离心式压缩机课件.ppt

1、第五章 离心压缩机的选型与热力设计,5-0 离心压缩机的选型,5-0-1 离心压缩机选型的基本原则 一 提出产品应达到的技术指标 1 性能指标 明确性能参数的定义、数值并作必要的说明。性能参数主 要是流量、压比、功率和变工况的适用范围等 2 明确经常运行的工况点 生产的设计单位和压缩机的设计制造单位的协调问题,5-0 离心压缩机的选型,3 安全指标 （1） 主要零部件的材料（机器承受的压力） （2 ） 转子动平衡允许的残留不平衡量 （3） 工作转速离开临界转速的数值 （4） 主要零部件的装配尺寸及其间隙值 （5 ） 机器运动的振动值,二、提出产品的经济指标 1 产品价格：比较报价，但产品质量放

2、首位 2 供货时间： 3 使用寿命：,5-0 离心压缩机的选型,三、选用性能调节方式 过程生产所提供的原料品质、成分、数量的改变以及物理过程、化学反应等生产工艺的改变，改变工况。 1 变转速调节 2 进气导叶调节,5-0 离心压缩机的选型,四、提出必须配备的设备仪表 压缩机辅助系统（如冷却器，油站等），检测系统（如测量压力、温度、流量、转速、振动量等确定其测量部位选择测量仪器、仪表等）和控制系统（开停车、防喘振、连锁紧急停车、自动调节保持高效运行点等） 五、其它事项 压缩机转子转向、进排气管方位、机体的高度等 提供拆装机器的专用工具,5-0 离心压缩机的选型,5-0-2 离心压缩机选型的分类

3、一 按气体流量与压力选型 1 各类压缩机流量和压力适用范围,5-0 离心压缩机的选型,2 按流量选型 （1）较小流量选用窄叶轮的离心压缩机 （2）流量在50-5000m3/min范围内选择离心压缩机（b2/D2) (3) 较大流量可采用双面进气叶轮和/或三元叶轮 （4）流量更大，约1000-20000m3/min，排气压力在1Mpa 以下，选轴流压缩机,5-0 离心压缩机的选型,3 按压力选型,5-0 离心压缩机的选型,压力： （1）通风机 0.115Mpa以下 （2）鼓风机 0.115-0. 35Mpa （3）压缩机 0.35Mpa以上,二、按工作介质选型 1 按轻气体与重气体选型 轻气体气

4、体常数大，所需有效压缩功大，级数多，甚至选用多缸串联的压缩机组。为使结构紧凑，应尽可能选用优质材料提高叶轮u2，并选用叶片出口角较大，叶片数较多的叶轮，以尽可能提高单级压比，减少级数。 重气体气体常数小，所需有效压缩功小，级数较少，甚至单级，但注意u2不能太大，否则马赫数较大，效率下降，变工况范围缩小,5-0 离心压缩机的选型,2 按工作介质性质及排气压力是否很高选型 易燃、易爆、有毒、贵重和排气压力很高的工作介质，轴端密封严密，中间冷却（工作稳定与安全） 3 按气固、气液两相介质选型 （1） 两相流理论设计 （2）叶轮、叶片耐磨、耐蚀（材料，表面喷涂硬质合金）,5-0 离心压缩机的选型,四

5、按机器结构特点选型 1 单级离心压缩机 半开式径向叶轮，空气压比达6.5 水蒸气单级离心压缩机 2 多级多轴结构 b2/D2 3 多缸串联机组 高压比或/和轻气体,5-0 离心压缩机的选型,5-0 离心压缩机的选型,4 气缸结构 （1）上下中分型 （2）竖直剖分型 （3）高压筒型 内外气缸 不分段 轴端密封严密,5-0 离心压缩机的选型,5 叶轮结构与排序 （1）闭式后弯叶轮：前几级和中间级后弯，后几 级强后弯 （2）半开式径向直叶片叶轮+导风轮（提高单级 压比，结构紧凑） （3）为适应较大流量，前几级b2/D20.06，三元 叶轮 （4）长短叶片相间排列 （5）对向排列，顺向排列,5-0 离

6、心压缩机的选型,6 扩压器结构 （1）无叶扩压器，常用 （2）叶片扩压器，单级或个别多级（叶片角度 可调）,5-0 离心压缩机的选型,7 轴流离心混合型压缩机 前轴流后离心,5-0 离心压缩机的选型,五、原动机选型 1 选用高速、变速的工业汽轮机或燃气轮机 2 选用交流电动机 （固定转速，需增速齿轮箱） 3 选用可变转速的电动机 （1）选用直流电机，可控硅整流 （改变电阻） （2）选用变频交流电动机 （改变励磁）,5-0 离心压缩机的选型,5-0 离心压缩机的选型,5-0-3 离心压缩机选型的方法 一、 用户根据已知介质，流量，进、出口压力，温度等条件 和要求直接查找某生产厂家的产品目录来选型

