离心式压缩机PPT课件.ppt

离心式压缩机 1 离心式压缩机 1离心式压缩机的主要构件及基本原理 2气体在级中的流动及基本方程 3级中能量损失 4离心式压缩机的特性曲线 5离心式压缩机的性能调节 6相似原理在离心式压缩机中的应用 7离心式压缩机的主要零部件 8离心式压缩机密封装置 9离心式压缩机润滑系统 2 1离心式压缩机的主要构件及基本原理 离心压缩机是利用旋转叶轮实现能量转换 使气体主要沿离心方向流动从而提高气体压力的机器 3 1 1离心式压缩机的主要构件 1 离心式压缩机的典型结构 结构型式 中低压水平剖分型垂直剖分 高压圆筒 型多轴式例 沈阳鼓风机厂MCL系列中低压水平剖分式多级离心压缩机 BCL系列高压筒形压缩机 4 水平剖分型 气缸剖分为上下两部分 螺栓连接 上下机壳为组合件 由缸体和隔板组成 适于中低压压缩机 一般低于5MPa 5 垂直剖分型 气缸为筒形 隔板上下剖分 螺栓连接成为整体 气缸两侧端盖用螺栓紧固 隔板转子组装后送入筒形缸体 抗内压能力强 密封好 刚性好 温度 压力引起的变形均匀 适于压力高 易泄漏的气体 6 7 多轴式 齿轮箱中一个大齿轮驱动几个小齿轮 每个轴的一端或两端安装有叶轮 叶轮轴向进气 径向排气 以管道连接各级 从动轴转速不同 各级均在最佳状况下运行 适于中低压空气 蒸汽或惰性气体 8 9 结构组成 机壳 转子 定子 以及辅助系统 10 定子部分1 气缸 是压缩机的壳体 又称为机壳 由壳体和进排气室组成 内装有隔板 密封体 轴承等零部件 对它的主要要求是 有足够的强度以承受气体的压力 法兰结合面应严密 主要由铸钢组成 11 2 隔板 隔板是形成固定元件的气体通道 根据隔板在压缩机所处的位置 隔板可分为4种类型 进口隔板 中间隔板 段间隔板 排气隔板 12 13 转子部分 主轴压缩机的关键部件 他是主要起到装配叶轮 平衡盘 推力盘的作用 是转子部分的中心部位 14 压缩机装置系统图 15 16 转子 叶轮与轴的组件 1 叶轮 离心式压缩机中唯一的作功部件 它随轴高速旋转 气体在叶轮中受旋转离心力和扩压流动作用 因此气体流出叶轮时的压力和速度都得到明显提高 观看离心式压缩机装配动画 17 1 扩压器 离心式压缩机中的转能部件 气体从叶轮流出时速度很高 为此在叶轮出口后设置流通截面逐渐扩大的扩压器 以将这部分速度能有效地转变为压力能 2 弯道 设置于扩压器后的气流通道 其作用是将扩压器后的气体由离心方向改为向心方向 以便引入下一级叶轮去继续进行压缩 定子 扩压器 弯道 回流器 吸气室和蜗壳等固定元件 18 3 回流器 使气流以一定方向均匀进入下一级叶轮入口 回流器中一般都装有导向叶片 4 吸气室 将气体从进气管 或中间冷却器出口 均匀地引入叶轮进行压缩 5 蜗壳 把从扩压器或直接从叶轮出来的气体收集起来 并引出机外 在蜗壳收集气体的过程中 由于蜗壳外径及通流截面的逐渐扩大 因此它也起着一定的降速扩压作用 19 1 2离心式压缩机的基本工作原理 气体由吸气室吸入 通过叶轮对气体作功后 使气体的压力 速度 温度都得到提高 然后再进入扩压器 将气体的速度能转变为压力能 当通过一级叶轮对气体作功 扩压后不能满足输送要求时 就必须把气体再引入下一级继续进行压缩 为此 在扩压器后设置了弯道 回流器 使气体由离心方向变为向心方向 均匀地进入下一级叶轮进口 各级经蜗壳及排出管被引出至中间冷却器 冷却后的气体再经吸气室进入以后各级继续压缩 最后由排出管输出 气体在离心式压缩机中是沿着与压缩机轴线垂直的半径方向流动的 20 级是离心压缩机使气体增压的基本单元 有三种型式 即 首级 中间级 末级 21 22 1 3离心式压缩机的主要优缺点 23 优点 1 单级流量大 目前合成氨装置中合成气体压缩机的排气量达6000m3 min以上 在产量大于600吨 日的合成氨厂中主要的工艺用压缩机几乎都采用了离心式压缩机 2 重量轻 体积小 无论机组占地面积还是质量都比同一气量的活塞式压缩机小得多 3 运转可靠性 机组连续运转时间在一年以上 运转平稳 操作可靠 因此它的运转率高 而且易损件少 维修方便 目前大型石油化工过程用离心式压缩机多为单机运行 4 气体不与机器润滑系统的油接触 在压缩气体过程中 可以做到绝对不带油 有利于气体进行化学反应 5 转速较高 适宜用工业汽轮机或燃气轮机直接驱动 可以合理而充分的利用工艺过程本身的热能 节约能源 24 缺点 1 还不适用于气量太小及压力比过高的场合 2 离心式压缩机的效率一般低于活塞式压缩机 3 离心式压缩机的稳定工况区较窄 25 2气体在级中的流动及基本方程 26 气体在压缩机叶轮中的流动与液体在泵叶轮中流动非常类似 都是沿半径方向流动的 其圆周速度为u 相对速度为 绝对速度为c 圆周速度与相对速度的合成 相对速度 w 与叶片的切线方向一致 牵连速度 u 绝对速度 c 27 三者之间的关系可以用速度三角形表示 28 但气体与液体性质不同 又使其流动过程有所区别 气体与液体的密度相差很大 因此当它们通过叶轮获得同样的能头时 两者的压力升 p相差很大 气体是可压缩的 在气体压力提高的同时 其他状态参数如比容 温度等都在变化 尤其在高速下 气体的流动更复杂 气体在压缩机内的流动情况分析 欧拉方程 伯努利方程 用热力学基本方程来分析气体在压缩过程中状态参数的变化及其对流动影响 29 