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1、泵与泵与压缩机压缩机 主讲主讲:冯冯 进进长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院 2 2 离心压缩机离心压缩机 离离心心式式压压缩缩机机是是属属于于速速度度式式透透平平压压缩缩机机的的一一种种。在在早早期期，离离心心压压缩缩机机只只适适用用于于低低、中中压压力力和和大大气气量量的的场场合合。近近十十几几年年来来，在在离离心心压压缩缩机机在在设设计计、制制造造方方面面，不不断断采采用用新新技技术术、新新结结构构和和新新工工艺艺，使使其其工工作作性性能能和和可可靠靠性性不不断断提提高高，离离心心压压缩缩机机被被用用来来压压缩缩和和输输送送各各种种石石油油化化工工生生产产过过程程中中的的气气体体，
2、应应用用范范围围有有了了很很大大提提高高，在在石油天然气输送中也越来越多的被采用。石油天然气输送中也越来越多的被采用。2.1 2.1 离心压缩机的主要部件及基离心压缩机的主要部件及基本工作原理本工作原理一、离心式压缩机的主要部件一、离心式压缩机的主要部件 离心式压缩机的零件，可以归结为两类，离心式压缩机的零件，可以归结为两类，即转动件和不转动件。通常将转动的零件称为即转动件和不转动件。通常将转动的零件称为转子，不转动的零件称为定子。转子，不转动的零件称为定子。1.1.转子部件转子部件 离心式压缩机中属于转子部件的零件有：离心式压缩机中属于转子部件的零件有：主轴、叶轮、平衡盘、推力盘、联轴器等，
3、各主轴、叶轮、平衡盘、推力盘、联轴器等，各零件通过热装法与轴联成整体。零件通过热装法与轴联成整体。(1)(1)叶轮叶轮 叶叶轮轮是是离离心心压压缩缩机机中中唯唯一一的的作作功功部部件件。由由于于叶叶轮轮对对气气体体作作功功，增增加加了了气气体体的的能能量量，因因此此气体流出叶轮时的压力和速度都有明显增加。气体流出叶轮时的压力和速度都有明显增加。(2)(2)主轴主轴 主轴的作用是支撑旋转零件和传递扭矩。主轴的作用是支撑旋转零件和传递扭矩。(3)(3)平衡盘平衡盘 平衡大部分或全部轴向力。平衡大部分或全部轴向力。(4)(4)推力盘推力盘 经经平平衡衡盘盘平平衡衡后后的的剩剩余余轴轴向向力力，通通过
4、过推推力力盘盘传传递递止止推推轴轴承承，实实现现轴轴向向力力的的完完全全平平衡衡。(5)(5)联轴器联轴器 通过联轴器，将原动机的动力传给压缩机。通过联轴器，将原动机的动力传给压缩机。2.2.定子部件定子部件 离离心心压压缩缩机机的的定定子子部部件件有有：机机壳壳、扩扩压压器器、弯道、回流器、吸气室、蜗壳、密封、轴承等。弯道、回流器、吸气室、蜗壳、密封、轴承等。(1)(1)扩压器扩压器 扩扩压压器器的的流流通通截截面面逐逐渐渐扩扩大大，将将速速度度能能有有效效的的转转变变为为压压力力能能，是是离离心心压压缩缩机机中中的的转转能能装装置。置。(2)(2)弯道弯道 弯弯道道是是设设置置于于扩扩压压
5、器器后后的的气气流流通通道道，其其作作用用是是将将扩扩压压后后的的气气体体由由离离心心方方向向改改变变为为向向心心方方向，以便引入下一级叶轮去继续进行压缩。向，以便引入下一级叶轮去继续进行压缩。(3)(3)回流器回流器 回回流流器器的的作作用用是是使使气气流流以以一一定定方方向向均均匀匀地地进进入入下下一一级级叶叶轮轮入入口口。在在回回流流器器中中一一般般都都装装有有隔板和导向叶片。隔板和导向叶片。(4)(4)吸气室吸气室 吸吸气气室室其其作作用用是是将将进进气气管管(或或中中间间冷冷却却器器出出口口)中的气体均匀地导入叶轮。中的气体均匀地导入叶轮。(5)(5)蜗壳蜗壳 蜗蜗壳壳其其主主要要作
