离心式压缩机

离心式压缩机第1页/共71页第三章 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

离心式压缩机级内各种损失3.1.2菜单3.1.1

离心式压缩机的基本方程第2页/共71页离心压缩机级内的能量损失有哪几种？分别简述发生的部位、原因、防治措施.下列设计是为了减小哪些流动损失？采用翼型叶片；提高叶轮流道的加工精度；增加叶片数；在叶轮前加可转动的导叶；有叶扩压器内容回顾：第3页/共71页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

流动损失dfdf第4页/共71页

在一级中存在气流损失项：①流动损失：②泄漏损失：③轮阻损失：

总损失：总功（总能量头），即轴总输出功：HthHtotHtot=Hth+Hl+Hdf=(1+βl+βdf)Hth第5页/共71页3.1.5

功率与效率第6页/共71页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第7页/共71页（1）采用多级串联和多缸串联的必要性离心压缩机的单级压力比较往复式的低，所以多采用多级串联式结构。考虑到结构的紧凑性与机器的安全可靠性，一般主轴不能过长。对于要求高增压比或输送轻气体的机器需要两缸或多缸串联起来形成机组。百万吨乙烯装置“中国心”的诞生第8页/共71页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气体分子量μ/[J/(kg·K)]绝热指数m密度ρ/(kg/m3)多方压缩功Hpol(kJ/kg)圆周速度u2/(m/s)级数j氟里昂-11136.31.106.1516.971861空气28.971.401.29392.2142802焦炉煤气11.781.360.525215.822805氦气41.660.178701.4228017氢气21.410.0901319.4528032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第9页/共71页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

第10页/共71页3.2性能与调节3.2.1离心压缩机的性能曲线

3.2.1.1性能曲线形成、特点、工况

3.2.1.2喘振工况

3.2.1.3堵塞工况

3.2.3压缩机的调节方法及特点第11页/共71页（1）性能曲线的形成在一定转速和进口条件下的压力比与流量、效率与流量的关系曲线。离心压缩机的工作性能最主要参数是压力比、效率、功率和流量。性能曲线：第12页/共71页（2）性能曲线的特点

随着流量的减小，压缩机能提供的压力比将增大。离心压缩机有最大流量和最小流量两种极限流量；排出压力也有最大值和最小值。效率曲线有最高效率点，最佳工况点，设计工况点。第13页/共71页（3）稳定工作范围

稳定工作范围：压缩机性能曲线的左边受到喘振工况的限制，右边受到堵塞工况限制，在这两个工况之间的区域称为压缩机的稳定工作范围。线堵塞工况第14页/共71页堵塞工况

流量达到最大时的工况即为堵塞工况。造成这种工况有两种可能：级中流道中某喉部处气流达到临界状态，这种情况称为“阻塞”工况。2.流道内并未达到临界状态，即未出现“阻塞”工况，但压缩机在偌大的流量下，机内流动损失很大，所能提供的排气压力已很小，这也是压缩机的最大流量工况。第15页/共71页

堵塞工况

当流量增大时，气流速度升高，流道某喉部气流流速将达到临界状态，即流速等于音速c=a(M=1)。这时流量为最大流量qmax

，若想再提高流量，则会出现激波（波障）气流穿过波障时将有很大波阻损失，压力不再升高，流量也不能再增加，这种工况称为“阻塞工况”。第16页/共71页整套装置连接形式：

压缩机→管道→设备（装置）通常：管道+设备——称为管网系统

压缩机压缩机与管网联合工作第17页/共71页管网第18页/共71页设备（装置）第19页/共71页管网特性曲线管道沿程压力损失：

设备内工作压力：

管网进口总压力：

管网特性曲线：

qvp第20页/共71页特性曲线分析：①管道内摩擦阻力越大，曲线越陡。②当无管道时：③当无设备时：Pqvp=prp第21页/共71页压缩机与管网联合工作

压缩机与管网为串联连接，遵守质量守恒和能量守恒定律。压缩机排气量等于管网的进气量：排气压力等于管网所需压力：整个系统才能达到平衡，稳定工作。稳定工作点为两特性曲线的交点，A点。

A点上满足：

A点尽量在高效率区

Apqv第22页/共71页3.2.1.2喘振工况（1）压缩机喘振的机理（2）喘振的危害（3）预防喘振的措施第23页/共71页（1）压缩机喘振的机理两方面因素决定：