在离心式压缩机中气体的流动实际上是属于三元非稳态流动 在工程上 为了便于分析研究 常假设级中气体作一元定常流动 一元定常流动 垂直于流动方向的各截面上的流动参数 压力 温度 密度和速度等 都均匀一致且不随时间变化 这样 气体参数的变化仅与流道长度这一坐标有关 30 2 1连续方程 连续方程的基本表达式 气体作定常一元流动 流经机器任意截面的质量流量相等 其连续方程表示为 方程说明 随着气体在压缩过程中压力不断提高 其密度不断增大 容积流量沿机器不断减小 式中 G为质量流量kg s Q为容积流量m3 s 为气流密度 f为截面面积 c2r为垂直该截面的法向流速 31 2 2欧拉方程 欧拉方程是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 称为叶轮机械的基本方程 由流体力学的动量矩定理导出 其表达式 也可表示为 式中LT为叶轮输出的欧拉功 HT为每千克流体所接受的能量称为理论能量头 单位是J kg 32 欧拉方程的物理意义 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 该方程适用于任何气体或液体 既适用于叶轮式的压缩机 也适用于叶轮式的泵 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如汽轮机 燃气轮机等 原动机的欧拉方程为 33 叶片数有限的理论能头 无预旋 一般情况下气体是从径向流入叶道入口 简称径向进入叶轮或气流无预旋进入叶轮 此时 理论能头系数或周速系数 34 叶片数有限的理论能头 轴向旋涡液体由于存在惯性力 产生轴向涡流 方向与叶轮转动方向相反 结果使得相对速度和绝对速度产生滑移 无预旋 一般情况下气体是从径向流入叶道入口 简称径向进入叶轮或气流无预旋进入叶轮 此时 有限多叶片相对速度的分布工作面一侧相对速度小 非工作面一侧相对速度大 35 为此 斯陀道拉提出了计算周向分速的半理论半经验公式 滑移速度与叶轮结构 叶道中流动情况及流体性质有关 斯陀道拉认为 轴向漩涡的转速与叶轮转速相等 但方向相反 并假设轴向漩涡的直径近似等于叶轮叶道的有效宽度 轴向漩涡导致叶轮出口处气流产生平均附加圆周分速度 其数值为 wu2 36 实际叶轮理论扬程 滑移系数 又称环流系数 周速纠正系数 用以考虑叶片数有限对理论扬程的影响 与叶片数z 叶片离角 A2 叶轮形状尺寸等参数有关 37 有限多叶片的理论能头的计算公式 此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本方程式 说明 主要与叶轮圆周速度 流量系数 叶片出口角和叶片数有关 式中 流量系数 38 又可表达为 周速系数 39 例 离心式压缩机DA350 61第一级叶轮的外径D2 600mm 叶片出口角 A2 45 叶片数z 18 流量系数 r2 0 248 转速n 8600r min 求叶轮使每千克气体所获得的理论能头 解 40 2 4总耗功和功率 叶轮对每千克有效气体作的总功为 WT 叶轮通过叶片对叶道内的气体作功 成为叶片功 它就是气体获得的理论能头 Wdf 轮阻损失功 叶轮的轮盘和轮盖的外表面及轮缘等与周围气体有相对运动 产生摩擦而消耗功 轮阻损失功转变成热量而被气体吸收 Wl 内漏气损失功 由于叶轮轮盖处存在泄漏 有流量为Gl kg s 的气体从叶轮出口返回到叶轮入口 并且反复循环 把能量消耗在轮盖密封处 它也转变成热量而被气体吸收 41 每千克有效气体从叶轮中得到相应的总能头为 轮阻损失能头 内漏气损失能头 理论能头 42 思考 离心式压缩机的总能头Htot包括哪几部分 为什么泄漏损失能头Hl和轮盘阻力损失能头Hdf都要计入总能头 43 2 4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 根据热力学的能量转换与守恒定律 当气体在级中作稳定流动时 取级中任意两截面a b间的系统作为考察对象 则对单位质量气体有 焓 外界做功 外界加热 流速 位置 44 能量方程的物理意义 能量方程是既含有机械能又含有热能的能量转化与守恒方程 它表示由叶轮所作的机械功 转换为级内气体温度 或焓 的升高和动能的增加 该方程适用任一级 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而定 45 离心压缩机不从外界吸收热量 而由机壳向外散出的热量与气体与气体的热焓升高相比较是很小的 故可认为气体在机器内作绝热流动 其q 0 忽略a b截面高度差 且近似绝热过程 对理想气体有 定压比热容 气体常数 46 当a b截面分别为级的进 出口截面时 一个级的能量方程式可写为 47 2 5伯努利方程 应用伯努利方程将流体获得的能量区分为有用能量和能量损失 并引入压力参数 表示出压力的增加 将机械功与级内流体压力升高的静压能联系起来 其表达式为 在稳定流动中外界对气体所作的功 表现为气体静压头的提高 速度头的提高 并克服各种能量损失 它是计算压缩机中气体压力变化的一个重要方程式 48 hlos 级进出口全部能量损失hdf 轮阻损失hl 内漏气损失hhyd 各种流动损失 49 伯努利方程的物理意义 伯努利方程也是能量转化与守恒的一种表达式 它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 