离心式压缩机(1)

1、3 3 离心压缩机离心压缩机3.1 3.1 离心压缩机典型结构与工作原理离心压缩机典型结构与工作原理3.2 3.2 性能、调节与控制性能、调节与控制3.3 3.3 安全可靠性安全可靠性3.4 3.4 选型选型*11103.1 3.1 离心压缩机典型结构与工作原理离心压缩机典型结构与工作原理3.1.1 离心压缩机的典型结构与特点离心压缩机的典型结构与特点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离心方向流动从而提高气体压力的机器（1）结构型式：）结构型式：水平剖分型和垂水平剖分型和垂直剖分型。直剖分型。（

2、2）结构组成：）结构组成：机壳，转子，定机壳，转子，定子，以及辅助系子，以及辅助系统。统。3.1.1.1 离心压缩机的典型结构离心压缩机的典型结构*2110垂直剖分型结构垂直剖分型结构高压圆筒型和竖直剖高压圆筒型和竖直剖分型分型*3110CUPC 2022-4-264CUPC 2022-4-265CUPC 2022-4-266CUPC 2022-4-2673.1.1.2 3.1.1.2 级的典型结构级的典型结构 级是离心压缩机使气体增压的基本单元，有三种型式，即：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。首级、中间级、末级。*81103.1.1.3 离心叶轮的典型

3、结构离心叶轮的典型结构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。增压。叶轮组成及种类：叶轮组成及种类：按叶轮结构型式按叶轮结构型式闭式叶轮闭式叶轮：性能好、效率高；由于轮盖的影响，叶轮圆周速度受到限制。：性能好、效率高；由于轮盖的影响，叶轮圆周速度受到限制。半开式叶轮半开式叶轮：效率较低，强度较高。：效率较低，强度较高。双面进气叶轮双面进气叶轮：适用于大流量，且轴向力平衡好。：适用于大流量，且轴向力平衡好。 *9110按叶轮叶片型式按叶轮叶片型式后弯型叶轮后弯型叶轮：2A 90，级效率高，稳定工作范围宽

4、。，级效率高，稳定工作范围宽。径向型叶轮径向型叶轮： 2A 90 ，性能介于后弯型和前弯型之间。，性能介于后弯型和前弯型之间。 前弯型叶轮前弯型叶轮： 2A90，级效率较低，稳定工作范围窄。，级效率较低，稳定工作范围窄。*10110气体在旋转叶轮中的流动与速度三角形气体在旋转叶轮中的流动与速度三角形相对速度（相对速度（w）：与叶片的）：与叶片的切线方向一致。切线方向一致。牵连速度（牵连速度（u）：）：绝对速度（绝对速度（c）：圆周速度与）：圆周速度与相对速度的合成。相对速度的合成。三者之间的关系可以用速三者之间的关系可以用速度三角形表示。度三角形表示。6022nDu*111103.1.1.4

5、扩压器的典型结构扩压器的典型结构叶轮出口的气流绝对速度较大，为了提高级的增压比和效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。率，设置了扩压器使气流降速增压。无叶扩压器无叶扩压器：结构简单，级变工况较好，效率高，稳定工作范围宽。：结构简单，级变工况较好，效率高，稳定工作范围宽。叶片扩压器叶片扩压器：结构复杂，变工况性能差，效率较低，稳定工作范围窄。：结构复杂，变工况性能差，效率较低，稳定工作范围窄。*12110工作原理：工作原理：气体流动连续性定律：气体流动连续性定律：得到：得到：降速升压主要依靠加大直径来实现。动能转变为压力能和克服流降速升压主要依靠加大

6、直径来实现。动能转变为压力能和克服流动损失的能量。动损失的能量。33rircDDcconstcbDcbDcbDqrriiiirm44443333constDcDcDcuuiiu2224433动量矩守恒定律：动量矩守恒定律：根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：33233233cDDcDDcDDciuirii综合上两式：综合上两式：*131103.1.1.5 其他结构其他结构弯道：使气流转向发生改变。弯道：使气流转向发生改变。回流器：引导气流无预旋进入下一级。回流器：引导气流无预旋进入下一级。吸入室：引导，使气体均匀进入叶轮。吸入室：引导，使气体均匀进入叶轮。排气蜗壳：收集、引导气体进入排气管道中

7、。排气蜗壳：收集、引导气体进入排气管道中。*141103.1.1.6 离心压缩机的特点离心压缩机的特点 （1）优点）优点 流量大；流量大； 转速高；转速高； 结构紧凑；结构紧凑； 运转可靠。运转可靠。 （2 2）缺点）缺点 单级压力比不高，高压力比所需的级数比活塞式的多。单级压力比不高，高压力比所需的级数比活塞式的多。 由于转速高，流通截面积较大，故不能适用于太小的流量。由于转速高，流通截面积较大，故不能适用于太小的流量。*151103.1.2 3.1.2 离心压缩机的基本工作原理离心压缩机的基本工作原理3.1.2.1 3.1.2.1 连续方程连续方程（1 1）连续方程的基本表达式）连续方程的

