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1、泵與壓縮機(jī),主講: 馮 進(jìn) 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2 離心壓縮機(jī),離心式壓縮機(jī)是屬于速度式透平壓縮機(jī)的一種。在早期，離心壓縮機(jī)只適用于低、中壓力和大氣量的場(chǎng)合。近十幾年來(lái)，在離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)、制造方面，不斷采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新工藝，使其工作性能和可靠性不斷提高，離心壓縮機(jī)被用來(lái)壓縮和輸送各種石油化工生產(chǎn)過(guò)程中的氣體，應(yīng)用范圍有了很大提高，在石油天然氣輸送中也越來(lái)越多的被采用。,,2.1 離心壓縮機(jī)的主要部件及基本工作原理,一、離心式壓縮機(jī)的主要部件 離心式壓縮機(jī)的零件，可以歸結(jié)為兩類(lèi)，即轉(zhuǎn)動(dòng)件和不轉(zhuǎn)動(dòng)件。通常將轉(zhuǎn)動(dòng)的零件稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，不轉(zhuǎn)動(dòng)的零件稱(chēng)為定子。 1.轉(zhuǎn)子部件 離心式壓縮機(jī)中屬于
2、轉(zhuǎn)子部件的零件有：主軸、葉輪、平衡盤(pán)、推力盤(pán)、聯(lián)軸器等，各零件通過(guò)熱裝法與軸聯(lián)成整體。,(1)葉輪 葉輪是離心壓縮機(jī)中唯一的作功部件。由于葉輪對(duì)氣體作功，增加了氣體的能量，因此氣體流出葉輪時(shí)的壓力和速度都有明顯增加。 (2)主軸 主軸的作用是支撐旋轉(zhuǎn)零件和傳遞扭矩。 (3)平衡盤(pán) 平衡大部分或全部軸向力。,(4)推力盤(pán) 經(jīng)平衡盤(pán)平衡后的剩余軸向力，通過(guò)推力盤(pán)傳遞止推軸承，實(shí)現(xiàn)軸向力的完全平衡。 (5)聯(lián)軸器 通過(guò)聯(lián)軸器，將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給壓縮機(jī)。 2.定子部件 離心壓縮機(jī)的定子部件有：機(jī)殼、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、吸氣室、蝸殼、密封、軸承等。,(1)擴(kuò)壓器 擴(kuò)壓器的流通截面逐漸
3、擴(kuò)大，將速度能有效的轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，是離心壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)能裝置。 (2)彎道 彎道是設(shè)置于擴(kuò)壓器后的氣流通道，其作用是將擴(kuò)壓后的氣體由離心方向改變?yōu)橄蛐姆较颍员阋胂乱患?jí)葉輪去繼續(xù)進(jìn)行壓縮。,(3)回流器 回流器的作用是使氣流以一定方向均勻地進(jìn)入下一級(jí)葉輪入口。在回流器中一般都裝有隔板和導(dǎo)向葉片。 (4)吸氣室 吸氣室其作用是將進(jìn)氣管(或中間冷卻器出口)中的氣體均勻地導(dǎo)入葉輪。 (5)蝸殼 蝸殼其主要作用是將從擴(kuò)壓器(或直接從葉輪)出來(lái)的氣體收集起來(lái)，并引出機(jī)器。,,,,二、基本工作過(guò)程 氣體由吸氣室吸入，通過(guò)葉輪對(duì)氣體作功后，使氣體的壓力、速度、溫度都得到提高，然后再進(jìn)入擴(kuò)壓器
4、，將氣體的速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。?dāng)通過(guò)一個(gè)葉輪對(duì)氣體作功、擴(kuò)壓后不能滿(mǎn)足輸送要求時(shí)，就必須把氣體引入下一級(jí)繼續(xù)進(jìn)行壓縮。為此，在擴(kuò)壓器后設(shè)置了彎道、回流器，使氣體由離心方向變?yōu)橄蛐姆较?、均勻地進(jìn)入下一級(jí)葉輪進(jìn)口，繼續(xù)獲得能量。,,氣體流過(guò)了一個(gè)“級(jí)”，再繼續(xù)進(jìn)入第二、第三級(jí)壓縮后，經(jīng)蝸殼及排出管被引出至中間冷卻器。冷卻后的氣體再經(jīng)吸氣室進(jìn)入第四級(jí)及以后各級(jí)繼續(xù)壓縮，最后由排出管輸出。 由于氣體在壓縮過(guò)程中溫度不斷升高，在高溫下壓縮氣體，使消耗的動(dòng)力增加。為了降低動(dòng)力消耗，需要在氣體溫度達(dá)到某一值后，對(duì)氣體進(jìn)行冷卻。因此，在壓縮過(guò)程中采用了中間冷卻器。,,三、離心壓縮機(jī)的特點(diǎn) 與其它型式的壓縮