由于流体具有粘性 还需付出一部分能量克服流动损失或级中所有的损失 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部件 这由所取的时出口截面而定 对于不可压流体 其密度 为常数 则可直接解出 因而对输送水或其他液体的泵来说应用伯努利方程计算压力的升高是十分方便的 而对于可压缩流体 还需知道p f 的函数关系及热力学基础知识才可解决 50 2 6级效率 热力过程方程和压缩功的表达式关联 是外功中可以用来使气体压力升高并克服损失的能头 称为可用能头 伯努利方程 51 等温压缩过程中温度始终保持常数 等温压缩功 绝热压缩为等熵过程 绝热压缩功 或 52 多变压缩过程存在能量损失和气体同外界的热交换 多变压缩功 53 例题 某离心式空气压缩机的一个级 空气进 出口参数ts 20 ps 101 3 103Pa pd 155 103Pa 试计算压缩一千克空气需要的 和各为多少 解 空气的气体常数R 287 64J kg KTs 273 20 293K 54 55 在进气温度和压力比相同的条件下 等温压缩功最小 排气温度最低 多变压缩功最大 排气温度最高 所以多级压缩时常作成多段 增加段间冷却以降低气体温度 使压缩过程向等温过程靠近 达到节省压缩功的目的 压缩功大小与气体性质有关 在同样压力比下压缩轻的气体 气体常数R较大 比压缩重气体需要的压缩功大 例如压缩氢气需要的压缩功比压缩空气需要的压缩功大14 4倍 由于同一压缩机的级压缩同一质量流量的不同气体所提供的理论能头HT是相同的 所以 当压力比相同时 压缩轻气体需要的级数比重气体的多 56 降低气体的温度 节省功率 采用分段中间冷却器 如果段数为N 则中间冷却器的个数为N 1个 经过各段间冷却器存在压力损失 中间冷却器和管道的阻力降 加大功率消耗 因此 要合理选择压缩机的段数 57 多变效率 多变指数系数 58 3级中能量损失 59 3 1级内的流动损失 1 摩阻损失 产生原因 流体的粘性是根本原因 从叶轮进口到出口有流体与壁面接触 就有边界层存在 就将产生摩阻损失 摩阻损失Hf与摩阻系数相关 摩阻系数是Re与壁面粗糙度的函数 减小措施 减少叶轮外表面粗糙度 60 2 冲击损失 产生原因 流量偏离设计工况点 使得叶轮和叶片扩压器的进气冲角i 0 在叶片进口附近产生较大的扩张角 导致气流对叶片的冲击 造成分离损失 大小 采用冲击速度来表示 正冲角损失是负冲角损失的10 15倍 减少措施 控制在设计工况点附近运行 在叶轮前安装可转动导向叶片 流量小于设计 流量大于设计 61 3 分离损失 产生原因 通道截面突然变化 速度降低 近壁边界层增厚 引起分离损失 大小 大于沿程摩阻损失 受流道形状 壁面粗糙度 气流雷诺数 气体湍流程度影响 减少措施 控制通道的当量扩张角 控制进出口的相对速度比 62 4 二次涡流损失 产生原因 叶道同一截面上气流速度与压力分布不均匀 存在压差 产生流动 干扰主气流的流动 产生能量损失 在叶轮和弯道处急剧转弯部位出现 减少措施 增加叶片数 避免急剧转弯 大小 叶道的弯曲 气流速度方向的变化急剧与否 63 5 尾迹损失 产生原因 叶片尾部有一定厚度 气体从叶道中流出时 通流面积突然扩大 气流速度下降 边界层发生突然分离 在叶片尾部外缘形成气流旋涡区 尾迹区 尾迹区气流速度与主气流速度 压力相差较大 相互混合 产生的能量损失 减少措施 采用翼型叶片代替等厚叶片 将等厚叶片出口非工作面削薄 大小 与叶道出口速度 叶片厚度及叶道边界层有关 64 6 波阻损失 马赫数 M 流场中任一点处的气流速度c与该点气温下的音速a之比 马赫数是表征气流可压缩性的一个准数 当M 0 3时 一般可以不考虑密度的变化 即认为此时气流是不可压缩的 它所引起的误差也不超过9 当M 0 3时 就必须考虑密度的变化 即必须考虑气流的可压缩性了 否则会造成很大的误差 气体的可压缩性只有在高速时才明显地显示出来 65 6 波阻损失 产生原因 当超音速气流绕物体流动时 强扰动的波峰表面上将会有很大的压力及密度的突然变化 即在流场中往往出现突跃的压缩波 气流通过这种压缩波时 压力 温度 密度都突跃地升高 速度突跃地下降 气流受到突然的压缩 这种突跃压缩波叫激波 超音速气流被压缩时 一般都会产生激波 所以激波是超音速气流中的重要现象 气流通过激波时 有压力 密度 温度及速度的突跃 因此从热力学观点分析 这是一个不可逆过程 有很大的能量损失 由激波引起的这些能量损失的总和称为波阻损失 大小 当气速增大时 级中的能量损失将急剧增加 66 产生原因 叶轮旋转 轮盖 轮盘的外缘和轮缘与周围的气体发生摩擦 产生的损失大小 与轮盘的粗糙度 相对侧隙及雷诺数有关 对于离心叶轮 需试验得到轮阻损失功率 3 2轮阻损失 67 1 产生漏气损失的原因 存在间隙 存在压力差 出口压力大于进口压力 级出口压力大于叶轮出口压力 在叶轮两侧与固定件之间的间隙 轴端的间隙 产生漏气 存在能量损失 密封型式 梳齿密封 蜂窝密封等 3 3漏气损失 68 69 级中能量损失 流动损失 摩阻损失 冲击损失 分离损失 二次涡流损失 尾迹损失 波阻损失 内漏气损失 轮阻损失 减少叶轮外表面粗糙度 正冲角损失 小流量 与负冲角损失 大流量 控制通道的当量扩张角 增加叶片数 避免急弯 