(a)内在因素:旋转脱离、旋转失速旋转脱离流量减小边界层分离旋转脱离第24页/共71页(1)压缩机喘振的机理（续）(b)外在条件：压缩机管网系统的特性这种周期性、低频率、大振幅的正反气流震荡现象为喘振ε流量进一步减小脱离团阻塞叶道出口压力显著下降管网压力下降慢倒流第25页/共71页（2）喘振的危害离心式压缩机发生喘振时：

性能曲线中断：流量—正流、倒流；ｐ2—变大、变小；η—下降。出现噪音（呼哧）、吼叫、爆音；对机器的损害：转子及定子元件受交变应力，级间压力失调引起的强烈振动，使密封及轴承损坏，甚至发生转子与定子元件相碰、压送的气体外泄、引起爆炸等恶性事故第26页/共71页(a)压缩机出口压力升高，排气系统压力大于出口压力，使气体流量降到喘振流量。稳定排气系统的压力高，造成压缩机出口憋压，造成机内气体低流量(b)入口流量低于规定值，当开、停机时气体流量少，或者放空阀开得过大，最容易引起压缩机入口流量低。（3）运行工况变化引起喘振第27页/共71页(c)气体密度变化，一定转数下，离心力下降，引起出口压力及排量下降，通常误认为是抽空现象;(d)分馏系统操作不稳致使压缩机入口气体带油，液体组分进入机体;(e)汽轮机的蒸汽压力低或质量差如温度低机组出现满负荷，转速下降。（3）运行工况变化引起喘振第28页/共71页（4）喘振实例-1例：前郭炼油厂一催化装置的MB-CH型7级串联水平中分离心式气体压缩机。a．由转速变化引起的喘振

正常情况下，压缩机转速的改变由系统反应的压力信号控制，但机器发生故障时，压力信号不能使汽轮机转速自由调节。某年冬季，由于蒸汽量不足，蒸汽管网压力低，汽轮机用蒸汽经常出现0.7~0.8MPa，机组出现满负荷状况非常多，转速上不去，有时只达到给定信号的80%~90%，常出现喘振。第29页/共71页喘振实例b．气体分子量减小引起喘振

催化装置试验采用掺炼渣油，20天后由于渣油中重金属含量高，引起催化剂中毒，使裂化气体组成发生变化，富气中H2组分高达40%（体积百分比），富气分子量降低到35（原设计分子量是50）。分子量降低后，压缩机发生喘振。

（4）喘振实例-2第30页/共71页喘振实例c．压缩机出口管路节流引起喘振

在压缩机出口管路上入容器前打洗涤水，管内径是150mm，结垢后内径变成30mm，出口管路阻塞，管路性能曲线上移，工作点进入喘振区域，发生喘振。d．进口节流（进口压力低）导致压缩机喘振。

一次，由于压缩机前油气分离罐破沫网脱落，被吸入压缩机入口管，形成节流，进口压力低，导致喘振。AA1（4）喘振实例-3第31页/共71页某压缩机原来进气温度为30度，因生产中冷却器出了故障，使气温剧增到70度，这时压缩机突然出现了喘振e.进气温度变化造成的喘振情况究其原因就是因为进气温度升高，使压缩机性能曲线下降，由线1下降为l’，而管网性能曲线未变，压缩机工作点变到A’，此点如果落在喘振线上，就会出现喘振。（4）喘振实例-4第32页/共71页（5）防喘振的措施①具备具有喘振警戒线的特性曲线，以及防喘振限（5-10％）；②调节流量降低运行速度，可使流量减少而不致进入喘振状态，但出口压力随之降低；第33页/共71页（5）防喘振的措施（续）③设出口旁路,防止系统减量,多出的量打回压缩机进口，虽浪费功，但防喘振；部分气体回流法、部分气体放空法：④进出口装测定仪表：压力表、温度表、流量计，将防喘振与报警联锁或与紧急停车联动；⑤设置导叶转动机构，调节导叶，防止出现正冲角。注意：叶轮、扩压器中均有喘振发生第34页/共71页压缩机启动和停车过程中注意喘振(a)(b)下图中哪一图所示的开车和停车顺序是正确的?先升压、后升速先升速、后升压先降速、后降压先降压、后降速第35页/共71页开车和停车顺序先升压、后升速先降速、后降压第36页/共71页开车和停车顺序先升速、后升压先降压、后降速第37页/共71页3.2.3压缩机的调节方法及特点1压缩机出口节流调节2压缩机进口节流调节3采用可转动的进口导叶调节(又称进气预旋调节)4采用可转动的扩压器叶片调节5改变压缩机转速的调节6三种调节方法的经济性第38页/共71页（1）压缩机出口节流调节在压缩机出口安装节流阀，靠阀的开度调节流量.