5、機(jī)相比，離心壓縮機(jī)有以下特點(diǎn)： (1)排量大 如某油田輸氣離心壓縮機(jī)的排氣量為510m3min，年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨廠中合成氣壓縮機(jī)的排氣量達(dá)20003000m3h。目前在產(chǎn)量大于600噸日的合成氨廠中主要的工藝用壓縮機(jī)幾乎都采用了離心壓縮機(jī)。,,,(2)結(jié)構(gòu)緊湊 占地面積及重量都比同一氣量的活塞式壓縮機(jī)小得多。 (3)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠 機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間在一年以上，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作可靠，因此它的運(yùn)轉(zhuǎn)率高，而且易損件少，維修方便。 (4)輸送的氣體不與機(jī)器潤(rùn)滑系統(tǒng)的油接觸。,,,(5)轉(zhuǎn)速較高 適宜用工業(yè)汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可充分利用大型石油化工廠的熱能，節(jié)約能源。 (6) 還不適用于氣
6、量太小及壓力比過(guò)高的場(chǎng)合。 (7) 一般比活塞式壓縮機(jī)的效率低。 (8) 離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)較窄。,2.2 氣體在級(jí)中流動(dòng)的概念及基本方程,氣體在離心壓縮機(jī)級(jí)中氣體的流動(dòng)實(shí)際上是屬于三元非定常流動(dòng)，而且氣體又有粘性和可壓縮性，因此氣體在級(jí)中的流動(dòng)是很復(fù)雜的。所以，在工程上往往作一些假設(shè)，將復(fù)雜的三元非定常流動(dòng)簡(jiǎn)化為一元定常流動(dòng)進(jìn)行分析，認(rèn)為流道中同一截面上各點(diǎn)的氣流參數(shù)是相同的，而且在保持穩(wěn)定工作條件下，氣流參數(shù)不隨時(shí)間而變。,一、歐拉方程式 離心泵的歐拉方程式對(duì)離心壓縮機(jī)也完全適用。離心壓縮機(jī)理論能頭歐拉方程式為： 由葉輪葉片進(jìn)、出口速度三角形，按余弦定理有：,因此,,將它們代入基本
7、能量方程得： 在設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)時(shí)，氣體沿徑向進(jìn)入葉輪葉道，則1900，c1u=0。這時(shí),,,其中：,根據(jù)連續(xù)性方程式，在定常流動(dòng)時(shí)，通過(guò)任意截面i的氣體質(zhì)量流量是一定的，它與進(jìn)口截面s的氣體質(zhì)量流量的關(guān)系為: 它和體積流量的關(guān)系為:,葉輪出口處氣流的徑向分速度c2r為： 定義 ， 稱(chēng)為流量系數(shù)，可寫(xiě)為：,,,,葉片阻塞系數(shù)可用下式計(jì)算： 式中z為z葉片數(shù)， 為葉片厚度為，為折邊寬度。,二、級(jí)的總功耗和功率 葉輪工作時(shí)所消耗的功用于兩方面，一方面是葉輪通過(guò)葉片對(duì)葉道內(nèi)的氣體作功，稱(chēng)為葉片功LT，它就是氣體獲得的理論能頭HT；另一方面是葉輪本身在旋轉(zhuǎn)時(shí)存在輪阻損失和內(nèi)漏損失所消耗的功(
8、輪阻損失功Ldf,,內(nèi)漏損失功Ll)。,這樣，葉輪對(duì)單位質(zhì)量有效氣體作的總功Ltot 為: 同樣，氣體從葉輪中得到相應(yīng)的總能頭Htot為:,,可以看出,氣體在級(jí)中獲得的總能頭HTO1 是以?xún)煞N方式得到的，一種是葉片直接對(duì)氣體作功，以機(jī)械能形式傳給氣體的理論能頭HT；另一種是由于輪阻及內(nèi)漏損失消耗的功，以熱能形式傳給氣體，使氣體獲得能頭Hdf+H1，它不包括在理論能頭HT中。在不考慮氣體對(duì)外熱損失的條件下，根據(jù)能量守恒定律，則有：,通過(guò)葉輪的有效質(zhì)量流量為 (kgs)，葉片對(duì)它作功消耗的理論功率NT為: 由于輪蓋處的內(nèi)漏，故經(jīng)過(guò)葉道的實(shí)際質(zhì)量流量為 ，等于有效流質(zhì)量流量 和內(nèi)漏氣質(zhì)量流量 之和