6、作用用是是将将从从扩扩压压器器(或或直直接接从从叶叶轮轮)出来的气体收集起来，并引出机器。出来的气体收集起来，并引出机器。二、基本工作过程二、基本工作过程 气气体体由由吸吸气气室室吸吸入入，通通过过叶叶轮轮对对气气体体作作功功后后，使使气气体体的的压压力力、速速度度、温温度度都都得得到到提提高高，然然后后再再进进入入扩扩压压器器，将将气气体体的的速速度度能能转转变变为为压压力力能能。当当通通过过一一个个叶叶轮轮对对气气体体作作功功、扩扩压压后后不不能能满满足足输输送送要要求求时时，就就必必须须把把气气体体引引入入下下一一级级继继续续进进行行压压缩缩。为为此此，在在扩扩压压器器后后设设置置了了弯
7、弯道道、回回流流器器，使使气气体体由由离离心心方方向向变变为为向向心心方方向向、均均匀匀地地进进入入下下一一级级叶叶轮进口，继续获得能量。轮进口，继续获得能量。气气体体流流过过了了一一个个“级级”，再再继继续续进进入入第第二二、第第三三级级压压缩缩后后，经经蜗蜗壳壳及及排排出出管管被被引引出出至至中中间间冷冷却却器器。冷冷却却后后的的气气体体再再经经吸吸气气室室进进入入第第四四级级及及以后各级继续压缩，最后由排出管输出。以后各级继续压缩，最后由排出管输出。由由于于气气体体在在压压缩缩过过程程中中温温度度不不断断升升高高，在在高高温温下下压压缩缩气气体体，使使消消耗耗的的动动力力增增加加。为为了
8、了降降低低动动力力消消耗耗，需需要要在在气气体体温温度度达达到到某某一一值值后后，对对气气体体进进行行冷冷却却。因因此此，在在压压缩缩过过程程中中采采用用了了中间冷却器。中间冷却器。三、离心压缩机的特点三、离心压缩机的特点 与与其其它它型型式式的的压压缩缩机机相相比比，离离心心压压缩缩机机有有以以下特点：下特点：(1)(1)排量大排量大 如如某某油油田田输输气气离离心心压压缩缩机机的的排排气气量量为为510m510m3 3minmin，年年产产3030万万吨吨合合成成氨氨厂厂中中合合成成气气压压缩缩机机的的排排气气量量达达200020003000m3000m3 3h h。目目前前在在产产量量大
9、大于于600600吨吨日日的的合合成成氨氨厂厂中中主主要要的的工工艺艺用用压压缩缩机机几乎都采用了离心压缩机。几乎都采用了离心压缩机。(2)(2)结构紧凑结构紧凑 占占地地面面积积及及重重量量都都比比同同一一气气量量的的活活塞塞式式压压缩机小得多。缩机小得多。(3)(3)运转可靠运转可靠 机机组组连连续续运运转转时时间间在在一一年年以以上上，运运转转平平稳稳，操操作作可可靠靠，因因此此它它的的运运转转率率高高，而而且且易易损损件件少少，维修方便。维修方便。(4)(4)输送的气体不与机器润滑系统的油接触。输送的气体不与机器润滑系统的油接触。(5)(5)转速较高转速较高 适宜用工业汽轮机或燃气轮机
10、直接驱动，适宜用工业汽轮机或燃气轮机直接驱动，可充分利用大型石油化工厂的热能，节约能源。可充分利用大型石油化工厂的热能，节约能源。(6)(6)还还不不适适用用于于气气量量太太小小及及压压力力比比过过高高的的场场合。合。(7)(7)一般比活塞式压缩机的效率低。一般比活塞式压缩机的效率低。(8)(8)离心压缩机的稳定工况区较窄。离心压缩机的稳定工况区较窄。2.2 2.2 气体在级中流动的概念及基气体在级中流动的概念及基本方程本方程 气体在离心压缩机级中气体的流动实际气体在离心压缩机级中气体的流动实际上是属于三元非定常流动，而且气体又有粘性上是属于三元非定常流动，而且气体又有粘性和可压缩性，因此气体