8、基本表达式 constfcqqqqrVVininViim22222气体作定常一元流动，流经机器任意截面的质量流量相等，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：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。断增大，容积流量沿机器不断减小。式中：式中：q qm m为质量流量为质量流量 kg/s,qkg/s,qv v为容积流量为容积流量m m3 3/s,/s,为气流密度为气流密度,f ,f 为截为截面面积面面积,c,c2r2r为垂直该截面的法向流速。为垂直该截面的

9、法向流速。*16110（2 2）连续方程在叶轮出口的表达式）连续方程在叶轮出口的表达式 连续方程在叶轮出口处的表达式，反映流量与叶轮几何连续方程在叶轮出口处的表达式，反映流量与叶轮几何尺寸及气流速度的相互关系。尺寸及气流速度的相互关系。 322222222260unDbqqrVm式中：式中：D D2 2为叶轮外径为叶轮外径, b, b2 2为叶轮出口处的轴向宽度为叶轮出口处的轴向宽度, , 为叶轮出口的相对为叶轮出口的相对宽度。考虑到叶轮结构的合理性和级效率宽度。考虑到叶轮结构的合理性和级效率, ,通常要求通常要求 。 为叶轮叶轮出口处的流量系数为叶轮叶轮出口处的流量系数, ,它对流量、理论能

10、量头和级效率均它对流量、理论能量头和级效率均有较大的影响，根据经验的选取范围，不同类型叶轮取值不同。有较大的影响，根据经验的选取范围，不同类型叶轮取值不同。2 2为为 叶轮出口的通流系数（或阻塞系数）。叶轮出口的通流系数（或阻塞系数）。22Db065.0025.022Db222ucrrAAADZbDZbZbD2222222222222sin1sin2sin*17110说明：叶论出口连续方程式常用来校核说明：叶论出口连续方程式常用来校核各级叶轮选取各级叶轮选取 的合理性。的合理性。22Db表示铆接叶轮中连接盘、盖的叶片折表示铆接叶轮中连接盘、盖的叶片折边；无折边的铣制、焊接叶轮，边；无折边的铣制

11、、焊接叶轮，=0。3.1.2.2 3.1.2.2 欧拉方程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：导出，其表达式：1122ucucHLuuthth也可表示为：也可表示为：222222121222122ccuuHLthth式中式中L Lthth 为叶轮输出的欧拉功为叶轮输出的欧拉功 ，H Hthth为每千克流体所接受的能量称为理论为每千克流体所接受的能量称为理论能量头，单位是能量头，单位是kJ/kg

12、kJ/kg。*18110欧拉方程的物理意义：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；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；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，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；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

13、换一下，亦适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。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原动机的欧拉方程为2211ucucHLuuuu*19110叶片数有限的理论能头：叶片数有限的理论能头：轴向旋涡轴向旋涡 液体由于存在惯性力，液体由于存在惯性力，产生轴向涡流，方向与叶轮转动方产生轴向涡流，方向与叶轮转动方向相反。向相反。结果结果 使得相对速度和绝对速度产使得相对速度和绝对速度产生滑移。生滑移。无预旋：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

14、流无预旋进入叶轮。此时流无预旋进入叶轮。此时09011uc，22ucHuth有限多叶片相对速度的分布有限多叶片相对速度的分布工作面一侧相对速度小，非工工作面一侧相对速度小，非工作面一侧相对速度大。作面一侧相对速度大。*20110为此，斯陀道拉提出了计算周向分速的半理论半经验公式：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、叶道中滑移速度与叶轮结构、叶道中流动情况及流体性质有关。流动情况及流体性质有关。滑移系数滑移系数*21110得到有限多叶片的理论能头的计算公式：得到有限多叶片的理论能头的计算公式： 2222222222sin1uZctguucHAAruuth此方程

15、为离心压缩机计算能量与功率的基本方程式。此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本方程式。说明：说明： 主要与叶轮圆周速度有关、流量系数、叶片主要与叶轮圆周速度有关、流量系数、叶片出口角和叶片数有关。出口角和叶片数有关。式中：式中： 称为理论能量头系数或周速系数。称为理论能量头系数或周速系数。 u2thH*221103.1.2.3 3.1.2.3 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。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，取级中任意两截面级中作稳定流动时，

16、取级中任意两截面a、b间间的系统作为考察对象，则对单位质量气体有：的系统作为考察对象，则对单位质量气体有：22202000202000cchhccTTcqLpth*23110能量方程的物理意义：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；动能的增加；该方程对有粘无粘气体都是适用的，因为对有粘气体所引起的能该方程对有粘无粘气体都是适用的，因为对有粘气体所引起的能量损失也以热量形式传递