采用翼型叶片 马赫数表征气流可压缩性 与轮盘的粗糙度 相对侧隙及雷诺数有关 密封 70 4离心式压缩机的特性曲线 4 1级的特性曲线 离心压缩机工作性能最主要的参数是压力比 效率和流量 为将其工作性能形象表示出来 一般以曲线的形式表示 就得到了压缩机的性能曲线 级的性能曲线是指在气体状态 进口流量Qs 进气压力Ps 进气温度Ts 一定 转速不变的条件下 级的压力比 多变效率 pol以及功率Ntot随该级进气量Qs而变化的关系曲线 性能曲线由实验确定 71 1 级的特性曲线的形成 当级一定 转速一定 则无限多叶片理论能头与叶轮入口容积流量成直线关系 对于有限多叶片理论能头与叶轮入口容积流量仍成直线关系 72 1 级的特性曲线的形成 73 性能曲线Hpol Qs只在压缩机设计中使用 而工程应用中采用更为直观的 Qs曲线 经换算得 换算得到的 Qs曲线和Hpol Qs曲线形状相似 74 性能曲线的一般特点 随流量的减小 压缩机提供的压力比将增大 在最小流量时 达到最大 流量和压力比的关系是一一对应的 流量与其他参数的关系也是一一对应的 75 性能曲线的一般特点 流量有最大和最小两个极限流量 排出压力也有最大值和最小值 效率曲线有最高效率点 离开该点的工况效率下降很快 76 2 压缩机的喘振 压缩机喘振的机理 旋转脱离 压缩机喘振 整个压缩机系统发生周期性的低频大振幅的气流振荡现象 就称为喘振 现象 级进出口参数产生强烈脉动 叶片振动 机器噪音增大 77 喘振的内因 流量过小 小于压缩机的最小流量 导致机内出现严重的气体旋转脱离 喘振的外因 管网有一定容积 且压力高于压缩机的排压 造成气流倒流 产生大幅度的气流脉动 脉动的频率和振幅与管网容量有关 喘振的危害 压缩机性能恶化 压力 效率降低 出现异常噪声 吼叫和爆音 机组出现强烈振动 使得压缩机的轴承 密封损坏 转子和固定部件发生碰撞 造成机器严重破坏 喘振原因 78 操作者和运行人员的要求 应具备标注喘振线的压缩机性能曲线 随时了解压缩机工况点处在性能曲线图上的位置 熟悉各种监测系统和调节控制系统的操作 尽量使机器不致进入喘振状态 防喘振的措施 79 在首级或各级设置导叶转动机构以调节导叶角度 使流量减少时的进气冲角不致太大 从而避免发生喘振 在压缩机出口设置旁通管道 让压缩机通过足够的流量 以防进入喘振状态 在压缩机进口设置温度 流量监视仪表 出口设置压力监视仪表 一旦出现异常或喘振及时报警 设有与防喘振控制操作联动或与紧急停车联动 系统要求 80 当转速可调时 降低运行转速 可使流量减少而不致进入喘振状态 但出口压力随之降低 开大入口阀 提高压缩机入口流量 让压缩机的工作点离开喘振区 降低后部系统的压力 压力降低 工作点下移 喘振区范围变窄 工作范围变宽 后部系统压力无法降低而生产需求流量又很小的情况下 可开大压缩机防喘振阀 放空系统或将出口部分回流到入口 来提高入口流量 让压缩机的工作点离开喘振区 操作要求 81 产生原因 流量增大 气流的冲角达到较大的负冲角 在叶片工作面上发生边界层分离 叶片做功全部转变为能量损失 压力不再升高 仅用于维持在该流量下流动 在流道最小截面处出现了声速 边界层分离区急剧扩大 压缩机达到了阻塞工况 此时压力得不到提高 流量不再增大 3 压缩机的堵塞工况 最大流量工况 82 在性能曲线上 处于喘振工况和阻塞工况之间的区域 称为稳定工作范围 衡量压缩机性能好坏 除要求有较高的压力比和较高的效率外 还有较宽的稳定工作范围 4 压缩机的稳定工况区 83 4 2压缩机的性能曲线 1 级数对压缩机性能的影响 84 级与多级压缩机的性能曲线形状基本一致 由于受逐级气流密度的变化与影响 级数愈多 密度变化越大 压缩机的性能曲线愈陡 喘振流量愈大 堵塞流量愈小 稳定工况区也就越窄 多级离心式压缩机稳定工况区的宽窄 主要取决于最后几级的特性 85 2 转速对压缩机性能的影响 转速增大时 压缩机的压力比将显著增加 转速增大时 气流马赫数增大 这时流量若偏离设计工况 就会使损失大大增加 性能曲线变陡 使稳定工况范围变窄 压缩机只能在喘振界限右边正常工作 86 一定转速下 增大流量 压缩机的压力比将下降 反之则上升 一定转速下 如流量为设计流量时 压缩机效率达最高值 当流量大于或小于设计流量时 压缩机效率都下降 87 压缩机的性能曲线左端受到喘振工况的限制 右端受到堵塞工况的限制 在这两者之间的区域为压缩机稳定工况区 稳定工况区的宽窄 是衡量压缩机性能的重要指标之一 压缩机级数越多 则气体密度越大 性能曲线越陡 稳定工况区越窄 转速越高 压力比越大 但性能曲线越陡 稳定工况区越窄 随着转速的增高 压缩机的性能曲线向大流量 高压力方向转移 88 3 气体和进气温度对压缩机性能的影响 如进气温度Ts不变 在相同容积流量Qs下 此时Hpol也基本对应相等 压缩重的气体 R小的气体 所得到的压力比较大 反之 压缩轻的气体 所得的较小 假设压缩的是同一种气体介质 进气温度较高的气体 其 Qs曲线在下方 进气温度较低的性能曲线在上方 89 5离心式压缩机的性能调节 90 管网性能曲线 指通过管网的气体流量与保证这个流量通过管网所需要的压力之间的关系曲线 即p f Q 曲线 每一种管网都有自己的特性曲线 其决定于管网本身的结构和用户要求 有三种形式 管网阻力与流量无关 二次曲线 上面两种形式的混合 5 1管网性能曲线 