7、 二、用户根据已知条件和要求，进行初步的方案计算，以选 择合适的机器、形式、结构和级数等，并与制造厂商商讨 选型 三、用户提出已知条件和要求，委托制造厂利用现成的软件 进行产品优化选型与性能预测，使选型的机器效果最佳。,第五章 离心压缩机的选型与热力设计,5-1 中间冷却与分段 中间冷却和分段的意义 离心压缩机压比高，一般在33.5以上，压缩后气体温度非常高，使压缩机多耗功，对压缩机的安全运转也十分不利。故对压比较高的压缩机需进行中间冷却。 冷却方式： 气体经历一个级组（段）的压缩后，离开压缩机，引入中间冷却器，与冷却介质进行不相互混合的热交换，冷却后的气体再次引入压缩机的下一段进行压缩。当段

8、数较多时，将压缩机分成几个缸，由多缸串联组成压缩机。但中间冷却器与连接管路中存在压损，气体压力降低，冷却次数太多反而并不省功。故需合理分段。,5-1 中间冷却与分段,一 压缩机段数的确定 压缩机段数N与中间冷却次数Z之间的关系：ZN-1 从省功角度对压缩机分段，各段总耗功为,若压缩机不进行中间冷却，总耗功为,冷却后省功为,省功比,5-1 中间冷却与分段,省功比 （1）压缩机总压越高，相同冷却次数下省功比越大 （2）省功比随冷却次数先升后降,5-1 中间冷却与分段,一般空压机冷却次数与压比关系：,分段所考虑的其它因素 1 被压缩介质的特性：易燃易爆气体，高温腐蚀，分解聚合；冷却次数宜多一些 2

9、用户具体使用条件：高炉鼓风 3 压缩机的具体结构，级的型式，冷却器的布置等具体方案：双轴H型压缩机可 采用逐级冷却,5-1 中间冷却与分段,二、压缩机各段最佳压比的分配 根据转子对气体总耗功W最小条件下求取,5-1 中间冷却与分段,5-1 中间冷却与分段,各段进气温度,中间冷却器析水量：,析水叶轮腐蚀中间冷却器排水装置或提高排气温度在冷凝温度之上。,各段压比调整（考率其它因素）： 后面段体积流量小，叶轮外径和出口角小，压比下降；故适当减小后面段压比，而将前面段压比适当增加。调整后各段压比与最佳压比差若不超过15，总耗功增大不超过1,5-1 中间冷却与分段,三、等温效率,5-1 中间冷却与分段,

10、（1）两台压缩不同定熵指数气体的压缩机，不能用等温效率比较经济性 （2）冷却次数选择合理，压比对等温效率影响不大,5-2 热力设计概述,效率法：根据已有压缩机的生产和科学实验，预先给定级的多变效率，同时对于级的主要几何参数相对值、主要气动参数和各元件的型式，按已有的经验数据选取，从而设计计算出压缩机流道部分的几何尺寸。 缺点：用级的平均多变效率代替各部件效率，无法反映各部件真实情况 设计出性能偏差为510 流道法：以各元件的试验为基础，同样应用已有机器的有关相对几何参数和气流参数的推荐值，来设计计算出压缩机流道部分的几何尺寸。 缺点：各典型元件需有完善的试验数据；不能考虑各元件之间的影响，尤其

11、在高压比情况。设计出性能偏差为510 模化法：以相似理论为基础，根据已有的经过实践的高效率机器或根据试验获得的高效率模型级，用相似换算方法设计新的机器。性能较可靠。,效率法,热力设计包括内容： （1）压缩机的设计任务 （2）设计参数的整理与计算 （3）压缩机的分段和段压力比的计算 （4）压缩机段的计算 （6）压缩机流道设计,5-2 热力设计概述,一、压缩机设计任务,1 输送气体： 混合气体应给出各成分及其体积（质量）百分比,5-2 热力设计概述,2 压缩机进口气体状态参数： 进口压力 pin（若表压，应给定是相对于标准大气压还是某地区大气压） 进口温度 tin 相对湿度 f,3 流量：体积流量