17、给气体，从而使气体温度（或焓）升高；量损失也以热量形式传递给气体，从而使气体温度（或焓）升高；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，其流动，其 q=0q=0；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。由所取的进出口截面而定。 *24110例如对于叶轮而言，能量方程表示为例如对于叶轮而言，能量方程表示为 对于扩

18、压器而言，能量方程表示为对于扩压器而言，能量方程表示为22212212212212cchhccTTcHpth22244233cTccTcpp*25110对任意截面而言，能量方程表示为对任意截面而言，能量方程表示为由此可以得到温差的计算公式：由此可以得到温差的计算公式：*261103.1.2.4 3.1.2.4 伯努利方程伯努利方程 应用该方程将流体获得的能量区分为有用能量和能量损失，并应用该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：升高的静压能联系

19、起来，其表达式为：002020002hydththHccdpHL式中式中 为级进出口静压能头的增量为级进出口静压能头的增量, , 为级内的流动损失。为级内的流动损失。 00dp00hydH上式根据热力学第一定律和能量方程推导求得。上式根据热力学第一定律和能量方程推导求得。*27110假设气体在某流道中由界面假设气体在某流道中由界面a向界面向界面b作稳定流动，并在这股气流上建立动作稳定流动，并在这股气流上建立动坐标系，由于气流与外界无质量交换，可看作封闭的热力系统，则得到：坐标系，由于气流与外界无质量交换，可看作封闭的热力系统，则得到：baababdphhq实际上，气体是相对静止坐标系流动，有气

20、体进、出界面的开口热力系统。实际上，气体是相对静止坐标系流动，有气体进、出界面的开口热力系统。因此，单位质量气体从界面因此，单位质量气体从界面a流向界面流向界面b实际得到的热量应包括两部分：一实际得到的热量应包括两部分：一是从系统外传入的热量，二是由于气体的流动所有的能量损失转化的热量，是从系统外传入的热量，二是由于气体的流动所有的能量损失转化的热量，即：即：*28110如果考虑内漏气损失和轮阻损失如果考虑内漏气损失和轮阻损失, ,上式表示为上式表示为002020002losstottotHccdpHL式中式中 为叶轮消耗的总功为叶轮消耗的总功, , 为级内每千克气体获得的总为级内每千克气体获

21、得的总能量头能量头, , 为级中总能量损失。为级中总能量损失。 totLtotH00lossH)1 (dflthdflthtotHHHHH*29110设流出叶轮的有效气体的质量为设流出叶轮的有效气体的质量为qm，流出叶轮后从轮盖密封处，流出叶轮后从轮盖密封处漏回叶轮入口的质量流量为漏回叶轮入口的质量流量为qm l，实际从叶轮中流出的总质量为：，实际从叶轮中流出的总质量为：由叶轮对总质量由叶轮对总质量qmtot气体所消耗的功率为：气体所消耗的功率为：mlmtotqqqmthmlmthmtotHqqHq)(如果此时轮阻损失消耗的功率如果此时轮阻损失消耗的功率Ndf，则叶轮消耗的总功率为：，则叶轮消

22、耗的总功率为：dflthdfthmlmtotNNNNHqqN)(由于叶轮是级内唯一做功元件，故级的总功率就是叶轮的由于叶轮是级内唯一做功元件，故级的总功率就是叶轮的总功率，或称级的内功率。总功率，或称级的内功率。)1 (dflthmtotHqN*30110)1 (dflthtotHH叶轮对每千克有效气体的总耗功（总能量）为叶轮对每千克有效气体的总耗功（总能量）为。称轮阻损失系数，一般；般称内漏气损失系数，一式中，令13. 002. 0/05. 0005. 0/HqNqqdfthmdfdflmmll*31110伯努利方程的物理意义伯努利方程的物理意义: :通用伯努利方程也是能量转化与守恒的一种表

23、达式通用伯努利方程也是能量转化与守恒的一种表达式, ,它表示叶它表示叶轮所做机械功转换为级中流体的有用能量轮所做机械功转换为级中流体的有用能量( (静压能和动能增加静压能和动能增加) )的同时的同时, ,由于流体具有粘性由于流体具有粘性, ,还需付出一部分能量克服流动损失还需付出一部分能量克服流动损失或级中所有的损失；或级中所有的损失；它建立了机械能与气体压力它建立了机械能与气体压力p p、流速、流速c c 和能量损失之间的相互和能量损失之间的相互关系；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由所取

24、的时出口截面而定 ；对于不可压流体，其密度对于不可压流体，其密度为常数，则可直接为常数，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，还需知道压力的升高是十分方便的。而对于可压缩流体，还需知道p=fp=f（）的函数关系及热力学基础知识才可解决。）的函数关系及热力学基础知识才可解决。1221ppdp*32110对于叶轮而言：对于叶轮而言：phythHccdpHdim2122212或或lossimpthHccdpH2212221对于某一固定部件，如扩压器对于某一固定部件，如扩压器hydd