91 管网阻力与流量无关 可用表示的二次曲线 上面两种形式的混合 Qs 92 5 2离心式压缩机的工作点 压缩机和管网的性能协调 处于稳定操作的工作点具有两个条件 压缩机的排气量等于管网的进气量 压缩机提供的背压等于管网所需的端压 所以这个稳定工作点一定是压缩机性能曲线与管网性能曲线之交点 93 调节的目的 使压缩机适应变工况下操作 保持生产系统的稳定 调节的方法 等压调节 保持排气压力不变 只改变气体流量的调节 和等流量调节 保持气体流量不变 只改变排气压力的调节 调节原理 设法改变压缩机的性能曲线和改变管网性能曲线 其实质是改变压缩机的工况点 5 3离心式压缩机工况的调节 94 1 压缩机出口节流调节 方法 调节压缩机出口管道中节流阀门的开度 特点 改变管网阻力特性曲线 减小阀门开度 减小流量 反之亦然 阀门关小 管网阻力损失增大 系统效率降低 方法简单 操作方便 仅在风机和小型压缩机上采用 95 2 压缩机进口节流调节 方法 调节进口管道中阀门开度 特点 比出口节流调节节省功率 改变压缩机性能曲线的位置 达到调节输送气体的流量和压力的目的 压缩机性能曲线向小流量方向移动 使其在更小流量下稳定运行 带来一定压力损失使排气压力降低 简便常用的方法 96 3 改变压缩机转速的调节 方法 利用原动机改变转速 特点 改变压缩机性能曲线位置 流量和压力的变化较大 扩大了稳定工况范围 经济简便的方法 不增加附加能量损失 不需改变压缩机的结构 但驱动机必须是可调速的 97 4 采用可转动的进口导叶调节 又称进气预旋调节 方法 在叶轮之前设置进口导叶 并用专门机构 使各个叶片绕自身的轴转动 从而改变导向叶片的角度 使叶轮进口气流产生预旋 分为正预旋和负预旋 特点 改变压缩机性能曲线 经济性好于进出口节流调节 机构复杂 实际应用不多 一般只在风机上使用 正预旋角越大 曲线越陡 98 99 5 采用可转动的扩压器叶片调节 方法 改变扩压器叶片的进口角 来适应流角 特点 改变压缩机性能曲线 扩大了稳定工作范围喘振流量减小 对于等压下调节流量有利 压力 效率变化小 很少单独使用 调节机构复杂 应用不多 100 6 三种调节方法的经济性比较及联合采用两种调节 1 进口节流 进气预旋和改变转速比较 改变转速最为经济 2 两种方法联合使用 例如 改变转速和改变扩压器叶片角度 稳定工作范围扩大 101 改变转速的调节方法 经济性最好 调节范围广 适用于蒸汽轮机 燃气轮机驱动的压缩机 压缩机进口节流调节方法 方法简单 经济性较好 且具有一定的调节范围 在转速固定的压缩机 鼓风机等采用 转动进口导叶调节方法 调节范围较广 经济性也好 但结构较复杂 转动扩压器叶片调节方法 使压缩机性能曲线平移 对减小喘振流量 扩大稳定工作范围很有效 经济性也好 但结构复杂 目前该法很少单独采用 有时同转速调节法联合使用 出口节流调节方法最简单 但经济性最差 目前只在通风机和小功率的压缩机 鼓风机上使用 同时采用两种调节方法 可取长补短 最有效地扩大压缩机的稳定工作范围 7 对上述调节方法做一综合比较 102 5 4压缩机的串联与并联 串联 增大气流的排出压力 并联 增大气流的输送流量 不适于管网阻力较大的系统 要求 需保证压缩机的特性与管网特性相互匹配 防止使用不当出现问题 串联和并联操作适用于流量或压力需长时间增加的操作 在风机或离心泵中使用普遍 在压缩机不常应用 103 当压缩机串联工作时 两台压缩机的质量流量G应相等 对应的进口体积流量应满足的关系 两台压缩机串联后 总的性能曲线要比单机陡 为了保证合适的稳定工作范围 一般要求第二台压缩机的稳定工况区最好比第一台宽 由于压缩机的串联增加了整个系统的复杂性 因此很少采用 一般在设计时 应使一台压缩机就能满足压力要求 压缩机的并联常用于以下情况 1 必须增加输气量 而又不需要对现有的压缩机作重新改造 2 气体用量很大 用一台压缩机可能尺寸过大或制造上有困难 这时应考虑两台小的压缩机并联供气 3 用户的用气量经常变动 这时用两台机器并联 一台作为主要工作机 另一台作辅机 104 6 1相似理论的应用价值 按照性能良好的模型级或机器 快速设计出性能良好的新机器 将模型化试验的结果 换算成设计条件或使用条件下的机器性能 相似的机器可用通用性能曲线表示其性能 使产品系列化 通用化 标准化 利于产品设计制造 也利于产品的选型使用 利用相似理论中的一些规律 与试验结合 有效解决一些复杂过程的研究和设计问题 大致有以下四方面用途 相似理论的主要任务在于揭示满足相似所需的足够条件 包括找出决定流动相似的相似准数 在离心式压缩机中的应用有重要意义 6相似原理在离心式压缩机中的应用 105 对于离心压缩机的相似原理 主要是研究气体在机内接受叶轮外功 进行能量交换过程中的流动相似问题 为简化讨论 仅研究理想气体在一元稳定流动中的流动相似 6 2离心压缩机流动相似应具备的条件 流动相似 流体流经几何相似的通道或机器时 其任意对应点上同名物理量比值相等 就可认为机器的流动性能相似 相似条件 几何相似 运动相似 动力相似 热力相似 为了保证两机流动相似必须具备的相似条件 106 对于离心压缩机要保持两机流动相似必须具备的条件 1 几何相似 两机通流部件对应的线性尺寸之比为常数 对应角度相等 即 几何相似是物理现象相似的先决条件 107 108 2 运动相似 