9、，即：,,,,,輪阻損失消耗的功率為Ndf，內(nèi)漏氣損失消耗的功率為Nl。因此，在考慮了輪阻損失及內(nèi)漏氣損失后，葉輪的總功率消耗Ntot為：,令： 因此： 一般l+df0.020.13。其值對(duì)高壓小流量的級(jí)取較大值，對(duì)低壓大流量的級(jí)取較小值。,同理，葉輪對(duì)單位質(zhì)量有效氣體的總能頭，也可表示為： 例：已知某離心式壓縮機(jī)的漏氣損失系數(shù) 、輪阻損失系數(shù) 、有效質(zhì)量流量 、葉輪對(duì)每公斤氣體作功 。求Ntot、Ndf、Nl、NT、Htot。,三、熱焓方程式 當(dāng)氣體在離心式壓縮機(jī)中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，取級(jí)中任意兩截面a、b，氣體由a截面流進(jìn)系統(tǒng)，由b截面流出系統(tǒng)。a、b截面上氣體的狀態(tài)參數(shù)
10、和速度分別為：,根據(jù)熱力學(xué)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程，對(duì)a、b兩截面間的單位質(zhì)量氣體有下列方程式： 或 式中A為單位重量氣體的熱功當(dāng)量，A為：,對(duì)離心壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)， a、b兩截面的位置高差(zbza)相對(duì)很小，可以忽略不計(jì)，故式可寫(xiě)成: 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體熱量的增量等于氣體的內(nèi)能增量和壓縮功增量之和。對(duì)封閉熱力系統(tǒng)時(shí)，單位質(zhì)量氣體可寫(xiě)出：,當(dāng)比容不變時(shí)，有： 又因： 則：,,當(dāng)?shù)葔簳r(shí)，有： 故： 對(duì)理想氣體： 故： 令：,故： 該式稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式或熱焓方程式。它將能頭、傳熱量與氣流的溫度和速度等參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。,,,在離心式壓縮機(jī)中，由于氣體流量大，單位質(zhì)量氣體與外界的熱交換與氣體壓
11、縮時(shí)焓的變化比較起來(lái)小得多。因此，通常將與外界的熱交換忽略不計(jì)，即認(rèn)為qabo。這樣熱焓方程式變?yōu)椋? 上式是離心式壓縮機(jī)級(jí)中氣動(dòng)計(jì)算的重要公式，通過(guò)它可求截面溫度、速度的變化規(guī)律。,,當(dāng)a、b截面分別為級(jí)的進(jìn)、出口截面時(shí)，公式中的HabHtot，一個(gè)級(jí)的熱焓方程式可寫(xiě)為： 同理，若a、b截面分別為氣流流過(guò)靜止通道的進(jìn)、出口截面時(shí)，靜止通道內(nèi)沒(méi)有外功加入，即Hab 0，則熱焓方程為：,,四、伯努利方程式 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體熱量的增量等于氣體的內(nèi)能增量和壓縮功增量之和。對(duì)封閉熱力系統(tǒng)時(shí)，單位質(zhì)量氣體可寫(xiě)出： 當(dāng)比容不變時(shí)，有：,,又因： 則： 當(dāng)?shù)葔簳r(shí)，有： 故：,,上式表示單位質(zhì)量
12、氣體從a截面施至b截面所得到的熱量。它應(yīng)該包括外界傳給氣體的熱量qab以及氣體由a流至b截面時(shí)所有的能量損失(hlos)ab轉(zhuǎn)化的熱量。,故，將上式代入熱焓方程式，得：,上式就是伯努利方程，是以機(jī)械能形式表示的能量平衡方程。當(dāng) a截面和b截面分別為級(jí)進(jìn)口和級(jí)出口時(shí)，上式可表示為：,因熱焓方程式：,氣體從級(jí)進(jìn)口到級(jí)出口全部能量損失包括：輪阻損失hdf，內(nèi)漏氣損失hl，以及氣體在流道中流動(dòng)所引起的摩擦、沖擊、旋渦等水力損失hhyd，即：,因： 所以：,,當(dāng) a截面和b截面分別表示靜止元件（如擴(kuò)壓器）的氣流進(jìn)口和出口時(shí)，由于沒(méi)有能量輸入，上式可表示為： 此式說(shuō)明靜止元件中氣體速度頭減小的結(jié)果，并