25、ifHdpcc4324232*331103.1.2.4 3.1.2.4 压缩过程与压缩功压缩过程与压缩功 11112121mmpolpolippRTmmHLMWdp根据热力过程不同，确定每千克气体所获得的压缩功，即有根据热力过程不同，确定每千克气体所获得的压缩功，即有效能量头。效能量头。对于多变过程，则多变压缩功为对于多变过程，则多变压缩功为式中式中 称为多变压缩有效能量头，简称为多变能量头。称为多变压缩有效能量头，简称为多变能量头。polH能量头系数能量头系数：能量头与：能量头与 之比，那么多变能量头系数表示为之比，那么多变能量头系数表示为22uHpolpol或22uHpolpol22u多变

26、能头系数的大小，表示叶轮圆周速度用来提高气体压力比的能量利用多变能头系数的大小，表示叶轮圆周速度用来提高气体压力比的能量利用程度。程度。*34110思考题：思考题：5个基本方程都解决了哪些问题？个基本方程都解决了哪些问题？连续方程：压缩机结构设计。连续方程：压缩机结构设计。欧拉方程：气体经过高速旋转的叶轮获得多少能量。欧拉方程：气体经过高速旋转的叶轮获得多少能量。能量方程：获得的能量使气体的温度和动能增加。能量方程：获得的能量使气体的温度和动能增加。伯努利方程：能量如何进行分配。伯努利方程：能量如何进行分配。热力过程方程和压缩功的表达式关联：气体压力升热力过程方程和压缩功的表达式关联：气体压力

27、升高到规定值需要多少有效能量头。高到规定值需要多少有效能量头。*351103.1.3 级内的各种能量损失级内的各种能量损失级中能量损失包括三种：流动损失、漏气损失、轮阻损失级中能量损失包括三种：流动损失、漏气损失、轮阻损失3.1.3.1 级内的流动损失级内的流动损失 （1 1）摩阻损失）摩阻损失 产生原因产生原因：流体的粘性是根本原因。从叶轮进口到出口有流：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。体与壁面接触，就有边界层存在，就将产生摩阻损失。大小大小：22mhmfcdlH 为摩阻系数为摩阻系数 ，是，是Re与壁面粗糙度与壁面粗糙度的函数。的函

28、数。通常离心压缩机中气流的通常离心压缩机中气流的Re大于临界雷诺数，大于临界雷诺数，在一定的相对粗糙度下，在一定的相对粗糙度下，是常数，则是常数，则hf与与qv2成正比。成正比。Df Re,减小措施：减小措施：*36110（2 2）分离损失）分离损失产生原因：产生原因：通道截面突通道截面突然变化，速度降低，近然变化，速度降低，近壁边界层增厚，引起分壁边界层增厚，引起分离损失。离损失。大小：大小：大于沿程摩阻损大于沿程摩阻损失。失。868.16.1112221ff受流道形状、壁面粗糙度、气流雷诺数、气体湍流程度影响。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：减少措施：控制通

29、道的当量扩张角控制通道的当量扩张角 ；控制进出口的相对速度比控制进出口的相对速度比*37110（3 3）冲击损失）冲击损失 产生原因：产生原因：流量偏离设计工况点，使得叶轮和叶片扩压器的流量偏离设计工况点，使得叶轮和叶片扩压器的进气冲角进气冲角i0，在叶片进口附近产生较大的扩张角，导致气流，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。对叶片的冲击，造成分离损失。减少措施：减少措施：控制在设计工况点附近运行；在叶轮前安装可转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。动导向叶片。大小：大小：采用冲击速度来表示，正冲角损失是负冲角损失的采用冲击速度来表示，正冲角损

30、失是负冲角损失的1015倍。倍。11Ai其中进气冲角*38110（4 4）二次流损失）二次流损失产生原因产生原因：叶道同一：叶道同一截面上气流速度与压截面上气流速度与压力分布不均匀，存在力分布不均匀，存在压差，产生流动，干压差，产生流动，干扰主气流的流动，产扰主气流的流动，产生能量损失生能量损失 。在叶轮和弯道处急剧在叶轮和弯道处急剧转弯部位出现。转弯部位出现。减少措施减少措施：增加叶片数，避免急剧转弯。：增加叶片数，避免急剧转弯。大小大小：叶道的弯曲，气流速度方向的变化急剧与否。：叶道的弯曲，气流速度方向的变化急剧与否。*39110（5 5）尾迹损失）尾迹损失 产生原因产生原因：叶片尾部有一

31、定厚度，气体从叶道中流出时，：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，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，产生的能量度与主气流速度、压力相差较大，相互混合，产生的能量损失。损失。减少措施减少措施：采用翼型：采用翼型叶片代替等厚叶片；叶片代替等厚叶片；将等厚叶片出口非工将等厚叶片出口非工作面削薄。作面削薄。大小大小：与叶道出口速：与叶道出口速度，叶片厚度及叶道度，叶片厚度及叶道边界层有关。边