流动过程中两机对应点的同名速度大小成比例 且为一常数 速度方向角相同 即实际上一般只要求叶轮进口速度三角形对应相似就满足运动相似的要求 109 3 动力相似 指两机对应点上作用的同名力大小成比例 且为一常数 力的方向对应相同 判别动力相似的判据是动力相似准数 表示粘性影响的决定性准数是雷诺数 表示可压缩性影响的决定性准数是马赫数 离心式压缩机的雷诺数往往大于临界值 5 106 107 摩阻系数近似常数 可不考虑 110 在气体压缩过程中 气体参数的变化受气体可压缩性的影响 随马赫数的增大 其影响愈加显著 所以 要保持两机流动相似 各对应点的马赫数应相等 为了简化以不随工况改变的机器特征马赫数代替第一级进口马赫数 即动力相似的条件是两机的特征马赫数相等 111 4 热力相似 指气体在两机内的流动过程中 气体的热力过程相似 即两机的气体等熵指数应相等 等熵指数相等是两机相似的必需条件 若k相等 还可证明两机多变指数m相等 多变效率 pol相等 多变指数系数 多变效率 112 所以 要保持两台离心压缩机流动完全相似 必须具备以下相似条件 几何相似 叶轮进口速度三角形相似 特征马赫数相等 气体等熵绝热指数相等 113 6 3离心式压缩机的性能换算 1 符合相似条件的性能换算 完全相似 两台机器符合相似条件时 只要知道一台机器的性能参数 就可应用相似换算得到另一台机器的性能参数 解决的问题 将模型机试验条件下的性能参数 换算成实物机设计条件时的性能参数 新设计制造的机器在产品试验条件下的性能参数 换算成产品设计时的性能参数 114 压力比关系 多变效率关系 能量头关系 功率关系 转速关系 流量关系 115 2 模化设计 模化设计 把一台已有性能良好的压缩机作为样机 模型机 设计一台完全相似的新机器 实物机 的过程 设计过程 选择合适的模化样机和模化点 确定几何尺寸的缩放比 确定新机器的转速 确定功率 根据模型机的性能曲线 利用上述符合相似条件的性能参数换算有关公式 得到新机器的性能曲线 116 7离心式压缩机中的主要零部件 7 1叶轮 叶轮是主要的做功元件 它将外界 原动机 的能量传递给气体 使气体增压 1 叶轮组成及种类 按叶轮结构型式闭式叶轮 性能好 效率高 由于轮盖的影响 叶轮圆周速度受到限制 半开式叶轮 效率较低 强度较高 双面进气叶轮 适用于大流量 且轴向力平衡好 117 闭式叶轮 半开式叶轮 双面进气叶轮 118 按叶轮叶片型式后弯型叶轮 A2 90 级效率高 稳定工作范围宽 径向型叶轮 A2 90 性能介于后弯型和前弯型之间 前弯型叶轮 A2 90 级效率较低 稳定工作范围窄 119 叶片离角 A2对理论扬程的影响 A2增加时 Ht 也增加 后弯叶片 前弯叶片 径向叶片 120 A2 90 时 Hd 1 2Ht 径向叶片 A2 90 时 1 2后弯叶片 A2 90 时 1 2前弯叶片 反作用度 反映静扬程在理论扬程中所占的比例 121 122 2 叶片安装角 叶片入口安装角 A1的确定是从避免气体进入叶道时产生冲击损失考虑的 即在设计工况下 基本上应等于入口气流相对速度方向角 1 A1不能过小 15 否则叶道将过长 会增流动损失 一般取30 34 在多级压缩机中 为了便于设计及加工 常对同一段叶轮取同一个 A1值 叶片出口安装角 A2一般 16 40 最常用的是20 30 123 3 流量系数 流量系数是一个随压缩机气量变化而变化的气动参数 要选择的是设计工况下的流量系数 的取值合理与否对级的能头及效率影响很大 从欧拉方程式 当取较小时 HT较大 为了保证级的能头不至于太小 应该选取较小的值 但因为叶道中的气流受轴向涡流和曲线形通道造成的离心惯性力影响 气流分布是不均匀的 为了不使低速处的气流速度小到零 甚至为负值 倒流 就必须保证叶道中具有足够大的平均速度 因此太小也不利 叶道中气流的不均匀程度随 A2增大而增大 因此流量系数的适宜值也就随 A2的增大而增大 124 不同型式叶轮的流量系数推荐值 125 4 叶轮相对宽度b2 D2 叶轮宽度b2与进气量 叶轮直径以及所选择的流量系数均有关系 在叶轮直径一定的情况下 大流量要求b2大 小流量则b2小 如b2 D2过大 叶道中气速分布严重不均匀 容易出现边界层分离 导致叶轮及扩压器效率下降 若b2 D2过小 则叶道水力半径减小 Re数减小而使摩擦系数增大 若b2 D2过小 轮阻损失及泄漏损失增大 级效率下降 试验表明0 025 b2 D2 0 065较合适 对径向叶片型叶轮宜取较小值 对后弯叶片型叶轮取偏大值 126 5 叶轮直径比D1 D2 叶轮入口直径与出口直径之比D1 D2过大或过小都会降低气流在叶轮中的流动效率 若D1 D2过大 则会增加叶道的扩张角 容易造成边界层分离 同时还会使 减小 不能充分利用叶轮给气体的旋转惯性力来提高气体静压 降低了级效率 若D1 D2过小 则使叶道过长 摩擦阻力损失增加 也影响效率 根据试验结果 一般认为D1 D2 0 45 0 65较合适 127 6 叶轮叶片型线 叶片一般有圆弧型 直线型 机翼型及扭曲型等 一般多采用圆弧型 因为它加工方便 且性能较好 128 7 叶片数z 叶轮中的叶片起着对气体作功 并引导气体作有效流动的作用 叶片太少 有效导流作用弱 轴向涡流的强度增加 使能量头HT减小 叶片过少 还会增大扩张角 使级效率降低 若叶片数太多 将使叶片阻塞系数 1及 