原理：阀关小时，流量减小，管网阻力增大，管网特性曲线变陡。

特点：简单、方便，但功率浪费大。

注意：流量太小时，会进入喘振区。

AA1压缩机的各种调节方法第39页/共71页（2）压缩机进口节流调节压缩机进口安装节流阀，控制进口流量和压力。特点：简单、方便，省功率，应用广泛。原理：阀开度大小，改变压缩机吸入参数，使压缩机特性曲线变化。注意：流量太小时，也会进入喘振区AA1压缩机的各种调节方法第40页/共71页(3)改变压缩机转速调节压缩机转速，使其特性曲线变化，工况点也随之变化。特点：最省功、经济，调节范围宽，无其它损失；但要求原动机速度可调或有调速机构。原理：压缩机速度变化，特性曲线变化。注意：流量太小时，也会进入喘振区

n1n2n3qvp压缩机的各种调节方法第41页/共71页压缩机的各种调节方法（4）叶轮进口导叶（进气预旋）、扩压器叶片调节转动导叶或扩压器叶片，使气流无冲击进入，避免气流冲击和喘振发生。特点：经济性好，损失少，但机构复杂。原理：减少压缩机内部冲击损失，使压缩机特性曲线变平缓。可避免或减小喘振区。qp第42页/共71页

(5)压缩机的串联与并联两台或几台压缩机串联或并联后，使特性曲线成倍增加，工况点提高。特点：简单、方便，省功，但增加设备。原理：压缩机特性叠加，使流量或压力倍增。

串联：并联：串联并联qpqp第43页/共71页3.3安全可靠性3.3.1叶轮强度3.3.2转子临界速速度3.3.3轴向推力的平衡第44页/共71页3.3.2转子临界速度1.什么是临界转速？临界转速是指转子旋转的角速度和转子弯曲振动的固有频率相等时的转速。2.临界转速的危害：转子如果在临界转速下运行，会出现剧烈的振动，而且轴的弯曲度明显增大，长时间运行还会造成轴的严重弯曲变形，甚至折断。3.措施：为确保机器在工作范围内不致发生共振工作转速应适当偏离临界转速例如10％以上第45页/共71页转子平衡实验（Ｐ137（２）安全指标）１）转子静平衡实验：轴上的叶轮及其他零部件构成的转子重心是否在轴的旋转中心线;

去掉不平衡部位的重量２）转子的动平衡实验：每个零件的不平衡质量不在同一平面，转子旋转时产生力矩，使轴发生挠曲，产生振动

第46页/共71页3.3.3轴向推力的平衡转子承受的轴向力叶轮两侧的压力不相等流经叶轮的流体沿轴向分动量变化第47页/共71页(a)叶轮顺排(b)叶轮对排(c)带有中间冷却器叶轮对排(1)叶轮对排;(2)叶轮背面加筋;(3)采用平衡盘(平衡活塞)轴向推力的平衡措施转子重力下沉平衡轴向力

径向轴承轴向止推轴承第48页/共71页

在轮盘背面加几条径向筋片，相当于增加一个半开式叶轮。使间隙中的流体旋转角速度增加一倍，从而使离心力增加，可见靠内径处的压力显著下降.对密度大流体的高压压缩机减小叶轮轴向力有效。（2）叶轮背面加筋eijh第49页/共71页在末级叶轮之后的轴上安装一个平衡盘。平衡盘的另一侧与吸气管相通，靠近平衡盘端面安装梳齿密封，可使转子上的大部分轴向力被平衡掉。平衡盘是最常用的平衡轴向推力的措施。（3）采用平衡盘（亦称平衡活塞）第50页/共71页3.4选型3.4.1选型的基本原则3.4.2选型分类3.4.3选型方法第51页/共71页3.4.2选型分类3.4.2.1按气体流量与压力选型3.4.2.2轴流式与离心式压缩机的性能比较3.4.2.3按工作介质选型3.4.2.4按机器结构特点选型3.4.2.5原动机选型第52页/共71页轴流式与离心式的性能比较(1)轴流压缩机适用于更大的流量(2)轴流式的级压力比低(3)轴流压缩机的效率高(4)轴流压缩机的变工况特性较差轴流式压缩机级：动叶和静叶构成。叶栅的概念第53页/共71页(1)轴流压缩机适用于更大的流量DtDh通流面积：进气速度第54页/共71页(2)轴流式的级压力比低

