过程流体机械-3离心式压缩机石

3.2性能、调节与控制3.2.1离心压缩机的性能1.性能曲线、最佳工况点与稳定工作范围1）级的性能曲线

它是指主要性能参数ε、ηpol、N随流量qvin的变化曲线，如图所示。②

qvin有极值：qmax和qmin；特点：③

Ηpol有一最高点，离开该点的工况效率下降较快；qvinε①④

N一般随流量的增加而增大。2）最佳工况点3）稳定工作范围

性能曲线中效率曲线上的最高效率点称为最佳工况点，也是设计工况点。

性能曲线中流量极值点的区域被称为压缩机的稳定工作范围。2.压缩机的喘振与堵塞

性能曲线中流量达最小时的工况称为喘振工况。是曲线的左端点，显然压缩机只能在喘振点的右面曲线上工作。喘振：它是气流在压缩机中的低频率大振幅的振荡现象。原因：机内出现严重的气体旋转脱离（分离）；管网压力高于压缩机的排气压力，使气体倒流。1）喘振工况压缩机喘振机理分析（如图所示）

当进气流量过小时叶轮非工作面产生严重边界层分离，气流脱离现在某一或几个也道出现，如B中，使其主流减少，更多气流分到A、C中，使C中的气流加剧脱离，依此类推产生一个与叶轮转向相反的旋转气流，它仅是叶轮转速的1/3。气流的这种现象被称为旋转脱离。

由于流量的进一步减少，叶道中的旋转脱离气团占居主流使叶道不排气，也无法提高气体压力，使压缩机的出口压力很快下降，这时管网的压力大于机器的压力，气体开始倒流，直到与零流量下的压力相等倒流停止，压缩机开始排气管网升压，但由于进气管的流量没有变化，叶轮叶道中，到发生旋转分离的流量和压力时又从复上述过程。

这种使整个系统周期性的低频率大振幅的轴向气流振荡现象称为喘振现象。2）喘振的危害（见教科书p116）3）喘振的预防措施（见教科书p116）

喘振造成的后果很严重，它不仅使压缩机的性能恶化，压力和效率显著降低，机器出现异常的噪声、吼叫和爆音，而且使机器出现强烈的振动，致使压缩机的轴承、密封遭到破坏，甚至发生转子和固定部件的碰撞，造成极其的严重损坏。①操作者应随时了解压缩机工况点处在性能曲线上的位置；②降低运行转速；③在首级或各级设置导叶转动机构；④在压缩机出口设置旁通管道；⑤在压缩机进口安置温度、流量仪表，出口安置压力仪表；⑥工作人员应了解压缩机的工作原理。4）压缩机的堵塞工况（最大流量工况）①当流量达到最大值时，叶轮作功全部用于克服能量损失，压力不再升高，仅够维持流动；3.压缩机与管网联合工作

一般是指与压缩机连接的进气管路、排气管路以及这些管路上的附件及设备的总称。但对于离心式压缩机来说，管网只是指压缩机后面的管路及全部装置。1）管网②当流量达到最大值时，使进口的马赫数达到最大，这时最窄截面出现声速，产生波阻，使气体压力无法提高。

如图压缩机与排气系统中第一个设备相连，将气体送入内压为pr的容器中：

管网曲线一般为以上三种情况。将管网端压与管子流量变化的关系曲线绘出即得管网性能曲线。当管子很长，阀门关小时：当pr=pa（大气压）时：2）管网特性曲线无管路阻力，管网始端压力pe为：3）离心压缩机的工作点

因此，压缩机送气时，其流量和排气压力时稳定的。①压缩机排出口流量等于管网进气量；②压缩机排出口压力等于管网所需的端压力。具有：

稳定工作点：压缩机性能曲线和管网性能曲线的交点。

如图将管网特性曲线和压缩机特性曲线绘制在一起。

用小扰动法来分析平衡工况的稳定性。如图所示，设压缩机与管网两者的性能曲线交于A点，并达到平衡。4）平衡工况的稳定性以上分析表明，压缩机与管网系统的平衡是稳定的。

同样若小扰动使流量瞬间减小，qV2小于qV，则压缩机所产生的压力pA1大于管网阻力pB1

，致使流量又趋回升，两者的工况点也回复到原来的A点了。

若气流有某小扰动，使流量瞬间增加，即qV增大为qV1，使机器和管网工况点分别移为A1

、B1点。压缩机的压力pA1小于管网阻力pb1。

由于△p=pB1-pA1的作用，系统中的流量将有减少的趋势，致使qV1又回到原来的qV，即又回复到原来的平衡工况点A的位置了；4）压缩机的串联与并联

显然，多级压缩机的性能曲线与级的形状基本一样，只是串联后级数愈多，曲线愈陡，喘振流量愈大，堵塞工况愈小，使稳定工作范围变窄。串联有：并联有：3.2.2相似理论的应用

应用相似理论可快速地设计出性能良好的新机器、同类机器的性能换算以及使产品系列化、通用化、标准化等。流动相似：离心压缩机流动相似应具备的条件为：几何相似、叶轮进口速度三角形相似、特征马赫数相等。

指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(如压力、速度等)比值相等。由此就可获得机器的流动性能(如压力比、流量、效率等)相似。符合流动相似的机器其相似工况的效率相等。3.2.3压缩机的调节方法及特点

压缩机进、出口节流、进口导叶（又称进气预旋）、转动的扩压器叶片、改变转速等。常用的调节方法有：调节原理：改变管路特性曲线或改变压缩机的性能曲线使其工况点发生变化。3.2.4附属系统离心压缩机配套的附属系统主要有：2.增（减）速设备1.输送气体的管路系统：

