很 少單獨(dú)使用； 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。 應(yīng)用不多。 3.2.3.5 改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) 方法： 利用原動機(jī)改變轉(zhuǎn)速。 特點(diǎn)： 改變壓縮機(jī)性能曲線位置； 流量和壓力的變化較大，擴(kuò)大了穩(wěn)定工況范圍； 經(jīng)濟(jì)簡便的方法，不增加附加能量損失，不需改變壓縮機(jī)的結(jié) 構(gòu)，但驅(qū)動機(jī)必須是可調(diào)速的。 3.2.3.6 三種調(diào)節(jié)方法的經(jīng)濟(jì)性比較及聯(lián)合采用兩種調(diào)節(jié) （ 1）進(jìn)口節(jié)流、進(jìn)氣預(yù)旋和改變轉(zhuǎn)速比較 改變轉(zhuǎn)速最為經(jīng)濟(jì)。 （ 2）兩種方法聯(lián)合使用 穩(wěn)定工 作范圍 擴(kuò)大。 例如：改變轉(zhuǎn)速和改變擴(kuò)壓器葉片角度 對上述調(diào)節(jié)方法做一綜合比較： 改變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法，經(jīng)濟(jì)性最好，調(diào)節(jié)范圍廣，適用于蒸汽輪 機(jī)

39、、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)。 壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)方法，方法簡單，經(jīng)濟(jì)性較好，且具有一定 的調(diào)節(jié)范圍，在轉(zhuǎn)速固定的壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等采用。 轉(zhuǎn)動進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)范圍較廣，經(jīng)濟(jì)性也好，但結(jié)構(gòu)較 復(fù)雜。 轉(zhuǎn)動擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié)方法，使壓縮機(jī)性能曲線平移，對減小喘振 流量，擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍很有效，經(jīng)濟(jì)性也好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前 該法很少單獨(dú)采用，有時同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法聯(lián)合使用。 出口節(jié)流調(diào)節(jié)方法最簡單，但經(jīng)濟(jì)性最差，目前只在通風(fēng)機(jī)和小 功率的壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)上使用。 同時采用兩種調(diào)節(jié)方法，可取長補(bǔ)短，最有效地擴(kuò)大壓縮機(jī)的穩(wěn) 定工作范圍。 對于離心壓縮機(jī)要保持兩機(jī)流動相似必須具備的條件： 幾何相似： 兩機(jī)通流部件對應(yīng)

40、的線性尺寸之比為常數(shù)，對應(yīng)角 度相等。即 幾何相似是物理現(xiàn)象相似的先決條件。 運(yùn)動相似： 流動過程中兩機(jī)對應(yīng)點(diǎn)的同名速度大小成比例，且 為一常數(shù)，速度方向角相同 。即 實(shí)際上一般只要求葉輪進(jìn)口速度三角形對應(yīng) 相似 就滿足運(yùn)動相 似的要求。 AAAA Lb b D D D D 2211 2 2 2 2 1 1 1111 1 1 1 1 1 1 rr c w w u u c c 可得： 動力相似： 指兩機(jī)對應(yīng)點(diǎn)上作用的同名力大小成比例，且為一 常數(shù)，力的方向?qū)?yīng)相同。 判別動力相似的判據(jù)是動力相似準(zhǔn)數(shù)：表示粘性影響的決定性 準(zhǔn)數(shù)是雷諾數(shù)；表示可壓縮性影響的決定性準(zhǔn)數(shù)是馬赫數(shù)。 在氣體壓縮過程中，氣

41、體參數(shù)的變化受氣體可壓縮性的影響， 隨馬赫數(shù)的增大，其影響愈加顯著。所以，要保持兩機(jī)流動相 似，各對應(yīng)點(diǎn)的馬赫數(shù)應(yīng)相等。為了簡化以不隨工況改變的機(jī) 器特征馬赫數(shù)代替第一級進(jìn)口馬赫數(shù)，即動力相似的條件是兩 機(jī)的特征馬赫數(shù)相等。 熱力相似： 指氣體在兩機(jī)內(nèi)的流動過程中，氣體的熱力過程 相似，即兩機(jī)的氣體等熵指數(shù)應(yīng)相等。 等熵指數(shù)相等是兩機(jī)相似的必需條件。 所以，要保持兩臺離心壓縮機(jī)流動完全相似，必須具備以下相 似條件： 幾何相似； 葉輪進(jìn)口速度三角形相似； 特征馬赫數(shù)相等； 氣體等熵指數(shù)相等。 3.2.2.3 符合相似條件的性能換算 （ 1） 符合相似條件的性能換算（完全相似） 兩臺機(jī)器符合相似條

42、件時，只要知道一臺機(jī)器的性能參數(shù)，就 可應(yīng)用相似換算得到另一臺機(jī)器的性能參數(shù) ： 解決的問題： 將模型機(jī)試驗(yàn)條件下的性能參數(shù)，換算成實(shí)物機(jī)設(shè)計條件時的 性能參數(shù)； 新設(shè)計制造的機(jī)器在產(chǎn)品試驗(yàn)條件下的性能參數(shù)，換算成產(chǎn)品 設(shè)計時的性能參數(shù)。 轉(zhuǎn)速間的關(guān)系： 根據(jù)特征馬赫數(shù)相等，絕熱指數(shù)相等則： inin RT nD TR nD 22 由 in in L RT TRnn 則： 流量間的關(guān)系： in in LL V i n V i n RT TR n n q q 23 根據(jù)進(jìn)口速度三角形相似和幾何相似，容積流量關(guān)系為： in in LLL r r v v RT TR n n u u Ac Ac q

43、q 23 1 12 1 1 1 1 1 1 考慮到進(jìn)氣室流動相似，所以進(jìn)口處容積流量間的關(guān)系 為： polpol 壓力比間關(guān)系 多變效率間關(guān)系 能量頭間關(guān)系 p o lp o l 功率間關(guān)系 in in in in in in L t o tm t o tm t o t t o t RT TR p p TR RT Hq Hq N N 2由 NppRT TRN in in in in L 2則： （ 2） 近似符合相似條件的性能換算 k值相等而 M數(shù)不等的近似性能換算 k值不相等的近似性能換算 按壓縮機(jī)進(jìn)出口比體積比相等的近似性能換算。 保持馬赫數(shù)近似相等的性能換算。 實(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)、模型試驗(yàn)，由

44、于受條件限制，不能保證模型機(jī) 的試驗(yàn)條件與實(shí)物機(jī)的設(shè)計條件完全相符合相似條件，只能滿 足部分相似條件，需補(bǔ)充一些條件，使工況保持近似相似，進(jìn) 行性能換算的過程。 (3)?；O(shè)計 模化設(shè)計： 把一臺已有性能良好的壓縮機(jī)作為樣機(jī) （模型機(jī)），設(shè)計一臺完全相似的新機(jī)器（實(shí)物機(jī)） 的過程。 設(shè)計過程： 選擇合適的模化樣機(jī)和?；c(diǎn)； 確定幾何尺寸的 縮放比 ； 確定新機(jī)器的 轉(zhuǎn)速 ； 確定 功率 ； 根據(jù)模型機(jī)的性能曲線，利用上述符合相似條件的 性能參數(shù)換算有關(guān)公式，得到新機(jī)器的性能曲線。 3.2.2.4 通用性能曲線 通用性能曲線：與運(yùn)行 條件無關(guān)，給符合相似 條件的機(jī)器及按相似條 件組成系列化的所有機(jī) 器均帶來了方便，得到 了廣泛的應(yīng)用。 采用組合參數(shù)來表示 來表示其性能曲線。