第三章 离心式压缩机3.1 离心式压缩机概述3.2 基本方程式3.3 级内的各种流量损失3.4 多级压缩3.5 功率与效率3.6 性能与调节3.7 相似理论的应用3.8 主要零部件及辅助系统3.9 安全可靠性3.10 选型3.1 离心式压缩机概述3.1.1 3.1.1 发展概况发展概况3.1.2 3.1.2 工作原理工作原理3.1.3 3.1.3 工作过程与典型结构工作过程与典型结构3.1.4 3.1.4 级的结构与关键截面级的结构与关键截面3.1.5 3.1.5 离心压缩机特点离心压缩机特点3.1.6 3.1.6 适用范围适用范围3.1.1 3.1.1 发展概况发展概况离心式压缩机是透平式压缩机的一种。早期只用于压缩空气，并且只用于低、中压力及气量很大的场合。目前 离心式压缩机可用来压缩和输送化工生产中的多种气体。 它具有：处理量大，体积小，结构简单，运转平稳，维修 方便以及气体不受污染等特点。随着气体动力学的研究，使得离心式压缩机的效率不断提高；又由于高压密封、小流量窄叶轮的加工和多油楔 轴承等技术关键的研制成功，解决了离心压缩机向高压力 、宽流量范围发展的一系列问题，使离心压缩机的应用范 围大为扩展，以致在许多场合可以取代往复活塞式压缩机 。3.1.2 3.1.2 工作原理工作原理一般说来，提高气体压力的主要目标就是增加单位容积内气体分子的数量，也就是缩短气体分子与分子间的距离。达到这个目标可采用的方法有：1、用挤压元件来挤压气体的容积式压缩方法(如活塞式)； 2、用气体动力学的方法，即利用机器的作功元件(高速回转的叶轮)对气体作功，使气体在离心力场中压力得到提高，同时动能也大为增加，随后在扩压流道中流动时这部分动能又转变成静压能，而使气体压力进一步提高，这就是离心式压缩机的工作原理或增压原理。3.1.3 3.1.3 工作过程与典型结构工作过程与典型结构1吸入室； 2轴； 3叶轮； 4固定部件； 5机壳； 6轴端密封； 7轴承； 8排气蜗室；离心压缩机转子：转轴，固定在轴上的叶轮 、轴套、联轴节及平衡盘等。定子：气缸，其上的各种隔板以及轴承等 零部件，如扩压器、弯道、回流器、蜗壳 、吸气室。驱动机转子高速回转叶轮入口产生负压（吸气）气体在流道中扩压气体连续从排气口排出气体的流动过程是：组成离心式压缩机常用术语：级 ：段 ：缸 ：列 ：由一个叶轮与其相配合的固定元件所构成以中间冷却器作为分段的标志，如前所述，气流在 第三级后被引出冷却，故它为二段压缩。一个机壳称为一缸，多机壳称为多缸（在叶轮数较 多时采用）指压缩机缸的排列方式，一列可由一至几个缸组成叶轮、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、吸气室主要部件的功用：3.1.4 3.1.4 级的典型结构与关键截面级的典型结构与关键截面一、级的典型结构二、关键截面在逐级的分析和计算中，只着重分析、计算级内几个关键截面上的参数“级”是离心式压缩机的基本单元，从级的类型来看，一般可分为中间级（图a）: 由叶轮、扩压器、弯道 、回流器组成；首级（图b）: 由吸气管和中间级组成；末级（图c）: 由叶轮、扩压器、排气蜗壳组成三、叶轮的典型结构1、离心式叶轮闭式叶轮 半开式叶轮 双面进气叶轮2、按叶片弯曲形式后弯叶片：弯曲方向与叶轮旋转方向相反，级效率高，2A90径向叶片：2A90，工作稳定范围宽，常用前弯叶片：弯曲方向与叶轮旋转方向相同， 2A90，效率低，稳定工作范围较窄，多用于一部分通风机。3、叶轮的速度三角形在讨论其工作原理时，常常会用到叶轮进、出口处的三角形优点：（1）排气量大，气体流经离心压缩机是连续的，其流通截面 积较大，且叶轮转速很高，故气流速度很大，因而流量很大 。 （2）结构紧凑、尺寸小。它比同气量的活塞式小得多； （3）运转平稳可靠，连续运转时间长，维护费用省，操作人 员少； （4）不污染被压缩的气体，这对化工生产是很重要的； （5）转速较高，适宜用蒸汽轮机或燃气轮机直接拖动。 