13、沒(méi)有全部轉(zhuǎn)化為氣體的靜壓頭，而有一部分用于克服靜止元件中氣流流動(dòng)的能量損失。,五、氣體壓縮功 在伯努利方程式中，靜壓頭p的大小與氣體壓縮過(guò)程有關(guān)。由熱力學(xué)可知，氣體壓縮過(guò)程分等溫、絕熱、多變?nèi)N壓縮過(guò)程。被壓縮的氣體靜壓頭的提高也就是壓縮機(jī)對(duì)氣體所作的壓縮功，通常稱(chēng)為壓縮能頭。,,1等溫壓縮功 對(duì)理想氣體，等溫壓縮過(guò)程的狀態(tài)方程有： 因此，等溫壓縮過(guò)程的壓縮功為：,等溫過(guò)程的壓縮功,2.絕熱壓縮功 絕熱壓縮過(guò)程中氣體與外界無(wú)熱量交換，這是一個(gè)理想過(guò)程。絕熱壓縮過(guò)程氣體的狀態(tài)變化方程式為： 在絕熱壓縮過(guò)程的壓縮功為：,因?yàn)椋? 所以,絕熱過(guò)程的壓縮功,3.多變壓縮功 多變壓縮過(guò)程中存
14、在能量損失，氣體與外界存在有熱交換或無(wú)熱交換。多變過(guò)程的氣體狀態(tài)變化方獲式與絕熱過(guò)程的相似，即： 因此，在多變壓縮過(guò)程的壓縮功為：,,多變壓縮過(guò)程的壓縮功,六、級(jí)效率 衡量外功用來(lái)使氣體壓力升高并克服損失的能頭，稱(chēng)為可用能，即 在可用能頭中，真正用于壓縮氣體的能頭所占可用能頭的比例稱(chēng)為級(jí)效率。即,1.多變級(jí)效率 在離心壓縮機(jī)中，氣體在級(jí)中的實(shí)際壓縮過(guò)程一般可用多變過(guò)程來(lái)表示。多變壓縮過(guò)程的多變級(jí)級(jí)效率為： 一般壓壓縮機(jī)的多變級(jí)效率 。,氣體在級(jí)中流動(dòng)時(shí)，不僅沒(méi)有對(duì)外傳熱(q0)，反而將所有損失消耗的能頭hios又以熱量的形式傳給了氣體。因此，在離心壓縮機(jī)中氣體壓縮過(guò)程的多變壓縮
15、指數(shù)m大于絕熱壓縮過(guò)程指數(shù)k。故級(jí)的多變效率總是小于l。,,2絕熱效率 絕熱效率是指級(jí)中氣體由壓力ps經(jīng)絕熱壓縮升至pd時(shí)的壓縮功與可用能頭之比，即:,絕熱過(guò)程與外界無(wú)熱交換且無(wú)損失的理想過(guò)程。因此它的壓縮終溫小于多變過(guò)程壓縮終溫。而多變過(guò)程的壓縮功大于絕熱過(guò)程的壓縮功。在同一級(jí)中， 總大于 ，兩者差值愈小，表示級(jí)中能量損失愈小，所以經(jīng)常以此來(lái)評(píng)價(jià)級(jí)中的損失。,3等溫效率 等溫效率是指級(jí)中氣體由ps等溫壓縮至pd時(shí)的等溫壓縮功與級(jí)中可用能頭之比，即： 在有冷卻的壓縮機(jī)中，常采用等溫效率來(lái)衡量機(jī)器冷卻的好壞。若實(shí)際多變過(guò)程愈接近等溫過(guò)程，則等溫效率就越高。,,4流動(dòng)效率 流動(dòng)效率是級(jí)
16、的多變壓縮功與葉輪對(duì)氣體作功所獲得的理論能頭之比，即： 流動(dòng)效率反映了氣體在級(jí)的各元件中流動(dòng)時(shí)流動(dòng)阻力損失的大小。,為多變能頭系數(shù)。在圓周速度u2相同的條件下，可以用多變能頭系數(shù) 來(lái)表示壓縮機(jī)級(jí)多變壓縮功的大小，一般 。由此可以估算級(jí)的多變能頭，已知總壓力比時(shí)，便能確定壓縮機(jī)需要的級(jí)數(shù)。,七、級(jí)中氣體狀態(tài)參數(shù)的變化 1級(jí)中氣體溫度的變化 流動(dòng)的氣體，它所具有的總能量為： 氣體的總能量決定于氣體的狀態(tài)參數(shù)溫度與速度。,當(dāng)氣流對(duì)外界無(wú)熱交換(但可以有損失)，其速度被滯止到零時(shí)，此氣流的溫度叫滯止溫度(又稱(chēng)總溫)，以Tst表示，它也是氣體的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，有： 于是，熱焓