在轴流级中气流方向基本平行于轴线，径向分速cr≈０，由于动叶前后的u1≈u2，由欧拉方程可知，故级中获得的能量比离心式的少。因而有效压缩功小，级压力比低。一个转子上的级数有限，故它不使用于高压力比的场合。第55页/共71页(3)轴流压缩机的效率高效率高：流经动静叶栅的流线弯曲小，流程短，流动损失小；机翼型叶片，分离损失小u1c2u1c1第56页/共71页由于相当薄的机翼型动、静两排叶片都对来流方向十分敏感，且两排叶片靠得很近随着流量的增减，内部正负冲角的增大，使级压力比变化剧烈，其ε一qv曲线很陡，η一qv曲线左右都下降得厉害。故轴流式的变工况适应性较差。但若各级静叶全部可调，能具有很好的变工况适应性.(4)轴流压缩机的变工况特性较差第57页/共71页轴流离心压缩机性能曲线对比第58页/共71页3.4.2.3按工作介质选型(1)按轻气体与重气体选型(2)按工作介质的性质及排气压力是否很高选型(3)按气固、气液两相介质选型第59页/共71页压缩轻气体所需的有效压缩功就大，因而选用的压缩机级数就多，甚至需要选用多缸串联的压缩机机组，为了使结构紧凑，应尽可能选用优质材料以提高叶轮的u2，并选用叶片出口角较大，叶片数较多的叶轮，以尽可能的提高单级的压力比，从而减少级数。压缩重气体所需的压缩功就小，则可选用较少的级数，甚至选用单级离心压缩机，但应注意u2的数值不能太大，否则还将受马赫数较大的影响而使效率下降，变工况范围缩小。(1)按轻气体与重气体选型第60页/共71页(2)按工作介质的性质及排气压力选型

如工作介质有毒、易燃、易爆、贵重和排气压力很高，则选用的机器应具有密封严密的轴端密封装置，对防介质泄漏可提出极小的允许漏量，甚至不允许有丝毫的泄漏。另外，为了工作的稳定与安全，在气体被压缩不断提高压力的同时，应对温度的提高有一定的限制，这就需要选用带有中间冷却的压缩机。其压缩机如何分段，则需按对温度升高的限制程度和节省能耗的多少进行综合。第61页/共71页(3)按气固、气液两相介质

对于气体中含有固体颗粒或液滴的两相介质，用户应提供气体中所含颗粒或液滴的浓度、大小等参数，要求机器的设计制造单位，按两相流理论进行设计，而通流部件特别是叶轮、叶片应选用耐磨损、耐锈蚀的材料或表面喷涂硬质合金等进行特殊的表面处理。第62页/共71页3.4.2.4按机器结构特点选型(1)单级离心压缩机(2)多级多轴结构(3)多缸串联机组(4)气缸结构(5)叶轮结构与排列(6)扩压器结构(7)轴流离心混合型压缩机第63页/共71页(1)单级离心压缩机

如工作介质分子量大或要求的压力比不高，则应尽量选用结构简单的单级离心压缩机。为了提高单级离心压缩机的压力比，可选用半开式径向型叶片的叶轮，它的显著特点是强度高，允许的圆周速度大，u可达550m／s，进入导风轮和叶片扩压器的来流速度有的可达超音速，其压缩空气的压力比可达ε

=6．5。这种离心压缩机已在小功率燃气轮机和离心增压器中得到广泛采用。第64页/共71页(2)多级多轴结构

由于多级离心压缩机逐级容积流量不断减小，而一个转子或直线式串联的多个转子上的叶轮转速都相同则前级和后级叶轮的b2／D2很难满足性能好、效率高的要求，为此可采用多级多轴结构，使各轴的转速不同来满足各级b2／D2的要求。第65页/共71页(5)叶轮结构与排列①一般多采用闭式叶片后弯式的叶轮，因它的性能好，效率高。②为了提高单级压力比，使结构简单紧凑，可选用半开式径向直叶片的叶轮，其前面加上一个沿径向叶片扭曲的导分轮，以适应气流进入叶轮时沿径向不同的圆周速度u1。③较大的流量，当前几级b2／D2≥0.06时，可选用具有