11、在级中的流动是很复杂和可压缩性，因此气体在级中的流动是很复杂的。所以，在工程上往往作一些假设，将复杂的。所以，在工程上往往作一些假设，将复杂的三元非定常流动简化为一元定常流动进行分的三元非定常流动简化为一元定常流动进行分析，认为流道中同一截面上各点的气流参数是析，认为流道中同一截面上各点的气流参数是相同的，而且在保持稳定工作条件下，气流参相同的，而且在保持稳定工作条件下，气流参数不随时间而变。数不随时间而变。一、欧拉方程式一、欧拉方程式 离心泵的欧拉方程式对离心压缩机也完全离心泵的欧拉方程式对离心压缩机也完全适用。离心压缩机理论能头欧拉方程式为：适用。离心压缩机理论能头欧拉方程式为：由叶轮叶片
12、进、出口速度三角形，按余弦定理由叶轮叶片进、出口速度三角形，按余弦定理有：有：因此因此 将它们代入基本能量方程得：将它们代入基本能量方程得：在设计离心压缩机时，气体沿径向进入叶在设计离心压缩机时，气体沿径向进入叶轮叶道，则轮叶道，则1 190900 0，c c1u1u=0=0。这时这时 其中：根根据据连连续续性性方方程程式式，在在定定常常流流动动时时，通通过过任任意意截截面面i i的的气气体体质质量量流流量量是是一一定定的的，它它与与进进口截面口截面s s的气体质量流量的关系为的气体质量流量的关系为:它和体积流量的关系为它和体积流量的关系为:叶轮出口处气流的径向分速度叶轮出口处气流的径向分速度
13、c c2r2r为：为：定义定义 ，称为流量系数，可写为：称为流量系数，可写为：叶片阻塞系数叶片阻塞系数可用下式计算：可用下式计算：式中式中z z为为z z叶片数，叶片数，为叶片厚度为为叶片厚度为，为折为折边宽度。边宽度。二、级的总功耗和功率二、级的总功耗和功率 叶叶轮轮工工作作时时所所消消耗耗的的功功用用于于两两方方面面，一一方方面面是是叶叶轮轮通通过过叶叶片片对对叶叶道道内内的的气气体体作作功功，称称为为叶叶片片功功L LT T，它它就就是是气气体体获获得得的的理理论论能能头头H HT T；另另一一方方面面是是叶叶轮轮本本身身在在旋旋转转时时存存在在轮轮阻阻损损失失和和内内漏漏损损失失所所消
14、消耗耗的的功功(轮轮阻阻损损失失功功L Ldfdf,内内漏漏损损失失功功L Ll l)。这这样样，叶叶轮轮对对单单位位质质量量有有效效气气体体作作的的总总功功L Ltottot 为为:同样，气体从叶轮中得到相应的总能头同样，气体从叶轮中得到相应的总能头H Htottot为为:可可以以看看出出,气气体体在在级级中中获获得得的的总总能能头头H HTO1TO1 是是以以两两种种方方式式得得到到的的，一一种种是是叶叶片片直直接接对对气气体体作作功功，以以机机械械能能形形式式传传给给气气体体的的理理论论能能头头H HT T；另另一一种种是是由由于于轮轮阻阻及及内内漏漏损损失失消消耗耗的的功功，以以热热能
15、能形形式式传传给给气气体体，使使气气体体获获得得能能头头H Hdfdf+H+H1 1，它它不不包包括括在在理理论论能能头头H HT T中中。在在不不考考虑虑气气体体对对外外热热损损失的条件下，根据能量守恒定律，则有：失的条件下，根据能量守恒定律，则有：通过叶轮的有效质量流量通过叶轮的有效质量流量为为 (kg(kgs)s)，叶片叶片对它作功消耗的理论功率对它作功消耗的理论功率N NT T为为:由于轮盖处的内漏，故经过叶道的实际质量流由于轮盖处的内漏，故经过叶道的实际质量流量为量为 ，等于有效流质量流量，等于有效流质量流量 和内漏气和内漏气质量流量质量流量 之和，即：之和，即：轮阻损失消耗的功率为
16、轮阻损失消耗的功率为N Ndfdf，内漏气损失消耗的内漏气损失消耗的功率为功率为N Nl l。因此，在考虑了轮阻损失及内漏气。因此，在考虑了轮阻损失及内漏气损失后，叶轮的总功率消耗损失后，叶轮的总功率消耗N Ntottot为：为：令：令：因此：因此：一一般般l l+dfdf0.020.020.130.13。其其值值对对高高压压小小流流量量的级取较大值，对低压大流量的级取较小值。的级取较大值，对低压大流量的级取较小值。同同理理，叶叶轮轮对对单单位位质质量量有有效效气气体体的的总总能能头头，也也可可表示为：表示为：例例：已已 知知 某某 离离 心心 式式 压压 缩缩 机机 的的 漏漏 气气 损损