17、方程式可寫(xiě)成：,,上式表明，氣體滯止溫度或滯止焓增加，就說(shuō)明外界必然有能量加給氣體。氣體在葉輪葉道中流動(dòng)時(shí)，葉輪對(duì)氣體作功，因此它的滯止溫度是增加的。任意截面i的溫度滿(mǎn)足:,但是，在絕能流動(dòng)中，氣體與外界無(wú)能量交換，即氣體總能量不變。也就是說(shuō)，在絕能流動(dòng)中，氣體的滯止溫度或滯止焓是常數(shù)。因此，在氣流流出葉輪后，有： 在氣流流進(jìn)葉輪前，有：,,,2級(jí)中氣流壓力和比容的變化 當(dāng)氣體流經(jīng)壓縮機(jī)級(jí)的不同元件時(shí)，由于流動(dòng)狀態(tài)各不相同，在這些元件中氣體多變過(guò)程的多變指數(shù)是不相同的。即使同一元件中，過(guò)程的多變指數(shù)也是變化的。但目前通常在計(jì)算級(jí)的各截面上氣體的壓力和比容時(shí)，一般把整個(gè)級(jí)中的氣體狀態(tài)參數(shù)的變
18、化，看作是按照同一個(gè)多變過(guò)程，即用同一個(gè)平均多變指數(shù)m來(lái)進(jìn)行計(jì)算。,,,設(shè),,2.3 級(jí)中能量損失,級(jí)中葉輪對(duì)氣體所做的總功，不可能全布變?yōu)橛杏玫哪芰?，而有一部分損耗掉。壓縮機(jī)級(jí)中損耗的能量包括流動(dòng)損失、輪阻損失和內(nèi)漏氣損失。這里重點(diǎn)探討流動(dòng)損失和波阻損失。流動(dòng)損失大致分為摩擦損失、分離損失、二次流損失、尾跡損失。波阻損失主要是由于氣流速度超過(guò)音速后產(chǎn)生激波所引起。,一、流動(dòng)損失 1.摩擦損失 當(dāng)氣體經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)級(jí)的通流部分時(shí)，由于粘性的存在，在壁面附近的地方，流速最小；在中間部分的主流中，流速最大。這樣由于層與層之間的速度不同，產(chǎn)生摩擦，流動(dòng)的氣流與流道壁面也發(fā)生摩擦，這種摩擦使氣流的一部分
19、能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?,,2.分離損失 在邊界層中，沿其厚度方向流體速度急劇變化，嚴(yán)重地影響著流動(dòng)中的能量損失。此外，在流道中還常常會(huì)發(fā)生邊界層增厚，進(jìn)而邊界層與流通壁面脫離，甚至在接近壁面的邊界層氣流中產(chǎn)生反向流動(dòng)的旋渦，引起很大的能量損失。這種現(xiàn)象稱(chēng)為邊界層分離，由其產(chǎn)生的能量損失稱(chēng)為分離損失。,在離心壓縮機(jī)中，有很多減速擴(kuò)壓的流道，就可能出現(xiàn)邊界層分離。產(chǎn)生旋渦，引起很大的能量損失（分離損失）。同時(shí)因邊界層增厚及分離，使主氣流的實(shí)際通流截面減小，達(dá)不到原設(shè)計(jì)的擴(kuò)壓目的，惡化了級(jí)中氣體的流動(dòng)。 實(shí)踐證明，流道形狀對(duì)邊界層分離影響最大，如流道擴(kuò)壓程度很大，截面突然變化；急劇彎曲等。,一般要求
20、當(dāng)量擴(kuò)張角小于6070,葉輪流道中邊界層分離大多發(fā)生在非工作面，特別是接近葉輪出口處。,粘性流體在沿主流方向流動(dòng)時(shí)，在壓力下降區(qū)(加速降壓) 內(nèi)流動(dòng)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)邊界層分離。在壓力升高區(qū)（減速擴(kuò)壓）內(nèi)流動(dòng)才有可能出現(xiàn)分離，形成旋渦。,3.二次渦流損失 與主氣流方向相垂直的流動(dòng)，稱(chēng)之為二次渦流。它干擾了主氣流的流動(dòng)，并造成能量損失。由于二次渦流的存在，工作面?zhèn)纫蜓a(bǔ)充了新的具有較大動(dòng)能的氣流，而使其邊界層減薄，而非工作面?zhèn)葎t相反，邊界層增厚更加速了邊界層分離。,4.尾跡損失 尾跡的產(chǎn)生是由于葉片有一定的厚度，當(dāng)氣流從葉片流道中流出葉輪時(shí)，通流截面突然擴(kuò)大，而在葉片尾部形成了充滿(mǎn)旋渦的氣流，稱(chēng)為尾
21、跡，由此而產(chǎn)生的能量損失稱(chēng)為尾跡損失。尾跡損失與葉道出口處氣速、葉片尾部厚度及邊界層流態(tài)有關(guān)。,采用翼形葉片代替等厚度葉片，可大大減小尾跡損失。若用等厚度葉片時(shí)，削薄葉輪出口處葉片厚度，也是減小尾跡損失的一個(gè)有效方法。某實(shí)驗(yàn)證明，削薄后級(jí)多變效率小，可提高2。,二、馬赫數(shù)M對(duì)能量損失的影響 1.馬赫數(shù)M 流場(chǎng)中任一點(diǎn)處的氣流速度與該點(diǎn)氣溫下的音速a之比，稱(chēng)為該點(diǎn)氣流的馬赫數(shù)M ，即,在一般情況下，由于音波在氣體中推進(jìn)時(shí)氣體狀態(tài)的變化非常微小，故可以認(rèn)為氣體的熵是個(gè)定值，因而可將音波的傳播過(guò)程視為等熵絕熱過(guò)程。音速由下式計(jì)算:,在絕能的過(guò)程中，氣體的總能不變。根據(jù)伯努方程，有： 因此,當(dāng)M0