12、应指明对于进口状态还是标准状态,4 出口压力或压升,5 冷却水的进口温度,6 其它：工况范围，自动调节，轴端密封，耐腐蚀防爆，原动机种类型号及参数 噪声指标,5-2 热力设计概述,二、设计参数的整理与计算,1 气体的物性参数 （1）相对分子质量：,（2）定压比热容：,（3）气体常数：,（4）定熵指数（理想）：,（5）含水蒸气混合气体常数和定熵指数：,5-2 热力设计概述,1kg干燥气体所含有的水蒸气质量（含湿量）：,气体常数：,定熵指数：,2 流量,考虑外漏气,5-2 热力设计概述,流量换算,大流量，低压比，取小值；小流量，高压比，取大值（35）,3 进出口压比,进出口压力应换算成绝对压力，计

13、算压比,压升小，选大系数；压升大，选较小系数,5-2 热力设计概述,三、压缩机的分段和段的压力比计算（方案对比法） 思路：介质物性参数和压比根据推荐范围初步定几种分段数计算各种分 段数省功比考虑压缩机结构和布置要求及其它因素确定合理分段 数段压比,四： 压缩机段的计算： 也称方案计算，通过选取和计算各段及段中各级的主要参数，来确定各段、各级主要的气动、热力和几何参数 方案（1）不同分段数和段压比 （2）同一段中不同叶轮型式、圆周速度、 转速、叶轮直径及配用不同型式的固定元件等方案,确定参数：各段平均效率，各段进口温度，各中间冷却器压损，各段压比， 各段进口压力,1 各段进口体积流量和段多变功,

14、5-2 热力设计概述,2 各段各级主要参数的选取与计算,（1）各段各级叶轮叶片出口角,，叶片数 Z 及流量系数,5-2 热力设计概述,（2）各段各级多变效率,（3）各段中级数,（4）各段各级圆周速度,（5）压缩机转速,（6）各段各级叶轮出口宽度,3 方案的对比与分析,5-2 热力设计概述,（1）可行性，实用性 （2）经济性：气动特性，消耗功率 （3）工艺性：机器外形尺寸，重量，转子材料，加工工时，加工主要设备等 （4）配套设备：冷却器，增速器和原动机,五、压缩机流道设计,1 流道逐级计算： （1）根据最后选定方案的主要参数，进行流道中各代表截面的详细计算， 以进一步确定流道中各截面的气动、热力

15、和几何参数。 （2）方案计算时选择的主要参数在详细计算中可适当调整 （3）方案计算选定的级轮阻损失系数和轮盖漏气损失系数在逐级计算中要 校核，迭代。 （4）计算通过轴封或平衡盘密封等的外泄漏量，核算进口流量与原选取值 之间误差。 （5）对含有水蒸气的气体，逐段进口流量扣除中间冷却器内的析水量,5-2 热力设计概述,2压缩机功率计算,5-2 热力设计概述,级的内功率,压缩机内功率,压缩机轴功率,3 绘制流道示意图与设计装配图,（1）流道转弯曲率半径尽可能大，减小分离损失和气流不均匀性 （2）流道连接处光滑过渡，避免局部扩压损失和破坏气流均匀性 （3）受临界转速限制，级间轴向距离尽量减小。,5-2

16、 热力设计概述,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,一、各段各级圆周速度,1 圆周速度上升叶轮对气体作功增加压缩机级数减少机组尺寸和重量减小 2 圆周速度提高所受的限制： （1）材料的强度极限和工艺。 一般材料闭式叶轮：铆接 290300 m/s; 焊接：320m/s 闭式径向直叶片式叶轮：340m/s 半开式径向直叶片式叶轮：450540 m/s （2）进出口马赫数限制（波阻损失）,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,重气体（制冷工质氟里昂、丙稀、丙烷等）相对分子质量大，气体常数和定熵指数小。,声速小,马赫数大,圆周速度选取要小于轻气体,圆周速度选取：重气体要注意马赫数，轻气体注意材料强

17、度,（3）腐蚀性介质的限制：圆周速度不宜太高 天然气（硫化氢），圆周速度不要超过270 m/s,(4) 级效率 转速一定，提高圆周速度增大叶轮外径b2/D2变很小效率下降,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,二、各段的级数,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,各段级数,段的多变功,压比一定时，降低进口温度，提高段平均效率可减少段中级数 轻气体，气体常数越大所需压缩功越大所需级数越多,段的平均能量头系数,周速系数,圆整成整数级数时圆周速度,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,一个缸内叶轮极限数（临界转速限制，一般都在9级以下）,高压比，小流量和压比不太高的轻气体是问题,三、压缩机转速 n,