32、界层有关。*401103.1.3.2 3.1.3.2 漏气损失漏气损失（1）产生漏气损失的原因）产生漏气损失的原因存在间隙；存在压力差。存在间隙；存在压力差。出口压力大于进口压力，级出口压力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，产生定件之间的间隙、轴端的间隙，产生漏气，存在能量损失。漏气，存在能量损失。密封型式：机械密封，干气密封，浮环油膜密封，梳密封型式：机械密封，干气密封，浮环油膜密封，梳齿密封齿密封*41110（2）密封件的结构形式及漏气量的计算）密封件的结构形式及漏气量的计算结构形式：结构形式：在固定

33、部件与轮盖、隔板与轴套、轴的在固定部件与轮盖、隔板与轴套、轴的端部设置密封件，采用梳齿式（迷宫式）密封。端部设置密封件，采用梳齿式（迷宫式）密封。工作原理：利用节流原理。工作原理：利用节流原理。减小通流截面积，经多次节减小通流截面积，经多次节流减压，使在压差作用下的流减压，使在压差作用下的漏气量尽量减小。即通过产漏气量尽量减小。即通过产生的压力降来平衡密封装置生的压力降来平衡密封装置前后的压力差。前后的压力差。密封特点：非接触式密封，密封特点：非接触式密封，有一定的泄漏量。有一定的泄漏量。*42110设计中应注意：设计中应注意：减小齿逢间隙；减小齿逢间隙；增加密封齿数；增加密封齿数；加大齿片间

34、的空加大齿片间的空腔和流道的曲折腔和流道的曲折程度。程度。*43110漏气量计算：漏气量计算：漏气量大小取决于装置前后压力差、密封结构型漏气量大小取决于装置前后压力差、密封结构型式、齿数和齿缝间隙截面积。分两种情况计算：式、齿数和齿缝间隙截面积。分两种情况计算：由连续方程和伯努利方程可知通过齿顶间隙的漏气量，由连续方程和伯努利方程可知通过齿顶间隙的漏气量，1）轴封处向机外泄漏的外泄漏，其大小取决于装置前后压力）轴封处向机外泄漏的外泄漏，其大小取决于装置前后压力差。差。如果密封装置前后压力差小，气体流过齿缝的速度低于音速，如果密封装置前后压力差小，气体流过齿缝的速度低于音速，这时利用不可压缩流体

35、计算漏气量。这时利用不可压缩流体计算漏气量。aababamlVZpppppDsq*44110如果压力差比较大（即达到某一临界值），最后一个齿缝间如果压力差比较大（即达到某一临界值），最后一个齿缝间隙的气速达到临界音速，使装置发生堵塞工况，漏气不再随装隙的气速达到临界音速，使装置发生堵塞工况，漏气不再随装置前后压力差的增大而增加，则最后一个齿缝间隙中的气体比置前后压力差的增大而增加，则最后一个齿缝间隙中的气体比容最大，最先达到音速。流速达到临界音速时，漏气量计算容最大，最先达到音速。流速达到临界音速时，漏气量计算 aamlVpBZDsq2111式中为流量修正系数，一般式中为流量修正系数，一般 ，

36、为齿顶间隙处的通流，为齿顶间隙处的通流面积，面积，Z Z为密封齿数，下标为密封齿数，下标a a、b b为密封前、后的几何位为密封前、后的几何位置。置。 ，k k为等熵指数，如空气的等熵指数为等熵指数，如空气的等熵指数k=1.4,B=0.684k=1.4,B=0.684。73. 067. 0111212kkkkB临界压力比的确定：临界压力比的确定：112121ZBkkkcr*451102） 轮盖密封的漏气量及漏气损失系数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，它应包括在轮盖密封处的漏气能量损失使叶轮多消耗机械功，它应包括在叶轮所输出的总功之内，应单独计算。叶轮所

37、输出的总功之内，应单独计算。因单级叶轮所能达到的增压不大，一般达不到临界压力比。因单级叶轮所能达到的增压不大，一般达不到临界压力比。应用式（应用式（3-233-23）并根据实验与分析简化，可得轮盖密封处的漏气量为）并根据实验与分析简化，可得轮盖密封处的漏气量为2212143DDZuDsqmml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mrmmllDbDDZDsDDqq2222222122143式中一般取，式中一般取，Z=4Z=46 6齿，齿顶间隙齿，齿顶间隙 ， 。该漏气损失系。该漏气损失系数在计算总能量头时，将会被用到

38、。数在计算总能量头时，将会被用到。 mms4 . 022VVinm*461103.1.3.3 轮阻损失轮阻损失产生原因产生原因叶轮旋转，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，产生的损失生的损失大小：大小：与轮盘的粗糙度，相对侧隙及雷诺数有关。与轮盘的粗糙度，相对侧隙及雷诺数有关。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：率为：22232251100DeDuKNdf对于离心叶轮，得到：对于离心叶轮，得到：2223225110054.0DeDuNdf得到轮阻损失