22、.3時(shí)，就必須考慮密度的變化，即必須考慮氣流的可壓縮性了，否則會(huì)造成很大的誤差。也就是說(shuō)，氣體的可壓縮性只有在高速時(shí)才明顯地顯示出來(lái)。,2激波和波阻損失 亞音速和超音速氣流有根本差別，即在亞音速(M1)中，擾動(dòng)的效應(yīng)雖然隨距離的增加而減弱，但它能到達(dá)物體周?chē)臻g的任意點(diǎn)。而在超音速(M1)氣流中，擾動(dòng)的效應(yīng)只能在馬赫錐內(nèi)起作用，錐前的氣流是不受影響的。,當(dāng)超音速氣流擾物體流動(dòng)時(shí)，強(qiáng)擾動(dòng)的波峰表面上將會(huì)有很大的壓力及密度的突然變化，即在流場(chǎng)中往往出現(xiàn)突躍的壓縮波。氣流通過(guò)這種壓縮波時(shí)，壓力、溫度、密度都突躍地升高，速度則突躍地下降，氣流受到突然的壓縮。這種突躍壓縮波叫激波。超音速氣流被壓縮時(shí)，
23、一般都會(huì)產(chǎn)生激波。所以激波是超音速氣流中的重要現(xiàn)象。,因?yàn)闅饬魍ㄟ^(guò)激波時(shí)，有不連續(xù)的壓力、密度、溫度及速度的突躍，因此從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析，這是一個(gè)不可逆過(guò)程，有很大的能量損失。同時(shí)由于激波波面壓力的突增，大大加速了邊界層分離，引起更大的能量損失。由激波引起的這些能量損失的總和稱(chēng)為波阻損失。,3馬赫數(shù)對(duì)離心壓縮機(jī)級(jí)中能量損失的影響 在離心壓縮機(jī)的葉道中，靠近進(jìn)口附近氣流速度較大，容易出現(xiàn)局部流速達(dá)到音速，并會(huì)產(chǎn)生激波，引起較大的波阻能量損失。因此，對(duì)離心壓縮機(jī)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在一般情況下，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)要求氣流進(jìn)入葉輪流道的馬赫數(shù)小于0.750.85。,2.4 級(jí)的性能曲線(xiàn),在一般情況下，壓縮機(jī)級(jí)的工
24、作狀況是由進(jìn)口流量Qs、進(jìn)氣壓力ps、進(jìn)氣溫度Ts以及工作轉(zhuǎn)速n等四個(gè)參數(shù)決定的。壓縮機(jī)級(jí)的性能是指進(jìn)氣狀態(tài)一定和轉(zhuǎn)速不變的條件下，級(jí)的壓力比、多變效率、功率隨該級(jí)進(jìn)氣量變化的關(guān)系曲線(xiàn)。,一、壓力比與流量間的關(guān)系曲線(xiàn) 壓力比是指葉輪出口壓強(qiáng)與進(jìn)口壓強(qiáng)之比，即： 在多變過(guò)程中，已知壓縮功為：,根據(jù)伯努方程，在忽略級(jí)進(jìn)出口動(dòng)能差時(shí)，得： 故： 由于有效能頭為：,可見(jiàn)，有效能頭與流量呈線(xiàn)性關(guān)系。Hhyd包括沿程損失和沖擊損失，它們與流量呈二次方關(guān)系。所以，壓力比與流量的關(guān)系曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)，一般用進(jìn)口流量與壓力比的關(guān)系反映壓力比與流量的關(guān)系，即Qs曲線(xiàn)。 Qs曲線(xiàn)的特點(diǎn)是隨進(jìn)口流量增加，壓力比減
25、小。,二、 效率曲線(xiàn)Qs 目前離心壓縮機(jī)級(jí)的性能曲線(xiàn)，還不能用理論計(jì)算的方法準(zhǔn)確地得到，只能在一定的轉(zhuǎn)速、一定的介質(zhì)下，對(duì)壓縮機(jī)級(jí)逐點(diǎn)實(shí)際測(cè)試，得出性能曲線(xiàn)。,三、喘振工況 離心式壓縮機(jī)級(jí)的性能曲線(xiàn)不能達(dá)到Qs =0的點(diǎn)。當(dāng)流量減小到某一值(稱(chēng)為最小流量Qmin)時(shí)，離心壓縮機(jī)就不能穩(wěn)定工作，發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)及噪音，這種不穩(wěn)定工況稱(chēng)為“喘振工況”，這一流量極限Qmin 稱(chēng)為“喘振流量”。壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)的左端只能到Qmin ，流量不能再減小了。,四、堵塞工況 流量大，摩擦損失及沖擊損失也大。當(dāng)流量達(dá)到某最大值Qmax時(shí)，氣體獲得的理論能頭HT全部消耗在流動(dòng)損失上，使級(jí)中氣體壓力得不到提高。同時(shí)