缺点： （1）单级压力比不高，不适用于较小的流量； （2）稳定工况区较窄，尽管气量调节较方便，但经济性较差3.1.5 3.1.5 离心式压缩机的特点离心式压缩机的特点3.1.6 3.1.6 适用范围适用范围1.化工及石油化工工艺用2.动力工程用3.制冷工程和气体分离用4.气体输送用3.2 基本方程式3.2.1 3.2.1 连续方程连续方程3.2.2 3.2.2 欧拉方程欧拉方程 3.2.3 3.2.3 能量方程能量方程 3.2.4 3.2.4 伯努利方程伯努利方程3.2.5 3.2.5 压缩过程于压缩功压缩过程于压缩功 3.2.6 3.2.6 总结总结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 器任意截面的质量流量相等，其连续方程表示为： 3.2.1 3.2.1 连续方程连续方程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的表达式为：3.2.2 3.2.2 欧拉方程欧拉方程欧拉方程式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的。离心叶轮的欧拉方程为：也可表示为 ：欧拉方程的物理意义为：欧拉方程指出的是叶轮与流体之间的能量转换关系，它遵循能量转换与守恒定律；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；适用于任何气体或液体，既适用于叶轮式的压缩机也适用与叶轮式的泵；推而广之只需将等式右边各项的进出口符号调换一下，亦适用于叶轮式的原动机。3.2.3 3.2.3 能量方程能量方程能量方程用来计算气流温度(或焓)的增加和速度的变化。根据能量转换与守恒定律，外界对级内气体所做的机械功和输入的能量应转化为级内气体热焓和能量的增加，对级内1千克气体而言，其能量方程可表示为：能量方程的物理意义为： 表示由叶轮所做的机械功，转化为级内气体温度(或焓)的升高和动能的增加； 对有粘无粘的气体都适用，因为对有粘气体所引起的能量损失也以热量形式传递给气体，从而式气体温度(焓)升高； 可认为气体在机器内做绝热运动，q0； 该方程适用于一级，也适用于多级整机或其中任一通流部件，这由所取的进出口截面决定。应用伯努力方程将流体所获得的能量区分为有用能量和能量损失，并引用压缩机中所最关注的压力参 数，以显示出压力的增加。叶轮所做的机械功还可与级内表征流体压力升高的静压能联系起来，表达成通 用的伯努力方程，对级内流体而言有3.2.4 3.2.4 伯努利方程伯努利方程伯努利方程的物理意义为： 表示叶轮所做机械功转换为级中流体的有用能量(静压能和动能增加)的同时，还需付出一部分能量克 服流动损失或级中的所有损失； 它建立了机械能与气体压力p、流速c和能量损失 之间的相互关系； 该方程适用一级，亦适用于多级整机或其中任一 通流通部件，这由所取的进出口截面而定； 对于不可压缩流体来说应用伯努利方程计算压力 的升高是方便的。而对于可压缩流体，尚需获知压力 和密度的函数关系才能求解静压能头积分，这还要联 系热力学的基础知识加以解决。3.2.5 3.2.5 压缩过程与压缩功压缩过程与压缩功应用特定的热力过程方程可求解上述静压能量头增量的积分，从而计算出压缩功或压力升高的多少。 每千克气体所获得的压缩功也称为有效能量头，如对多变压缩功而言，则有：将连续方程、欧拉方程、能量方程、伯努利方程、热力过程方程和压缩功的表达式相关联，就可知流量和流体 速度在机器中的变化，而通常无论是级的进出口，还是整 个压缩机的进出口，其流速几乎相同，故这部分进出口的 动能增量可略而不计。同时还可获知由原动机通过轴和叶 轮传递给流体的机械能，而其中一部分有用能量即静压能 头的增加，使流体的压力得以提高，而另一部分是损失的 能量，它是必须付出的代价。