2-3 级中能量损失

1、 级级中能量损失中能量损失 泵泵 与与 压压 缩缩 机机 2-3 级中能量损失级中能量损失 离心压缩机功率一般都很大，即使效率提高百分之一，所节省的能量也很可观，所以离心压缩机的效率是个重要经济指标。 效率直接和级中的流动损失、泄露损失和轮阻损失有关。分析这些损失产生原因，并设法在设计、制造上尽可能减小，就可以减小，就可以提高压缩机的效率，同时也改善压缩机的性能。2-3 级中能量损失级中能量损失 由于气体的物性（可压缩性等）及其复杂的热力学性质，使得离心压缩机级中流道内气体流动极为复杂，有关流动损失产生的机理及分析计算也变得极为困难，定量计算目前还很不完善。 出于定性分析需要，一般将流动损失大

2、致分为：摩阻损失、冲击损失、分离损失、二次流损失、尾迹损失以及波阻损失等。2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失1. 1. 摩阻损失摩阻损失流体粘性是产生流动损失的根本原因。流体粘性是产生流动损失的根本原因。 如图所示，当气流流经压缩机级的通流部分时，由于气体粘性的存在，在贴近流道壁的地方，气体受壁面的附着作用，速度接近于零；流道中间部分流速大，在湍流流动时速度 分布比较均匀，该区域称为主流区。 在主流区与壁面之间存在一速度梯度较大的薄层，这就是边界层（或称附面层），是边界层的厚度。2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 边界层内各层流体之间

3、存在相对运动，速度较小的流层将对临近速度较高的流层产生“阻滞”作用。 速度较高的流层则有动能传给速度较小的流层，对它起“拖动”作用，拖动力与阻滞力大小相等，方向相反，分别作用在两个紧挨的层面上，这样的力就是内摩擦力，或称粘滞力。2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 为了维持流体的运动，就必须外加能量来克服内摩擦力所所造成的能量损失（机械能变成无用的热能），这就是摩擦损失。 摩擦损失也包括流体层与壁面之间的附着摩擦损失。 主气流区中因为速度梯度很小，内摩擦力也就很小，所以流体的沿程摩擦损失主要存在于边界层中。边界层愈厚，摩擦损失也就愈大边界层愈厚，摩擦损失也就愈大。2

4、-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 摩擦损失的计算式可用类似于管道摩擦损失计算式。从流道截面1-1到截面2-2，单位质量气体的摩擦损失为：dxcDhhf2221 计算hf的关键在于确定摩擦阻力系数，而是蕾诺数、壁面粗糙度等的函数。在压缩机中要得到通用性的摩擦阻力系数很困难，一般借助于经验公式或试验数据。2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失2. 2. 分离损失分离损失 在扩压流道中会产生边界层增厚，进而边界层与流道壁面脱离，甚至在接近壁面的边层气流中产生反向流动出现反向流动旋涡，引起很大损失，称边界层分离。2-3 2-3 级中能量损失级中能

5、量损失一、流动损失一、流动损失愈到下游，边界层内的压力也愈高。愈到下游，边界层内的压力也愈高。 如图所示，在压缩机的扩张流道中，沿着流动方向，主气流的速度不断下降，静压不断升高。其中边界层中的流体由于得不到主气流足够的拖动作用，速度衰减更快，边界层的厚度也就逐渐增加。 当流体流到扩压流道中某点S时，边界层流体因黏滞阻力及前方压力的阻止而流不动这些流体微团便停滞不前，跟着而来的流体微团也将停滞下来，以致愈来愈多的流体微团在壁面与主气流之间堆积起来。 2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 S点后面的流体压力比S点高，又将迫使这部分原来停滞的流体微团反方向逆流，并迅速向外

6、扩张，这样，主气流便被挤得离开了物体壁面。这就是所谓的边界层分离。当边界层发生分离时必定会在壁面附近产生旋涡区。 分离时形成的旋涡不断被主流带走，干扰后面气流的正常流动。而且旋涡区将沿着流动方向逐渐加厚，使主气流远离壁面。这种边界层分离所造成的能量损失就是边界层分离损失，或简称气体分离损失。 S点称为边界层的分离点。 2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 粘性流体在压力降落面内流动（加速、减压流动）不会出现边界层分离；在压力升高的减速扩压区内流动才有可能出现分离，形成旋涡。扩压程度愈大，S点愈提前出现，也就愈容易发生分离。 离心压缩机中有很多减速扩压流道，可能出现边

7、界层分离，产生漩涡，导致分离损失产生。同时，因边界层增厚及分离，主流通道通流面积变小，达不到扩压目的。2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 分离损失与流道形状、壁面粗造度、气流雷诺数有关，尤以流道形状影响最大。 实践证明，扩张角太大的流道，边界层分离损失远比沿程摩擦损失大。因此仅从减小边界层分离损失来看，扩张角愈小愈好。为了减少分离损失，对压缩机级中扩压形通道常常限制其扩张角或扩张度。但当进、出口面积F1和F2一定时，扩张角愈小则流道愈长，摩阻损失就愈大。 所以在一定的 F2 / Fl 时，存在损失最小的最佳扩张角。2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损