17、失失 系系 数数 、轮轮阻阻损损失失系系数数 、有有效效质质量量流流量量 、叶叶轮轮对对每每公公斤斤气气体体作作功功 。求求N Ntottot、N Ndfdf、N Nl l、N NT T、H Htottot。三、热焓方程式三、热焓方程式 当气体在离心式压缩机中作稳定流动时，当气体在离心式压缩机中作稳定流动时，取级中任意两截面取级中任意两截面a、b，气体由气体由a截面流进系截面流进系统，由统，由b截面流出系统。截面流出系统。a、b截面上气体的状截面上气体的状态参数和速度分别为：态参数和速度分别为：根根据据热热力力学学稳稳定定流流动动能能量量方方程程，对对a、b两两截截面面间的单位间的单位质量质量
18、气体有下列方程式：气体有下列方程式：或或 式中式中A为单位重量气体的热功当量，为单位重量气体的热功当量，A为：为：对离心压缩机来说，对离心压缩机来说，a a、b b两截面的位置高差两截面的位置高差(z zb bz za a)相对很小，可以忽略不计，故式可写相对很小，可以忽略不计，故式可写成成:根据热力学第一定律，气体热量的增量等于气根据热力学第一定律，气体热量的增量等于气体的内能增量和压缩功增量之和。对封闭热力体的内能增量和压缩功增量之和。对封闭热力系统时，单位质量气体可写出：系统时，单位质量气体可写出：当比容不变时，有：当比容不变时，有：又因：又因：则：则：当等压时，有：当等压时，有：故：故
19、：对理想气体：对理想气体：故：故：令：令：故：故：该该式式称称为为稳稳定定流流动动能能量量方方程程式式或或热热焓焓方方程程式式。它它将将能能头头、传传热热量量与与气气流流的的温温度度和和速速度度等等参参数数联系起来。联系起来。在在离离心心式式压压缩缩机机中中，由由于于气气体体流流量量大大，单单位位质质量量气气体体与与外外界界的的热热交交换换与与气气体体压压缩缩时时焓焓的的变变化化比比较较起起来来小小得得多多。因因此此，通通常常将将与与外外界界的的热热交交换换忽忽略略不不计计，即即认认为为q qababo o。这这样样热热焓焓方方程程式式变为：变为：上上式式是是离离心心式式压压缩缩机机级级中中气
20、气动动计计算算的的重重要要公公式式，通过它可求截面温度、速度的变化规律。通过它可求截面温度、速度的变化规律。当当a、b截截面面分分别别为为级级的的进进、出出口口截截面面时时，公公式式中的中的HabHtot，一个级的热焓方程式可写为：，一个级的热焓方程式可写为：同同理理，若若a、b截截面面分分别别为为气气流流流流过过静静止止通通道道的的进进、出出口口截截面面时时，静静止止通通道道内内没没有有外外功功加加入入，即即Hab 0，则热焓方程为：则热焓方程为：四、伯努利方程式四、伯努利方程式 根据热力学第一定律，气体热量的增量等根据热力学第一定律，气体热量的增量等于气体的内能增量和压缩功增量之和。对封闭
21、于气体的内能增量和压缩功增量之和。对封闭热力系统时，单位质量气体可写出：热力系统时，单位质量气体可写出：当比容不变时，有：当比容不变时，有：又因：又因：则：则：当等压时，有：当等压时，有：故：故：上式表示单位质量气体从上式表示单位质量气体从a截面施至截面施至b截面所得到截面所得到的热量。它应该包括外界传给气体的热量的热量。它应该包括外界传给气体的热量qab以及以及气体由气体由a流至流至b截面时所有的能量损失截面时所有的能量损失(hlos)ab转化转化的热量。的热量。故，将上式代入热焓方程式，得：故，将上式代入热焓方程式，得：上式就是伯努利方程，是以机械能形式表示上式就是伯努利方程，是以机械能形
