第三章-离心式压缩机-6.ppt

离心式压缩机 过程流体机械 机械设备 第三章离心式压缩机 离心式压缩机典型结构和工作原理 3 1 性能调节与控制 3 2 安全可靠性 3 3 选型 轴流式压缩机 3 4 菜单 离心式压缩机的基本方程 概述 气体压缩机 容积式 透平式 往复式 回转式 活塞式 柱塞式 隔膜式 罗茨式 叶氏式 螺杆式 滑片式 离心式 轴流式 斜流式 复合式 离心压缩机和轴流式压缩机等习惯称为风机 分压缩机 鼓风机和通风机 按排出压力分类 0 015MPa通风机0 015MPa 0 3MPa 0 35MPa 鼓风机 0 3MPa 0 35MPa 压缩机 离心压缩机 速度式透平机械 概述 离心压缩机的发展概况 新技术 新工艺使得离心压缩机的应用领域愈来愈广 石油化工 油气集输 离心压缩机是在通风机基础上发展起来流量10000m3 min提高了转速 大都在35000rpm以上 同时解决了高速度轴承及其动平衡问题浮环密封结构 解决了高压下的轴端密封筒型及双层壳解决了强度问题和机体密封电火花加工使小流量下窄流道叶轮的加工得到解决 吴仲华教授 1917 1992 1947年美国麻省理工博士学位美国NASA科学家 准三元流动基本理论 60年代开始应用准三元流动理论 设计空间扭曲叶片 以改善级的流动性能 提高效率 单轴离心式压缩机 离心式压缩机 能量转化过程 机械能 气体动能 压能 进一步转换成压能叶轮转速越高 直径越大传递的能量越大 工作原理 驱动机 转子高速旋转 叶轮入口产生负压 吸气 气体在叶轮增速及后面流道中扩压 被压缩气体连续从蜗壳排出 气体的流动过程 EI120 6 35 0 95E 有中间冷却器的多级高速离心压缩机I 代表汽缸 罗马字I 主要结构 v 离心式压缩机典型结构 叶轮 扩压器 弯道 回流器 出口蜗壳 吸气室 转子 转轴 固定在轴上的叶轮 轴套 联轴器及平衡盘等 离心压缩机 定子 压缩机的固定元件 如机壳 扩压器 弯道 回流器 蜗壳 吸气室 离心式压缩机典型结构 叶轮 唯一做功部件 增加气体能量 扩压器 主要转能装置 泵中蜗壳或导叶 速度能转换为压力能 弯道 在扩压器后使离心流动变为向心流动 引入下一级 回流器 使气流以一定方向均匀流入下一级叶轮入口 有的装有导向叶片 吸气室 将进气管中气体均匀导入叶轮 蜗壳 收集气体 引出 降速扩压作用 主要过流部件 离心式压缩机典型结构 级 段 缸 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 可以由几个级构成 一个机壳称为一缸 多机壳称为多缸 在叶轮数较多时采用 吸气室 叶轮 扩压器 弯道 回流器 蜗壳 主要部件及典型结构 级是离心压缩机使气体增压的基本单元 分为首级 中间级 末级中间级 由叶轮 扩压器 弯道 回流器组成 首级 吸气室 中间级 末级 叶轮 扩压器 蜗壳 级的典型结构与关键截面 离心压缩机的典型结构与特点级的典型结构 各元件通流截面变化及能量转换情况 1 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 离心式叶轮的典型结构 按叶轮叶片弯曲型式 叶片的出口安装角 后弯型叶轮 A 90 级效率高 稳定工作范围宽 径向型叶轮 A 90 性能介于后弯型和前弯型之间 前弯型叶轮 A 90 级效率较低 稳定工作范围窄 A 速度三角形 叶轮进出口的速度三角形 气流在叶轮中流动的绝对速度为相对速度和牵连速度的矢量和 位于叶轮叶道内任一点的流体质点的运动状态 均可用一个速度三角形来表达 实际应用中 主要用进 出口的速度三角形 它的形状和大小将直接关系到叶轮和流体间的能量交换 功耗 叶轮与速度三角形中各参数的含义如下 气流绝对速度与圆周速度的夹角 气流相对速度与圆周速度反方向的夹角 液流角 cr 绝对速度的径向分速 cu 绝对速度的周向分速 A 叶片安置角 叶片在该点的切线与圆周速度反方向的夹角 当叶片数无穷多时 A 叶轮出口处的叶片安置角 A又叫叶片离角 离心叶轮的典型结构叶轮速度三角形 叶轮透平机械理论基础适用压缩机 泵 汽轮机等下标 1 叶轮进口截面2 叶轮出口截面A 叶片th 理论参数 叶片无限多 无限薄 不占体积 理论参数 实际参数 叶轮出口速度三角形 叶轮进口速度三角形 绝对速度 叶轮出口速度三角形 叶轮进口速度三角形 离心叶轮的典型结构叶轮速度三角形气流速度 绝对速度 气流速度 c c2 c1牵连速度 叶轮圆周速度 u r 角速度 u2 u1相对速度 流动速度 w w2 w1气流角度 实际参数 2 w2 u2 2 c2 u2 结构角度 理论参数 叶片出口角 2A 切线 u反向 与流动和介质无关 理想状况 2 2A 相对速度 圆周速度 叶轮进口速度三角形 