26、，邊界層的分離使葉道喉部實(shí)際過(guò)流面積減小，葉道喉部截面上的氣速達(dá)到音速，這時(shí)稱(chēng)為堵塞工況，出現(xiàn)激波損失。所以壓縮機(jī)級(jí)性能曲線(xiàn)右端只能到Qmax。,五、穩(wěn)定工況區(qū) 在性能曲線(xiàn)上，喘振工況與堵塞工況之間的區(qū)域稱(chēng)為穩(wěn)定工況區(qū)。常用下式： 衡量一個(gè)級(jí)性能的好壞，不僅要求在設(shè)計(jì)流量下有最高的效率和較高的壓力比，還要有較寬的穩(wěn)定工作范圍。,2.5 多級(jí)離心壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn),一、級(jí)數(shù)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響 以?xún)杉?jí)串聯(lián)為例進(jìn)行分析壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)。性能曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)為各級(jí)吸氣狀態(tài)下的氣流流量Qs，對(duì)于兩級(jí)串聯(lián)時(shí)，第I級(jí)的進(jìn)氣量為： 第級(jí)的進(jìn)氣量為：,由于兩級(jí)串聯(lián)，根據(jù)質(zhì)量守恒方程，有： 兩級(jí)串聯(lián)后的壓力
27、比為：,1.級(jí)串聯(lián)對(duì)最小工作流量的影響 經(jīng)過(guò)第級(jí)壓縮后，氣體的密度增大，體積流量減小。若兩級(jí)最小流量相同，那么當(dāng)兩級(jí)串聯(lián)后，第級(jí)容易出現(xiàn)喘振。因此，為了防止第級(jí)發(fā)生喘振，必須使第級(jí)最小工作流量增大，也就是說(shuō)比單級(jí)時(shí)向右移了。,2.級(jí)串聯(lián)對(duì)最大工作流量的影響 為了防止第級(jí)發(fā)生喘振，使第級(jí)最小工作流量增大，壓力比降低，葉輪對(duì)氣體所作的功大部分成為能量損失，使第級(jí)進(jìn)氣溫度很高，有可能出現(xiàn)： 導(dǎo)致第級(jí)堵塞流量Qmax減小，穩(wěn)定工況區(qū)變窄。,二、轉(zhuǎn)速變化對(duì)壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)的影響 當(dāng)轉(zhuǎn)速n增大時(shí)，u2變大，相應(yīng)HT增大，Hpot也增加，壓縮機(jī)的壓力比顯著增加。壓力比顯著增加，導(dǎo)致第級(jí)工作最小流
28、量越小，越容易出現(xiàn)喘振。 因此，曲線(xiàn)向右上方移動(dòng)。,2.6 相似原理在離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用,一、壓縮機(jī)相似應(yīng)具備的條件 對(duì)離心壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，如果保持模型機(jī)與原型機(jī)的流動(dòng)過(guò)程相似，則它們之間所有對(duì)應(yīng)的熱力參數(shù)、氣動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)之比為常數(shù)，對(duì)應(yīng)的效率、損失系數(shù)都相等。 1.幾何相似 兩機(jī)對(duì)應(yīng)的通流部分的幾何形狀相似。即：,2進(jìn)口運(yùn)動(dòng)相似 進(jìn)口運(yùn)動(dòng)相似，主要是指葉道進(jìn)口處的速度三角形相似。這時(shí)，有：,3對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)相等 對(duì)于壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，由于氣體介質(zhì)的可壓縮性，只有兩機(jī)的幾何相似和進(jìn)口運(yùn)動(dòng)相似，并不能保證其它對(duì)應(yīng)截面上流動(dòng)相似。因?yàn)闅怏w在壓縮過(guò)程中，氣流參數(shù)的變化受到氣體可壓縮性的影響，并且