22、式表示的能量平衡方程。当的能量平衡方程。当 a截面和截面和b截面分别为截面分别为级进口和级出口时，上式可表示为：级进口和级出口时，上式可表示为：因热焓方程式：因热焓方程式：气体从级进口到级出口全部能量损失包括：气体从级进口到级出口全部能量损失包括：轮阻损失轮阻损失h hdfdf，内漏气损失内漏气损失h hl l，以及气体在流道以及气体在流道中流动所引起的摩擦、冲击、旋涡等水力损失中流动所引起的摩擦、冲击、旋涡等水力损失h hhydhyd，即：即：因：因：所以：所以：当当 a截面和截面和b截面分别表示静止元件（如扩压器）截面分别表示静止元件（如扩压器）的气流的气流进口和出口时，由于没有能量输入，
23、上进口和出口时，由于没有能量输入，上式可表示为：式可表示为：此式说明此式说明静止元件静止元件中气体速度头减小的结果，中气体速度头减小的结果，并没有全部转化为气体的静压头，而有一部分并没有全部转化为气体的静压头，而有一部分用于克服用于克服静止元件静止元件中气流流动的能量损失。中气流流动的能量损失。五、气体压缩功五、气体压缩功 在伯努利方程式中，静压头在伯努利方程式中，静压头p p的大小与气体的大小与气体压缩过程有关。由热力学可知，气体压缩过程压缩过程有关。由热力学可知，气体压缩过程分等温、绝热、多变三种压缩过程。被压缩的分等温、绝热、多变三种压缩过程。被压缩的气体静压头的提高也就是压缩机对气体所
24、作的气体静压头的提高也就是压缩机对气体所作的压缩功，通常称为压缩能头。压缩功，通常称为压缩能头。1 1等温压缩功等温压缩功 对理想气体，等温压缩过程的状态方程有：对理想气体，等温压缩过程的状态方程有：因此，等温压缩过程的压缩功为：因此，等温压缩过程的压缩功为：等温过程的压缩功等温过程的压缩功 2.2.绝热压缩功绝热压缩功 绝热压缩过程中气体与外界无热量交换，绝热压缩过程中气体与外界无热量交换，这是一个理想过程。绝热压缩过程气体的状态这是一个理想过程。绝热压缩过程气体的状态变化方程式为：变化方程式为：在绝热压缩过程的压缩功为在绝热压缩过程的压缩功为：因为：因为：所以所以绝热过程的压缩功绝热过程的
25、压缩功 3.3.多变压缩功多变压缩功 多变压缩过程中存在能量损失，气体与外多变压缩过程中存在能量损失，气体与外界存在有热交换或无热交换。多变过程的气体界存在有热交换或无热交换。多变过程的气体状态变化方获式与绝热过程的相似，即：状态变化方获式与绝热过程的相似，即：因此，在多变压缩过程的压缩功为：因此，在多变压缩过程的压缩功为：多变压缩过程的压缩功多变压缩过程的压缩功 六、级效率六、级效率 衡衡量量外外功功用用来来使使气气体体压压力力升升高高并并克克服服损损失失的能头，称为可用能，即的能头，称为可用能，即 在在可可用用能能头头中中，真真正正用用于于压压缩缩气气体体的的能能头头所所占占可用能头的比例
26、称为级效率。即可用能头的比例称为级效率。即 1.1.多变级效率多变级效率 在在离离心心压压缩缩机机中中，气气体体在在级级中中的的实实际际压压缩缩过过程程一一般般可可用用多多变变过过程程来来表表示示。多多变变压压缩缩过过程程的多变级级效率为：的多变级级效率为：一般压压缩机的多变级效率一般压压缩机的多变级效率 。气气体体在在级级中中流流动动时时，不不仅仅没没有有对对外外传传热热(q(q0)0)，反反而而将将所所有有损损失失消消耗耗的的能能头头hios又又以以热热量量的的形形式式传传给给了了气气体体。因因此此，在在离离心心压压缩缩机机中中气气体体压压缩缩过过程程的的多多变变压压缩缩指指数数m m大大
27、于于绝绝热热压压缩缩过过程程指数指数k k。故级的多变效率总是小于故级的多变效率总是小于l l。2 2绝热效率绝热效率 绝热效率是指级中气体由压力绝热效率是指级中气体由压力p ps s经绝热压缩经绝热压缩升至升至p pd d时的压缩功与可用能头之比，即时的压缩功与可用能头之比，即:绝热过程与外界无热交换且无损失的理想绝热过程与外界无热交换且无损失的理想过程。因此它的压缩终温小于多变过程压缩终过程。因此它的压缩终温小于多变过程压缩终温温。而多变过程的压缩功大于绝热过程的压缩而多变过程的压缩功大于绝热过程的压缩功。在同一级中，功。在同一级中，总大于总大于 ，两者差值愈两者差值愈小，表示级中能量损失