还可获知上述静压能头增量 和能量损失两者造成流体温度(或焓)的增加，于是流体在 机器内的速度、压力、温度等诸参数的变化规律也就都知 道了。3.2.6 3.2.6 总总 结结3.3 级内的各种流体损失 3.3.1 3.3.1 级内的流体损失级内的流体损失 3.3.2 3.3.2 漏气损失漏气损失 3.3.3 3.3.3 轮阻损失轮阻损失式中l为沿程长度，dhm 为水平直径， cm 为气流平均速度, 为磨阻系数，通常级中的ReRecr，故在一 定的相对粗糙度下，为常数。由该式可知 ,从 而 。3.3.1 3.3.1 级内的流体损失级内的流体损失流体的粘性是产生能量损失的根本原因。通常把级的通道部件看成依次连续的管道。利用流体热力学管道 的实验数据，可计算出沿程磨阻损失为：3.3.2 3.3.2 漏气损失漏气损失（1） 产生漏气损失原因（2） 密封件的结构形式及漏气量的计算（3） 轮盖密封的漏气量及漏气损失系数（1） 产生漏气损失的原因从右图中可以看出，由于叶轮出口压力大于进口压力，级出 口压力大于叶轮出口压力，在叶 轮两侧与固定部件之间的间隙中 会产生漏气，而所漏气体又随主 流流动，造成膨胀与压缩的循环 ，每次循环都会有能量损失。该 能量损失不可逆的转化为热能为 主流气体所吸收。（2） 密封件的结构形式及漏气量的计算（3） 轮盖密封的漏气量及漏气损失系数轮盖密封处的漏气能量损失使叶轮多消耗机械功。通常隔板与轴套之间的密封漏气损失不单独计算，只高 考虑在固定部件的流动损失之中。轮盖密封处的漏气量为：若通过叶轮出口流出的流量为 则可求得轮盖处的漏气损失系数为：3.3.3 3.3.3 轮阻损失轮阻损失叶轮旋转时，轮盘、轮盖的外侧和轮缘要与它周围的气体发生摩擦，从而产生轮阻损失。其轮阻损失为对于离心叶轮而言，上式可简化为进而可得轮阻损失系数为3.4 多级压缩（1） 采用多级串联和多缸串联的必要性（2） 分段与中间冷却以减少耗功（3) 级数与叶轮圆周速度和气体分子量的关系（1）采用多级串联和多缸串联的必要性离心压缩机的压力比一般都在3以上，有的高达150，甚至更高。离心压缩机的单级压力比，较 活塞式的低，所以一般离心压缩机多为多级串联 式的结构。考虑到结构的紧凑性与机器的安全可 靠性，一般主轴不能过长。对于要求高增压比或 输送轻气体的机器需要两缸或多缸离心压缩机串 联起来形成机组。(2)分段与中间冷却以减少耗功为了降低气体温度，节省功率，在离心压缩机中往往采用分段中间冷却的结构，而不采用汽缸套冷却。各 段由一级或若干级组成，段与段之间在机器之外由管道 连接中间冷却器。应当指出，分段与中间冷却不能仅考 虑省功，还要考虑下列因素： 1）被压缩介质的特性属于易燃、易爆则段出口的温度低一些，对于某些化工气体，因在高温下气体发生不 必要的分解或化合变化，或会产生并加速对机器材料的 腐蚀，这样的压缩机冷却次数必需多一些。2）用户要求排出的气体温度高，以利于化学反应(由氮、氢化合为氮)或燃烧，则不必采用中间冷却，或尽量减少冷却次数。3）考虑压缩机的具体结构、冷却器的布置、输送冷却水的泵耗功、设备成本与环境条件等 综合因素。4） 段数确定后，每一段的最佳压力比，可根据总耗功最小的原则来确定。（3) 级数与叶轮圆周速度和气体分子量的关系a减少级数与叶轮圆周速度的关系： 为使机器结构紧凑，减少零部件，降低制造成本，在达到 所需压力比条件下要求尽可能减少级数。有下式可知，叶轮对气体做功的大小与圆周速度的平方成正比 ，如能尽量提高u2就可减少级数。但是提高叶轮圆周速 度u2 ，却受到以下几种因素的限制。叶轮材料强度的限制；气流马赫数的限制；叶轮相对宽度的限制。b级数与气体分子量的关系：气体分子量对马赫数的影响；气体分子量对所需压缩功的影响。气体分子量 /J/(kgK)绝热指数k密度 /(kg/m3)多方压缩 功 Hpol(kJ/kg)圆周速度 u2/(m/s)级