8、失一、流动损失 对压缩机的通流部分，因不是圆锥形，只可用当量扩张角 来表示。epzlbDbDAAep111222sinsinarctan2 实际叶轮还要考虑阻塞系数的影响。若沿流道的面积是不均匀变化的，则用当地当量扩张角来表示。一般要求压缩机级中流道的当地当量扩张角小于6070。2-3 2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 叶轮叶道内，是一个有能量加入的扩压流道。叶轮的旋转使得边界层中气流还受到离心力作用，从而减缓了边界层的分离。 叶道中边界层分离多产生在非工作面，尤其是叶轮出口附近。 叶片扩压器流道中，因无能量加入，因而容易出现气流的边界层分离。2-3 级中能量损失级中能

9、量损失 在离心压缩机的级中，二次涡流的产生是由流道同一截面中存在压差而引起的，主要发生在叶轮叶道、弯道及吸气室等有急剧转弯之处；同样，在叶片扩压器中也有二次涡流产生。 叶轮叶道中二次流一、流动损失一、流动损失3.3.二次涡流二次涡流 叶轮叶道呈曲线形，并存在轴向涡流，因此在同一截面上气流的速度和压力的分布是不均匀的。2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 对于后弯叶片来说，叶片工作面一侧速度小，压力高；而非工作面的一边相反，压力最低，速度最大。 边界层中气体在上述压力差的作用下将产生由工作面向非工作面的流动，流动的方向与主气流方向大致相垂直，这就是所谓的二次流。2-3 级中能

10、量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 二次流的存在：干扰了主流流动，造成能量损失；同时还会使叶轮叶片的非工作面更容易分离。 因为二次流的流动使叶片工作面边界层中的气流被吸走，边界层变薄，并有较大动能的主流气体来补充；而非工作面边界层由于接受了沿壁面流来的能量较低的气体，边界层变厚，速度减小，甚至小于工作面的速度，因此非工作面变得容易出现气体分离。2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 叶片扩压器中的二次流 在叶片扩压器中同样存在二次流。但扩压器中压力较高区是在叶片的凹面，低压区是在叶片的凸面，所以扩压器中的二次流是从叶片的凹面流向凸面，这一点与叶轮中的二次流相反。2-3

11、 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 弯道中的二次流 在弯曲管道中，由于气体在转弯处产生离心惯性力，使外壁处压力增大，大于流道中的平均压力，速度减小；弯道内壁处压力减小，小于流道中的平均压力，速度则增大。 由于内外侧壁压力不均一而产生由外侧壁向内侧壁的二次涡流，它往往是一对反向旋转的双螺旋流动，在主流以外增加了局部流速，从而增加了能量损失。2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 弯弯管外壁处：管外壁处：气流先是减速扩压，然后增速减压，所以在弯管偏前部分有边界层分离旋涡区，这个旋涡区经过弯管后逐渐消失 弯管内壁处：弯管内壁处：气流先加速减压，后减速扩压，在弯管后面

12、部分产生边界层分离旋涡区，而且这个旋涡区将延续，甚至继续扩展，影响到后面的流动，对压缩机不利。 弯管中二次涡流及边界层分离的影响因素影响因素：流道截面沿长度方向的变化（即扩压度）的均匀性、曲率半径。2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失3.3.尾迹损失尾迹损失 由于叶片尾部总有一定厚度，所以当气体从叶轮（或叶片扩压器）的叶道中流出时，通流面积突然扩大，会使叶片两面流来的气流边界层突然发生分离，在叶片尾部外缘形成气流旋涡区，称为尾迹区。对应的能量损失即为尾迹损失。2-3 级中能量损失级中能量损失一、流动损失一、流动损失 尾迹损失的大小与叶道出口速度、叶片尾部厚度，以及叶道内边界

13、层情况有关。 采用机翼型叶片比较理想，但设计制造复杂 叶片尾部削薄一般在叶片的非工作面削薄，以利于提高叶轮能头。2-3 级中能量损失级中能量损失二、马赫数及其对能量损失的影响二、马赫数及其对能量损失的影响 1 1马赫数马赫数M 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，称为该点气流的马赫数，以符号M表示。acM 在一般情况下，由于音波在气体中推进时气体状态的变化非常微小，故可以认为气体的熵是个定值，因而音波的传播过程可视为等熵绝热过程。2-3 级中能量损失级中能量损失二、马赫数及其对能量损失的影响二、马赫数及其对能量损失的影响 2 2激波和波阻损失激波和波阻损失亚音速和超音速气流

14、有根本差别。 在亚音速（Ml）气流中，扰动的效应只能在马赫锥内起作用，锥前的气流是不受影响的。 前述对流动损失的分析都属于亚音速范围。 在M1的超音速气流中，除前述损失外，还有一种特殊的能量损失激波及波阻。 2-3 级中能量损失级中能量损失二、马赫数及其对能量损失的影响二、马赫数及其对能量损失的影响 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。 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。 气流通过这种压缩波时，压力、温度、密度都突跃地升高，速度则突跃地下降，气流受到突然的压缩。这种突跃压缩波叫做激波。2-3 级中能量损失级中能量损失二、马赫数及其对能量损失的影响二、马赫数及其对能量损失的影响 气