18、5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,第一级流量最大时和末级流量最小时b2/D2选取合理,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,小流量高压比或流量变化大，同一根轴难以满足b2/D2选取要求，可采 用多缸、平行轴或多轴型结构压缩机。各轴采用不同转速,工作转速避开转子临界转速,高转速时注意增速器设计和制造的可能性,固定式压缩机转速一般在20000r/min,四、级效率的选取,根据气动和几何参数特点，参考同类机器或模型实验结果，通过全面分析确定，一般多变效率在0.70-0.84之间,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,后弯式叶轮：,径向直叶片叶轮：,高压小流量：,相对宽度大的三元叶轮：,体积流量逐

19、级减小，故前面段效率稍高，后面段效率稍低,五、流量系数 选取原则 (1) 使气流不产生倒流和级 轴向涡流曲线通道气流速度不均匀一定平均速度以免工作面倒流,气流不均匀度随气流出口角增大流量系数也要相应选用较大值,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,(2) 有较高反作用度和较小扩压度,大流量系数使能量头下降,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,小流量系数使叶轮出口绝对速度气流角减小，对无叶扩压器不利（摩擦损失大）,不同型式叶轮流量系数范围,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,径向型叶轮,后弯型叶轮,强后弯型叶轮,六、叶轮出口相对宽度,（1）强后弯叶轮：取上限值；径向型叶轮：取下限值（合适扩张

20、角） （2）b2/D2过大时，空间扭曲叶片，可提高到0.12 （3）小流量情况：提高转速；增加级数降低圆周速度；较小流量系数,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,七、通流部分主要元件的选择,1 叶轮型式：决定于流量、压比、级效率和稳定工况范围 叶片出口角为重要参数：径向叶轮可获得高而平坦的能量头系数曲线，效率低 强后弯式叶轮有较宽工况范围和较高效率，但能量头系数低,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,单级压比对比：,通流能力,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,径向直叶片叶轮，,值较大，故相同转速下体积流量大,径向直叶片叶轮，在相同转速和流量下，b2/D2较小，适用于高压比，大流量级 或

21、压缩机前几级,强后弯型叶轮，可选较小流量系数，b2/D2较大，适用于小流量级或最后几级 当b2/D20.02，漏气损失和轮阻损失以及通流部分摩擦损失增加,大流量采用双面进气叶轮 （1）增大流量 （2）平衡轴向力 缺点： （1）中盘叶片铆接工艺困难 （2）引入下一级需增加排气室和进气室，结构复杂,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,2 扩压器 叶片扩压器效率高，稳定工况范围窄 无叶扩压器效率较低（25），稳定工况范围宽，较大气流角才可获得较高效率,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,径向出口叶轮反作用度低流量系数取下限值以减小马赫数气流角较小 无叶扩压器流动路径长，摩擦损失大叶片扩压器,无叶

22、扩压器用于中等出口角的较宽叶轮（进气角大），不适于小流量级,设计中的问题 （1）离心压缩机压比较高，一般有中间冷却器。压缩气体比容减小体 积流量减小 A： D2,u2,b2A,f2r选取成逐段减小 B: 采用不同转速，前面段转速低，叶轮直径大；后段转速高，直径小 C：提高前面级的相对宽度，如双进气或三元叶轮 （2）段级间协调 为使后面段和级性能曲线平坦，工作范围宽，圆周速度和叶片出口角应 小以提高流量系数。 （3）为了制造上方便，同一段各级叶轮选用相同叶片出口角和叶轮外径,5-3 压缩机中各段各级主要参数选择,一 、叶轮,54 级通流部分基本尺寸确定,1 叶轮进口直径D0（叶片进口处相对速度最

23、小原则）,（1）后弯式,（2）径向直叶片式,轴向进气,一般进气室,2 叶轮进口处直径 d,与主轴的轴径dz有关，为了防止共振，转速n应避开轴的临界转速,54 级通流部分基本尺寸确定,刚性轴,柔性轴,一般,（1）主轴平均直径（轴的三段最大直径平均值）：,54 级通流部分基本尺寸确定,（2）压缩机最大轴径,压缩机级数多，轴端密封长，取上限,轮毂比d/D2增加时，级效率和能量头系数均下降，尽量取小轮毂比,（3）各级叶轮进口处直径,3 叶片进口安装角,54 级通流部分基本尺寸确定,考虑冲角：,闭式和半开式径向直叶片叶轮,在导风轮顶部马赫数较高时，宜取上限值,54 级通流部分基本尺寸确定,4 叶轮进口马赫数（直径D1处）,径向直叶片式叶轮,半开式叶轮,一般后弯、强后弯、径向出口式叶轮,54 级通流部分基本尺寸确定,马赫数与流量和转速的关系,径向直叶片,后弯、强