39、系数得到轮阻损失系数df222222222222223221000172.010054.010001000DbcubDcDuHqNururthmdfdf*471103.1.4 多级压缩机多级压缩机3.1.4.1 3.1.4.1 采用多级串联和多缸串联的必要性采用多级串联和多缸串联的必要性 压缩机运行安全，压缩机运行安全，设计合理。设计合理。对于要求增压比或对于要求增压比或输送轻气体的机器输送轻气体的机器需要两缸或多缸串需要两缸或多缸串联起来形成机组。联起来形成机组。 多级串联理由：多级串联理由：压缩机压比高压缩机压比高而单级压力比低，需采用多级压而单级压力比低，需采用多级压缩；缩；多缸串联的理

40、由：多缸串联的理由：*48110*491103.1.4.2 3.1.4.2 分段与中间冷却以减少耗功分段与中间冷却以减少耗功降低气体的温度，节省功率，采用分段中间冷却器。降低气体的温度，节省功率，采用分段中间冷却器。如果段数为如果段数为N，则中间冷却器的个数为，则中间冷却器的个数为N-1个。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，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。加大功率消耗。因此，要合理选择压缩机的段数。*50110考虑压缩机的具体结构、冷却器的布置、输送冷却水的泵耗考虑压缩机的具体结构、冷却器的布置、输送

41、冷却水的泵耗功、设备成本与环境条件等综合因素。功、设备成本与环境条件等综合因素。采用分段冷却要考虑下列因素：采用分段冷却要考虑下列因素：满足用户的要求满足用户的要求o被压缩介质的特性属于易燃、易爆（如被压缩介质的特性属于易燃、易爆（如H H2 2、O O2 2等）则段出口的等）则段出口的温度宜低一些，对于些某化工气体，因在高温下气体发生不必温度宜低一些，对于些某化工气体，因在高温下气体发生不必要的分解或化合等化学变化，或会产生并加速对机器材料的腐要的分解或化合等化学变化，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。蚀，这样的压缩机冷却次数必需多一些。o用户要求排出的气体温度

42、高，以利于化学反应（由氮氢化合生用户要求排出的气体温度高，以利于化学反应（由氮氢化合生成氨）或燃烧，则不必采用中间冷却，或尽量减少冷却次数。成氨）或燃烧，则不必采用中间冷却，或尽量减少冷却次数。段数确定后，根据总耗功最小的原则，确定每一段的最佳压段数确定后，根据总耗功最小的原则，确定每一段的最佳压力比。力比。*511103.1.4.3 3.1.4.3 级数与叶轮圆周速度和气体分子量的关系级数与叶轮圆周速度和气体分子量的关系（1 1）减少级数与叶轮圆周速度关系）减少级数与叶轮圆周速度关系叶轮材料强度的限制叶轮材料强度的限制 不同材料对圆周速度的限制不同。不同材料对圆周速度的限制不同。叶轮马赫数的

43、限制叶轮马赫数的限制 气流的气流的 升高，级效率下降、升高，级效率下降、性能曲线变陡、工况范围变窄。性能曲线变陡、工况范围变窄。叶轮相对宽度的限制叶轮相对宽度的限制 相对宽度变小，造成效率下降。相对宽度变小，造成效率下降。21cwMM 和减少级数，结构紧凑。为满足要求，需提高叶轮的圆周速度。减少级数，结构紧凑。为满足要求，需提高叶轮的圆周速度。*52110（2）级数与气体分子量的关系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马赫数的影响 inininukTuRkTucuMR831583152222而机器马赫数由于气体常数因此，压缩重气体应主要考虑马赫数的影响，限制了因此，压缩

44、重气体应主要考虑马赫数的影响，限制了u2的提的提高，不考虑叶轮材料的影响；反之，压缩轻气体，应主要考高，不考虑叶轮材料的影响；反之，压缩轻气体，应主要考虑叶轮材料强度的影响。虑叶轮材料强度的影响。*53110气体分子量对所需对所需压缩功的影响气体分子量对所需对所需压缩功的影响1183151polkkpolinpolpolkkTHLpolkkmm11由由多变压缩功表示为：多变压缩功表示为：说明：多变压缩功的大小与气体的分子量和等熵指数有说明：多变压缩功的大小与气体的分子量和等熵指数有关，尤其是关，尤其是对多变压缩功的影响较大，因此要达到同样对多变压缩功的影响较大，因此要达到同样的压力比，压缩重气

45、体时，所需的级数少。的压力比，压缩重气体时，所需的级数少。*541103.1.5 功率与效率功率与效率3.1.5.1 3.1.5.1 单级总耗功、功率和效率单级总耗功、功率和效率（1） 单级总耗功、总功率单级总耗功、总功率考虑叶轮在旋转过程中所消耗的功，故一个叶轮对考虑叶轮在旋转过程中所消耗的功，故一个叶轮对1kg1kg气体的总耗功为：气体的总耗功为：kgkJHHHHHLthdfldflthtottot/1则流量为则流量为 的总功率为：的总功率为：mqkWHqHqNthmdfltotmtot1对于闭式后弯型叶轮，对于闭式后弯型叶轮，一般一般 。总能量头分配如图所示。总能量头分配如图所示。04.