29、隨著馬赫數(shù)的增大，其影響更加顯著。因此馬赫數(shù)對(duì)應(yīng)相等是保證壓縮過(guò)程流動(dòng)相似的重要條件。,對(duì)兩個(gè)幾何相似的靜止流道，設(shè)原型機(jī)1一l截面為流道的進(jìn)口截面，如氣體與外界無(wú)熱交換，則1l截面和流道中任一截面的能量方程式為：,同樣可得模型機(jī)流道的溫度比為：,若原型與模型對(duì)應(yīng)流通中流過(guò)氣體的絕熱指數(shù)相等，則當(dāng) 和 ，時(shí)，有：,4對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)相等 雷諾數(shù)Re是決定流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)，要求Re對(duì)應(yīng)相等是為了保持兩個(gè)流動(dòng)的摩擦阻力系數(shù)相等。在離心壓縮機(jī)中，通常氣流的雷諾數(shù)比較大，摩擦阻力系數(shù)基本上不隨流速變化而改變，故通常不考慮對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)相等的要求。 5氣體絕熱指數(shù)相等 要保持兩機(jī)的流動(dòng)過(guò)程相似，
30、氣體的絕熱指數(shù)必須相等。,二、離心壓縮機(jī)的相似換算與相似設(shè)計(jì) 相似原理在離心壓縮機(jī)中主要用于兩個(gè)方面：一是相似設(shè)計(jì)；二是相似機(jī)間的性能算，或同一壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)條件與試驗(yàn)條件間的性能換算。 1完全相似時(shí)的性能換算 根據(jù)馬赫數(shù)相等和氣體絕熱指數(shù)相等，有：,1).轉(zhuǎn)速間的關(guān)系,2).流量間的關(guān)系,質(zhì)量流量間的關(guān)系,3).壓力比間的關(guān)系 完全相似時(shí)，對(duì)應(yīng)壓力比相等，即: 4).能頭間的關(guān)系 因流動(dòng)相似時(shí)，有 ， 。根據(jù)多變壓縮能頭的表達(dá)式得：,當(dāng)效率 時(shí)，有,又因,故：,5).功率間的關(guān)系,2相似設(shè)計(jì) 相似設(shè)計(jì)時(shí)，采用經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明具有較高效率、性能曲線(xiàn)較為平緩、穩(wěn)定工況區(qū)較寬的機(jī)器(或級(jí)
31、)作為模型機(jī)(或級(jí)) ，根據(jù)模型機(jī)的主要幾何尺寸和試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)，以及原型機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用相似原理進(jìn)行尺寸大小的換算，設(shè)計(jì)出流道形狀相似的原型機(jī)。這種方法稱(chēng)為相似設(shè)計(jì)法。,當(dāng)已知原型機(jī)的設(shè)計(jì)條件時(shí)，首先根據(jù)原型機(jī)壓力比，選取一個(gè)具有相同壓力比 的性能良好的模型機(jī)，并把壓力比相同的工況點(diǎn)作為原型機(jī)設(shè)計(jì)工況的相似點(diǎn)。相似點(diǎn)除要求壓力比相等外，還應(yīng)有較高的效率和較寬的穩(wěn)定工作范圍。選定相似點(diǎn)后，就得到了模型機(jī)的進(jìn)口條件，最后根據(jù)完全相似條件，計(jì)算出原型機(jī)的參數(shù)。,1)模型機(jī)流量的確定 根據(jù)壓力比，由模型機(jī)的Qs 曲線(xiàn)確定Qs。 2)幾何尺寸比例常數(shù)L 根據(jù)模型機(jī)的尺寸和L，就可得出原型機(jī)的尺寸，葉片角和葉片數(shù)應(yīng)相等。,3)轉(zhuǎn)速 4)功率,
泵與壓縮機(jī)-離心式壓縮機(jī).ppt