2减小 增加摩擦损失 对HT及 都不利 对于 A2大的叶轮 叶片数z应多取些 以限制其扩张角 而对于 A2小的叶轮 叶片数z应取少些 以减少摩擦损失 一般取14 32片 129 8 三元叶轮的应用 为满足离心压缩机对增大流量 提高效率 提高单级压力比 并具有较宽的变工况范围的要求 研制开发了三元叶轮 三元叶轮特点 叶片既弯又扭 气流参数变化均匀 液流流动更加符合实际情况 多变效率达80 86 变工况的工作范围宽 130 叶轮出口的气流绝对速度较大 为了提高级的增压比和效率 设置了扩压器使气流降速增压 无叶扩压器 结构简单 级变工况较好 稳定工作范围宽 隔板直径大 叶片扩压器 结构复杂 效率高 隔板直径小 变工况性能差 稳定工作范围窄 7 2扩压器 131 1 无叶扩压器 结构和工作原理 无叶扩压器通常是由两个平行壁面构成的环形通道所组成 从叶轮中流出的气体 经过扩压器通道时 由于通道截面面积逐渐增大 速度逐渐降低 而压力逐渐升高 132 对扩压器进口截面3 3和扩压器出口截面4 4间的伯努利方程 动能减小 压力能增加 流动损失 133 几何参数 无叶扩压器直径比是按气流在扩压器中的减速需要来确定的 气流速度比c4 c2大致与直径比D4 D2成反比 即 要扩压器充分扩压 势必加大扩压器外径 为了减小分离损失 扩压程度不能太大 由于无叶扩压器是依靠直径增大来扩压的 所以一般限制D4 D2 1 50 1 70 无叶扩压器的D3一般稍大于D2 通常D3 1 03 1 12 D2 当D2大时 系数可取小值 134 无叶扩压器的特点 结构简单 稳定工况范围大 通用性好 只要扩压器的D3及b3合适 可用于不同的的叶轮 当进入扩压器的气流速度c3超音速时 在扩压器内也不会形成激波 135 无叶扩压器的缺点 要增加扩压效果 必然要尽量加大直径 这就加大了机器的径向尺寸 因为气流方向角基本不变 因此流动轨迹较长 摩擦损失较大 故设计工况下效率低于叶片扩压器 角愈小则效率愈低 因此 一般要求气流角 2不小于18 136 2 叶片扩压器 结构和工作原理 在无叶扩压器的环形通道中 均匀安装叶片 就成为叶片扩压器 在叶片扩压器内叶道中的气流受到叶片的引导 迫使气流沿着叶片方向运动 气体在叶道中的运动轨迹 A 由于扩压器叶片安置角是由进口向出口逐渐增加的 即 A3 A A4 因此气流在叶片扩压器中流动时 气流方向角也是不断增加的 即 3 A 4 137 叶片扩压器的特点 扩压程度大而尺寸小 叶片扩压器中的气流由于受到叶片的引导 使得流道短 流动损失小 在设计工况下 叶片扩压器的效率一般要比无叶扩压器高3 5 叶片扩压器的缺点 在工况偏离设计工况时 由于 3与 A3不一致 产生冲击损失 使级效率下降较多 当冲角增大到一定值后 会因发生强烈的分离现象而导致压缩机喘振 因此 安有叶片扩压器的级或压缩机的性能曲线较陡 稳定工况区较窄 138 7 3弯道和回流器 为了把扩压器后的气体引导到下一级去进一步增压 在扩压器后设置了弯道和回流器 截面4 4至截面5 5为弯道 截面5 5至6 6为回流器 139 弯道一般不安装叶片 气体如同在无叶扩压器中流动一样 在弯道中流动也遵循质量守恒和动量矩不变的原理 气体从扩压器出来后经弯道拐180 弯进入回流器 由于气体进入回流器仍具有绕叶轮轴线的旋绕运动 为了保证下一级叶轮入口轴向进气 回流器必须装叶片 叶片数一般有12 18片 140 7 4排气室 排气室是把从扩压器或者叶轮 无扩压器时 出来的气体汇集起来 引到机外输气管道或冷却器中去 并把较高的气流速度降低至排气室出口的气流速度 使气体压力进一步提高 141 7 5轴向力及平衡装置 1 转子的轴向力 由于叶轮的轮盘和轮盖两侧所受的气体作用力不同 相互抵消后 还会剩下一部分轴向力作用于转子 所有叶轮轴向力之代数和就是整个转子的气体轴向推力 轴向力作用方向一般是从高压端向低压端 转子的轴向推力经平衡后 剩下的轴向推力由推力轴承来承担 如果推力过大 会影响轴承寿命 甚至损坏机器 142 向左的轴向推力为F2 叶轮总的向左的轴向推力为 右图为闭式叶轮侧面的受力情况 向右的轴向力由F0和F1组成 其中 143 上式是由假定D1 D2两侧的压力相等得到的 但实际上 轮盖侧与轮盘侧间隙中的流体流动方向相反 流速不同 压力分布也不同 对轮盖侧而言 流体由外径侧向内径侧流动 使间隙中的流体圆周速度增加而压力下降 流动损失较大 又使压力下降 轮盘侧情况相反 这样产生一个附加轴向力 144 则总轴向力 145 可以看出 叶轮的压力比越高 即叶轮出口和进口的压力差越大 轴向推力越大 反之就越小 减小轮盖密封直径Ds 可使轴向推力减少 如果气体压力不高 密度较小 可以忽略离心力的影响和附加轴向力影响 如取 则总轴向力可简化为 146 2 轴向推力的平衡方法 叶轮对置或分段对置 它是多级离心式压缩机最常用的轴向力平衡方法 缺点 管系布置复杂 147 148 平衡盘装置 平衡活塞 结构 平衡盘一般装在高压端 外缘与气缸间设有迷宫式密封 使平衡盘两侧保持压力差 一侧是高压气体 另一侧接转子的第一级入口 使气体压力接近于进气压力 作用原理 平衡盘两侧的压力差作用在平衡盘上 产生一个轴向力 方向正好和叶轮的轴向力相反 可以配置DsP和DaP使转子轴向力的大部分得到平衡 特点 平衡盘结构简单 不影响气体管线的布置 应用极为普遍 149 