叶轮进口速度三角形 离心叶轮的典型结构叶轮速度三角形分速度 周向分速度 c在圆周方向分量 cu c2u c1u与能量 扬程 有关能量头 周速 系数 2u c2u u2径向分速度 c在直径方向分量 cr c2r c1r与流量 流速 有关流量系数 2r c2r u2 径向分速度 周向分速度 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 扩压器结构 扩压器动能转换为压力能作用扩压原理 气流从叶轮中出来 速度高 动能大 进入扩压器后 由于流通面积逐渐增大 使速度降低 依据能量守恒与转换定律 部分动能减少而转换为压能 实现增压的目的 扩压器种类 叶片式 直壁式 无叶扩压器 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 维护费用省低 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 离心式压缩机的特点 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 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 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 离心式压缩机的特点 续 3 1 2离心压缩机的基本方程 3 1 2 1连续方程3 1 2 2欧拉方程3 1 2 3能量方程3 1 2 4伯努利方程3 1 2 5压缩过程与压缩功 压缩机中气体流动实为三元非定常流动 有粘性 压缩性 情况复杂 工程上常可简化为一元定常流动进行分析处理 即进气状态 排气状态 n不变时 认为流体中同一载面上各点气流参数均一 在保持稳定工作条件下气流参数不随时间变化 连续方程是质量守恒定律在流体力学中的数学表达式 在定常一元流动情况下 其连续方程表示为 3 1 2 1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 叶轮出口相对宽度 出口叶片阻塞系数 2 0 95 0 98 0 025 b2 D2 0 065 理想情况 每千克气体所获得的能量Hth应等于叶轮所输出的功Lth 此式即为欧拉方程式 Hth 为流体的理论能量头 3 1 2 2欧拉方程 欧拉方程的物理意义 1 是叶轮机械理论计算 性能分析 结构设计的依据 对所有叶轮式 非封闭体系都适用 无论是原动机还是工作机 2 介质能量的增加Hth 只与叶轮进 出口介质的速度u w c有关 只要知道叶轮进出口速度 即可计算流体所获得能力 不管叶轮内部流动情况 3 描述叶轮与流体之间能量转换关系 遵循能量守恒定律 1 工程上理论能量头计算理论能量头计算 在理论流量下 额定流量 叶轮进口气体无冲击 无预旋的进入叶道 此时 C1 C1rC1u 0 1 90 进出口速度三角形 工程上理论能量头计算 欧拉方程 其中 理论能量头 理论流量下的欧拉方程 式中 结论 叶轮结构一定 转速一定 则理论能量头即确定 因而 气体经过叶轮后所得到的能量就一定了 理论能量头系数 理论能量头的影响因素分析 圆周速度 n 或D u2 Hth 影响最显著 流量系数 后弯式叶轮在其它参数一定时 q c2r 则Hth 即 流量增加 则理论能量头降低 理论能量头的影响因素分析 叶片安装角度 2Aa 后弯叶片 2A 90 叶片弯曲与旋转方向相反 当 2A 1 89 ctg 2A 而Hth 略有升高 2 直角叶片 2A 90 3 前弯叶片 2A 90 ctg 2A 负值 C2 则 Hth 采用前弯叶片时 绝对速度C2成倍提高 前弯式叶轮的做功能力最强 动能最大 在扩压管 壳体内出现冲击现象 效率较低 故压缩机不采用前弯叶片一般情况下 离心通风机选 2A 90 航空涡轮发动机选 2A 90 大中型压缩机 2A 30 60 能量方程用于计算级内气体温度 焓 的变化和速度 动能 变化 当外界对级内气体做功或输入能量后 就单位质量气体而言 根据能量守衡定律 必然使气体的焓值和动能增加 能量方程为 3 1 2 3能量方程 其中 0 叶轮进口或级的进口截面 0 级的出口截面 能量守衡定律任何一段流道 故此 上式简化为 在离心式压缩机中 由于气体流速很快 通常 通过机壳 与外界的热交换很小 可认为是绝热流动 即 几乎无热量传递 q 0 对叶轮进出口截面而言 能量方程为 即 叶轮传给气体的能量 一部分转化为焓的增量 一部分转化为动能增量 对扩压器进出口截面而言 气体既没有获得也没有输出机械功和能量 故H 0 q 0 即为绝能流动 能量方程为 即 当气体做绝能流动时 流道内任意截面处的焓值和动能之和为一常数 