46、 002. 0dfl*55110（2）级效率）级效率按照不同的定义，级效率有以下几种，分述如下：按照不同的定义，级效率有以下几种，分述如下：多变效率多变效率 是级中的气体由是级中的气体由 升高到升高到 所需的多变压缩所需的多变压缩功与实际总耗功之比，表示为功与实际总耗功之比，表示为21112020001000ccTTkkRppRTmmHHLLmmtotpoltotpolpolpol 0p 0p通常通常 , ,因而有因而有00cc 111)(10000kkmmTTRkkTTRmmpol该式得出，已知多变效率，则可算出多变指数，反之亦然。该式得出，已知多变效率，则可算出多变指数，反之亦然。同理：等

47、熵效率与等温效率分别是气体由压力同理：等熵效率与等温效率分别是气体由压力 升高到升高到 所需等所需等熵压缩功或等温压缩功与实际总消耗功之比。熵压缩功或等温压缩功与实际总消耗功之比。0p0p*56110（3）多变能量头系数多变能量头系数 由多变能量头系数定义得：由多变能量头系数定义得：poludfltotpolpolpoluHuH222221上式表明：多变能量头系数与叶轮的周速系数、多变效率、漏上式表明：多变能量头系数与叶轮的周速系数、多变效率、漏气损失系数和轮阻损失系数的相互关系。气损失系数和轮阻损失系数的相互关系。*57110在比较效率的高低时，应在相同条件下比较并注意：在比较效率的高低时，

48、应在相同条件下比较并注意：与所指的通流部件的进出口有关。与所指的通流部件的进出口有关。与特定的气体压缩热力过程有关。与特定的气体压缩热力过程有关。与运行工况点有关。与运行工况点有关。通常使用较多的是级的多变效率，其由级的性能实验获得，或通常使用较多的是级的多变效率，其由级的性能实验获得，或由与其相似的模型级性能实验获得，或由产品性能的资料获得。由与其相似的模型级性能实验获得，或由产品性能的资料获得。效率值的大小也间接反映了能量损失多少的问题。效率值的大小也间接反映了能量损失多少的问题。*581103.1.5.2 3.1.5.2 多级离心压缩机的功率和效率多级离心压缩机的功率和效率（1 1）多级

49、离心压缩机的内功率）多级离心压缩机的内功率多级离心压缩机所需的内功率可表示为诸级总功率之和，即：多级离心压缩机所需的内功率可表示为诸级总功率之和，即：kWuqHqNiuidfMilmtotmii2221)1 (（2 2）多级离心压缩机的效率）多级离心压缩机的效率多级离心压缩机的效率通常指的是内效率，而内效率是各级效多级离心压缩机的效率通常指的是内效率，而内效率是各级效率的平均值。对于带有中间冷却的机器有时还用等温效率。率的平均值。对于带有中间冷却的机器有时还用等温效率。iinoutinmTNppRTqln等温效率：等温效率：*59110（3）机械损失、机械效率和轴功率机械损失、机械效率和轴功率

50、机械损失机械损失 在轴承、密封、联轴器以及齿轮箱中所引在轴承、密封、联轴器以及齿轮箱中所引起的机械摩擦损失。起的机械摩擦损失。mN轴功率轴功率 原动机传递给压缩机轴端的功率，它表示为原动机传递给压缩机轴端的功率，它表示为kWNNNNmimizzN为机械效率，其一般随内功率的增大而升高，与传动形式有关。为机械效率，其一般随内功率的增大而升高，与传动形式有关。 m（4）原动机的输出功率原动机的输出功率选择电机时，应留有足够的余量，以保证机器的安全运行，选择电机时，应留有足够的余量，以保证机器的安全运行，故选取原动机的额定功率一般为：故选取原动机的额定功率一般为：zeNN3 . 1*601103.2

51、 3.2 性能、调节与控制性能、调节与控制3.2.1 3.2.1 离心压缩机的性能离心压缩机的性能3.2.1.1 3.2.1.1 性能曲线、最佳工况点与稳定工作范围性能曲线、最佳工况点与稳定工作范围 （1）性能曲线（特性曲线）性能曲线（特性曲线）在一定转速和进口条件下的压力在一定转速和进口条件下的压力比与流量、效率与流量的性能曲比与流量、效率与流量的性能曲线。线。离心压缩机工作性能最主要的参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，就得到了压以曲线的形式表示，就得到了压缩机的性能