叶轮背面加筋 作用原理 叶轮背面的筋使叶轮相当于半开式叶轮 在叶轮旋转时 带筋时叶轮背面靠近内径处的压力显著下降 特点 合理选择筋的长度 可将叶轮的部分轴向力平衡掉 这种方法在介质密度较大时 效果更为明显 150 7 6轴承 轴承的分类 滚动轴承 滑动轴承 滚动轴承结构 内圈 外圈 滚动体和保持架优点 设计简单 效率高 产品标准化 具有优良的互换性和通用性 大多数类型的轴承能同时承受径向和轴向载荷 轴向尺寸较小 易于润滑 维护及保养 缺点 径向尺寸较大 在高速 重载荷条件下工作时 寿命短 振动及噪音较大 151 工作原理 利用轴颈在转动时将润滑油带入轴颈与轴承瓦之间的间隙而产生油膜压力 以支承轴颈所加的载荷 优点 滑动轴承的承载能力大 回转精度高 润滑油膜具有抗冲击作用 在大型旋转机械上获得广泛应用 分类 按承受载荷的方向不同滑动轴承分为径向轴承和推力轴承 1 滑动轴承工作原理 滑动轴承 152 转速越高 油粘度越大 被带进的油越多 油膜压强越大 承受的载荷就越大 油的粘度过大 会使油分布不均匀 增加摩擦损失 不能保持良好的润滑效果 轴承间隙过大 对油膜形成不利 并增大油耗 轴承间隙过小 油量不足 不能满足轴承冷却要求 轴承油膜的形成和油膜压强的大小受轴的转速 润滑油粘度 轴承间隙 轴承负荷 轴承结构等因素的影响 153 2 半速涡动和油膜振荡 半速涡动 当外界干扰使轴颈中心瞬时偏离平衡位置 由O 移至O 油膜合力W 和载荷G不再大小相等 方向相反 而是形成一个合力 F 其分量 Fx推动轴颈趋向返回O 分量 Fy推动轴颈绕平衡位置O 涡动 154 涡动的特点 涡动角速度约为转子角速度的一半或稍低 故称之为半速涡动 涡动与转子的转向相同 涡动一旦产生 就在相当广的转速范围内持续下去 而且始终保持半速 155 涡动可能的三种情况 收敛的 油膜阻尼力大于推动力 稳定的 油膜推动力做功与阻尼力吸收的功相等 只要O 距O 在允许范围内稳定运转 则无危害 发散的 油膜推动力大于阻尼力 危险 156 油膜振荡 临界转速 若转子旋转的角速度与转子弯曲振荡的固有圆周频率相重合 则转子发生强烈的共振导致转子破坏 转子与此相应的转速称为转子的临界转速 一旦转速远离临界转速 则转子运转平稳不发生强烈振动 转子弯曲振动的临界转速可有1 2 i阶个 但实际转子工作转速不会太大 所以关注1 2阶临界转速 157 临界转速 对刚性转子 对柔性转子 为防止轴承油膜振荡 158 油膜振荡 轻转子油膜振荡的发展过程 当转子转速升高到二倍于一阶临界转速时 半速涡动的角速度恰好等于一阶临界转速 c1 则转子 轴承等发生共振性振荡 称为油膜振荡 轻载 中载 重载转子发生半速涡动和油膜振荡的起始转速随振幅的大小是不同的 有的重载转子不出现半速涡动 而在转速超过2 c1的某更大转速直接发生油膜振荡 159 油膜振荡一旦产生 其振荡频率就趋近并保持一阶临界转速的频率不变 不再随转子转速的升高而变化 油膜振荡的振幅比半速涡动的振幅大得多 有毁坏机器的危险 为避免油膜振荡 要求工作转速小于二阶临界转速 160 防止油膜振荡的方法 提高转子刚度 即提高转子的一阶临界转速 但多级压缩机多用高速轻载柔性转子 提高刚度较困难 采用抑振性能良好的轴承 改变轴承的结构或参数 161 3 径向支持轴承 径向轴承指承受径向载荷的轴承 其结构分为轴瓦 轴承座 垫圈等 轴瓦的瓦块一般用钢材内浇一层1 3mm厚的巴氏合金制成 轴瓦的底部有进油孔 可使润滑油进入轴瓦 形成油膜 支持转轴 同时带走产生的热量 1 普通的圆柱轴承 2 椭圆轴承 3 多油叶轴承 4 多油楔轴承 5 可倾瓦轴承 162 巴氏合金 巴氏合金是最广为人知的轴承材料 由美国人巴比特发明而得名 因其呈白色 又称白合金 具有减摩特性的锡基巴氏合金和铅基巴氏合金是唯一适合相对于低硬度轴转动的材料 与其它轴承材料相比 具有更好的适应性和压入性 广泛用于大型旋转机械 163 巴氏合金 巴氏合金的主要成分是锡 Sn 铅 Pb 锑 Sb 铜 Cu 锑和铜用以提高合金强度和硬度 在所有这些合金系中 锑和铜均作为重要的合金化元素和硬化元素 而且其结构是由硬的 弥散于软基质中的金属间化合物组成 164 巴氏合金 巴氏合金的组织特点 在软相基体上均匀分布着硬相质点 软相基体使巴氏合金具有非常好的嵌藏性 顺应性和抗咬合性 并在磨合后 软基体内凹 硬质点外凸 使滑动面之间形成微小间隙 成为贮油空间和润滑油通道 利于减摩 上凸的硬质点起支承作用 有利于承载 165 166 167 168 169 170 171 172 4 轴向推力轴承 止推轴承 173 当前 国内外活动多块式止推轴承主要分为两类 一类是米契尔轴承 一类是金斯伯雷轴承 Kingsbury 174 止推瓦块同基环直接接触 是单层的 优点 对变动载荷的适应能力较强 结构简单 轴向尺寸小 缺点 当瓦块厚度稍有差别或轴承基环同止推盘平行度有误差时 每块瓦块间负荷不能调节 会造成部分瓦块过载 使瓦块磨损不均 175 由止推瓦块 上摇块 下摇块和基环组成 它们之间以球面支点接触 止推块下垫有上水准块 下水准块 基环 相当于三层零件叠放在基环上 保证止推瓦块和摇块可自由摆动 使载荷分布均匀 优点 瓦块间载荷分布均匀 调节灵活 能自动补偿转子不对中 偏斜 缺点 结构复杂 需要轴向安装尺寸较长 金斯伯雷止推轴承 176 金斯伯雷推力轴承