或 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 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 1 2 4伯努利方程 级内的流动损失 对包含叶轮的一段流道 伯努利方程为 impeller 对照可见 上式表明 流体在叶轮中牵连速度的增加和相对速度的减少 一部分转化为静压能增高 一部分用于克服叶轮中的流动损失 对不包含叶轮的一段流道 如扩压器 diffuser 伯努利方程为 或为 动能的减少 一部分变为压力升高 降速扩压 一部分用于克服流动阻力 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 1 2 5压缩过程与压缩功 对不可压缩的液体 静压能头的增量 对可压缩的气体 由于压力的改变必将引起比容 密度 的改变 而比容的改变与压缩过程有关 因此 有等温 isothermal 等熵 adiabatical 和多变 polytrope 三种形式 等温压缩功 绝热压缩功 多变压缩功 气流在离心式压缩机的叶轮及固定元件中的流动多数为多变过程 Hpol称为多变压缩有效能量头单位kJ kg 通常把能量头与之比成为能量头系数 常用多变能头系数 pol表示叶轮圆周速度在提高气体压力上的能量利用程度 连续性方程 欧拉方程 能量方程 伯努利方程和压缩功计算式关联后 可推出流量或流体速度在机器中的变化 连续性方程 欧拉方程 能量方程 伯努利方程和压缩功计算式关联后 通常离心式压缩机整机的进口和出口速度以及各级的进 出口速度是基本相同的 只要按照实验统计和设计经验选定气流速度 流道内各截面的尺寸即可确定 3 1 3级内的各种流动损失 损失种类 泄漏损失HL总损失轮阻损失Hdf流动损失Hhyd摩阻损失分离损失冲击损失二次流损失尾迹损失 df df 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 大小 为摩阻系数 是Re与壁面粗糙度的函数 通常离心压缩机中 是常数 则hf与qv2成正比 减小措施 提高加工精度 3 1 3级内的流动损失 2 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 3 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 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 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 4 二次流损失 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 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 3 1 3 2漏气损失 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 Hl lHth 漏气损失系数 l 根据漏气量 密封结构形式确定 2 密封件的结构形式 结构形式 在固定部件与轮盖 隔板与轴套 采用梳齿式 迷宫式 密封 工作原理 利用节流原理 减小通流截面积 经多次节流减压 使在压差作用下的漏气量尽量减小 即通过产生的压力降来平衡密封装置前后的压力差 密封特点 非接触式密封 有一定的泄漏量 3 1 3 3轮阻损失 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 相对间隙及雷诺数有关 利用等厚度圆盘在水中作低速旋转实验 分析计算得轮阻损失功率为 得到轮阻损失系数 在一级中存在气流损失项 流动损失 泄漏损失 轮阻损失 叶轮旋转所消耗的功 级内总功 总能量头 即叶轮总输出功 Hth Htot 3 1 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 a 级数与气体分子量的关系 气体分子量对所需压缩功的影响 达到相同压比2 5时 压缩不同气体时所需压缩功和级数的比较 压缩气体的分子量越小 达到相同的排气压力 需要的多变功越大 转速及叶轮结构一定的情况下 所需要的级数就会越多 b 级数与叶轮圆周速度的关系 在达到所需压力比条件下要求尽可能减少级数 提高叶轮圆周速度u2 受到以下几种因素限制叶轮材料强度限制 气流马赫数限制 叶轮出口相对宽度限制D2 u2 b2 D2 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