由于管路系统的复杂性，无论是使用者还是设计者都应清楚机器的进出口管件、管子和相应的设备主要参数和特点，以免出错。

一般电机的转速在1500~3000r/min，而离心压缩机一般在9000r/min以上。为此要配备增速器——齿轮变速箱。

输气管网系统、增（减）速设备、润滑油路系统、冷却系统和检测控制系统等。3.水路系统：4.检测系统：中间冷却器和油路冷却器。一般采用循环水冷却。性能检测：机器、管路、冷却器等的进出口压力温度和流量等。安全检测：振动、轴位移、轴承和密封的油压力等。3.3安全可靠性3.3.1叶轮强度强度：轮盘的强度，应力计算有二次法和有限元法等。材料：一般为优质低合金钢，如34CrNiMo等。试验：叶轮加工成型后，一般要做超速试验和动平衡试验。1.临界转速：在外干扰力作用下，转轴产生共振时的转速称为转子临界转速。它与系统自由度有关，一般有i个临界转速，实际工作转速多与1、2临界值有关。2.阶数：临界转速中最小的称为1阶临界转速；临界转速中次小的称为2阶临界转速等。

主要方面：叶轮强度、转子临界转速、轴向推力的平衡、轴端密封等。3.3.2转子临界转速3.轴的分类挠性轴：工作转速大于1阶临界转速的轴称为挠性轴，即：刚性轴：工作转速小于1阶临界转速的轴称为刚性轴，即：刚性轴：挠性轴：且：为保证轴工作的安全平稳性一般要求：3.3.3轴向推力的平衡1.转子承受的轴向力

如图为闭式单吸叶轮侧面气体压力的分布情况。通常认为叶轮间隙中气体旋转的角速度是叶轮角速度的1/2，不计气体泄漏的影响，则气体压力的变化等于所获得的离心力，即：当r=D2/2时，pr=p2。由r至D2/2积分得：若半径r处压力为pr，将F2=prA、F1=p1A、F0=qmC1z求和，得轴向力F为：作用在转子上的总轴向力为：2.轴向力的平衡方法1）叶轮对称排列轴向力基本抵消，但结构和管路布置比较复杂。2）叶轮背面加筋在叶轮背面相当于增加半开叶轮，对密度大的高压机器减小轴向力很有效。3）采用平衡盘（应用普遍）注：在平衡轴向力时，一般应留10左右kN的轴向力，由轴向止推轴瓦承受，使转子得到轴向定位。3.3.4轴端密封

前面学的迷宫密封是一种非接触型密封。主要用于离心压缩机级内轮盖密封、级间密封和平衡盘密封上。

流体机械既有静密封又有动密封。动密封是防止机器在运转和停转中流体向外或向内泄露的构件。动密封主要是旋转轴的密封。轴封机械密封浮环油膜密封干气密封1.机械密封1—动环；2—静环；3—套筒；4—弹簧；5—端盖；6、7、10—”o”型环密封；8—壳体；9—轴

注：一般动环为硬质材料如不锈钢等；静环为软材料如石墨、青铜等。

一般由动、静环，弹簧和端盖等组成，如图。工作时要将静环端面紧贴在动环上使其达到密封的目的。为防止动静环的干摩擦，要用密封液润滑。2.浮环油膜密封

工作时，由进油口注入比腔内压力高0.05～0.1MPa的压力油，轴旋转形成油楔，压力油将浮环托起，浮环在油膜动压力作用下自动找正对中，形成油膜，阻止了气体的轴向泄漏。1浮环；2间隔环；3防转销钉；4弹簧；5轴套；6挡油环；7甩油环；8轴3.4选型3.4.1选型的基本原则1.提出产品应达到的技术指标

1）性能指标：流量、压力比、功率和变工况的范围等。明确经常运行的工况点：它应是效率曲线的最高点。通常：2）安全指标：材料性能表、轴向力、临界转速等。更主要的是机器震动的控制值。它主要包括：产品价格、供货时间、使用寿命等。2.提出产品的经济指标3.选用性能调节方法

若要获得相当宽的变工况范围，且压缩机仍能在较高效率下工作，则需选用变转速调节，或增加进气导叶可调辅助装置等。4.提出必须配备的设备仪表3.4.2选型分类1.按气体流量与压力选型1）按流量：选结构参数b2/D2。如流量在50～5×103m3/min时选用

0.025≤b2/D2≤0.065合适。2）按压力p>3×105Pa选压缩机

3×105<p<3×105Pa选鼓风机

3×105Pa<p选通风机2.按工作介质选型

易燃、易爆、有毒和贵重气体等应选密封性能好的压缩机如浮环油膜密封等；应根据工艺的需求选用冷却系统；

同一压力比下，重气体比轻气体的压缩功小，则应选较少级数的压缩机；按级数、按气缸结构、按叶轮结构与排列以及扩压气结构等。3.按机器结构特点选型4.按原动机选型

对于大流量、高压比的压缩机应选用变转速的工业汽轮机或燃气轮机；对于单级小型不调速的机器易选交流电动机；对于一般中等流量的机器可选变速电机等。3.4.3选型事例

进口压力pin=64.87atm[1atm标准大气压=0.1MPa]，进口温度为Tin=324K，出口压力为pout=141.8atm，混合气体的分子量和气体常数分别为M=8.569和R=970.3J/kgK，混合气的质量流量为5943kmol/h，机器进口处的压缩性系数为Zin=1.055，容积多变指数为mv=1.9586，选用汽轮机驱动，试对该机器进行选型。例某合成氨厂需一台压缩机将合成气增压输送到反应器中合成为氨气。已知条件为（见教科书p139）：解：1）总的多变压缩功由：2）压缩机总的能量头由：取多变效率为0.75（见p91），则：3）进口容积流量由：4）确定压缩机的级数：