52、曲线。缩机的性能曲线。性能曲线由实验确定。性能曲线由实验确定。工况点工况点*61110级的性能曲线的形成级的性能曲线的形成222222222112uukbDctgqHcHHHvAvinlthhydthpol而当级一定、转速一定，则无限多叶当级一定、转速一定，则无限多叶片理论能头与叶轮入口容积流量成片理论能头与叶轮入口容积流量成直线关系。那么对于有限多叶片理直线关系。那么对于有限多叶片理论能头与叶轮入口容积流量仍成直论能头与叶轮入口容积流量仍成直线关系。线关系。对于流动损失，由于无法定量计算，对于流动损失，由于无法定量计算，因此：按摩阻损失对待因此：按摩阻损失对待并考虑变工况下的冲击损失并考虑变

53、工况下的冲击损失222inmhmhydBqcdlH*62110得到了性能曲线得到了性能曲线Hpolqin，但这一曲线在只在压缩机设计，但这一曲线在只在压缩机设计 中使用中使用而工程应用中采用更为直观的而工程应用中采用更为直观的qin曲线。曲线。经换算得：经换算得：ipolRTH1换算得到的换算得到的qin曲线和曲线和Hpolqin曲线形状相似。曲线形状相似。*63110性能曲线的一般特点：性能曲线的一般特点：随流量的减小，压缩机随流量的减小，压缩机提供的压力比将增大。提供的压力比将增大。在最小流量时，达到最在最小流量时，达到最大。流量和压力比的关大。流量和压力比的关系是一一对应的，流量系是一一

54、对应的，流量与其他参数的关系也是与其他参数的关系也是一一对应的。一一对应的。流量有最大和最小两个流量有最大和最小两个极限流量；排出压力也极限流量；排出压力也有最大值和最小值。有最大值和最小值。效率曲线有最高效率点，效率曲线有最高效率点，离开该点的工况效率下离开该点的工况效率下降很快。降很快。功率曲线一般随流量增加而向上倾斜，但当压力比功率曲线一般随流量增加而向上倾斜，但当压力比流量曲线流量曲线向下倾斜很快时，功率曲线可能先向上倾斜而后逐渐向下倾斜。向下倾斜很快时，功率曲线可能先向上倾斜而后逐渐向下倾斜。*64110（2）最佳工况点）最佳工况点性能曲线上的效率最高点称为最佳工况点，性能曲线上的效

55、率最高点称为最佳工况点，一般是该机器设计计算的工况点。一般是该机器设计计算的工况点。（3）不同转速下的性能曲线）不同转速下的性能曲线因理论能头正比于转速的平方，因理论能头正比于转速的平方，同一台压缩机压缩同一种介质、同一台压缩机压缩同一种介质、在同样的进气条件，高转速的在同样的进气条件，高转速的曲线在上方。曲线在上方。喘振曲线喘振曲线等效率曲线等效率曲线高转速时喘振流量大于低转速高转速时喘振流量大于低转速的喘振流量。的喘振流量。*651103.2.1.2 压缩机的喘振与堵塞压缩机的喘振与堵塞（1 1）压缩机喘振的机理）压缩机喘振的机理旋转脱离旋转脱离流量减小流量减小 边界层分离边界层分离 旋转

56、脱离旋转脱离压缩机喘振压缩机喘振流量进一步减小流量进一步减小 脱离团阻塞叶道脱离团阻塞叶道 出口压力显著下降出口压力显著下降 倒流倒流 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。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。现象：级进出口参数产生强烈脉动，叶片振动，机器噪音增大。*66110喘振的内因：流量过小，小于压缩机的最小流量，导致机内出喘振的内因：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；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，造喘振的

57、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。网容量有关。（2）喘振的危害）喘振的危害压缩机性能恶化，压力、效率降低；压缩机性能恶化，压力、效率降低；出现异常噪声、吼叫和爆音；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。固定部件发生碰撞，造成机器严重破坏。喘振原因：喘振原因：*67110操作者和运行人员的要求：操作者和运行人员的要求：应具有备标识喘振的压

58、缩机性能曲线的能力，随时了应具有备标识喘振的压缩机性能曲线的能力，随时了解压缩机工况点处在性能曲线图上的位置；解压缩机工况点处在性能曲线图上的位置；运行操作从员应了解压缩机的工作原理，随时注意机运行操作从员应了解压缩机的工作原理，随时注意机器所在的工况位置；器所在的工况位置；熟悉各种监测系统和调节控制系统的操作，尽量使机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。器不致进入喘振状态。（3）防喘振的措施）防喘振的措施*68110降低运行转速，可使流量减少而不致进入喘振状态，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；但出口压力随之降低；在首级或各级设置

59、导叶转动机构以调节导叶角度，使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。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。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。防喘振控制操作联动或与紧急停车联动。系统设计要求：系统设计要求：*691

60、10*70110（4）压缩机的阻塞工况（最大流量工况）压缩机的阻塞工况（最大流量工况）产生原因：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，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；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，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。再增大。*7111