28、愈小，所以经常以此来小，表示级中能量损失愈小，所以经常以此来评价级中的损失。评价级中的损失。3 3等温效率等温效率 等温效率是指级中气体由等温效率是指级中气体由p ps s等温压缩至等温压缩至p pd d时时的等温压缩功与级中可用能头之比，即：的等温压缩功与级中可用能头之比，即：在有冷却的压缩机中，常采用等温效率来衡量在有冷却的压缩机中，常采用等温效率来衡量机器冷却的好坏。若实际多变过程愈接近等温机器冷却的好坏。若实际多变过程愈接近等温过程，则等温效率就越高。过程，则等温效率就越高。4 4流动效率流动效率 流动效率是级的多变压缩功与叶轮对气体流动效率是级的多变压缩功与叶轮对气体作功所获得的理论
29、能头之比，即：作功所获得的理论能头之比，即：流动效率反映了气体在级的各元件中流动时流流动效率反映了气体在级的各元件中流动时流动阻力损失的大小。动阻力损失的大小。为为多多变变能能头头系系数数。在在圆圆周周速速度度u u2 2相相同同的的条条件件下下，可可以以用用多多变变能能头头系系数数 来来表表示示压压缩缩机机级级多多变变压压缩缩功功的的大大小小，一一般般 。由由此此可可以以估估算算级级的的多多变变能能头头，已已知知总总压压力力比比时时，便便能确定压缩机需要的级数。能确定压缩机需要的级数。七、级中气体状态参数的变化七、级中气体状态参数的变化 1 1级中气体温度的变化级中气体温度的变化 流动的气体
30、，它所具有的总能量为：流动的气体，它所具有的总能量为：气体的总能量决定于气体的状态参数温度与速气体的总能量决定于气体的状态参数温度与速度度。当气流对外界无热交换当气流对外界无热交换(但可以有损失但可以有损失)，其速，其速度被滞止到零时，此气流的温度叫滞止温度度被滞止到零时，此气流的温度叫滞止温度(又称总温又称总温)，以，以T Tstst表示，它也是气体的一个状表示，它也是气体的一个状态参数。根据能量守恒原理，有：态参数。根据能量守恒原理，有：于是，热焓方程式可写成：于是，热焓方程式可写成：上上式式表表明明，气气体体滞滞止止温温度度或或滞滞止止焓焓增增加加，就就说说明明外外界界必必然然有有能能量
31、量加加给给气气体体。气气体体在在叶叶轮轮叶叶道道中中流流动动时时，叶叶轮轮对对气气体体作作功功，因因此此它它的的滞止温度是增加的。任意截面滞止温度是增加的。任意截面i的温度满足的温度满足:但是，在绝能流动中，气体与外界无能量交但是，在绝能流动中，气体与外界无能量交换，即气体总能量不变。也就是说，在绝能换，即气体总能量不变。也就是说，在绝能流动中，气体的滞止温度或滞止焓是常数。流动中，气体的滞止温度或滞止焓是常数。因此，在气流流出叶轮后，有：因此，在气流流出叶轮后，有：在气流流进叶轮前，有：在气流流进叶轮前，有：2 2级中气流压力和比容的变化级中气流压力和比容的变化 当气体流经压缩机级的不同元件
32、时，由于流当气体流经压缩机级的不同元件时，由于流动状态各不相同，在这些元件中气体多变过程动状态各不相同，在这些元件中气体多变过程的多变指数是不相同的。即使同一元件中，过的多变指数是不相同的。即使同一元件中，过程的多变指数也是变化的。但目前通常在计算程的多变指数也是变化的。但目前通常在计算级的各截面上气体的压力和比容时，一般把整级的各截面上气体的压力和比容时，一般把整个级中的气体状态参数的变化，看作是按照同个级中的气体状态参数的变化，看作是按照同一个多变过程，即用同一个平均多变指数一个多变过程，即用同一个平均多变指数m m来来进行计算。进行计算。设设 2.3 2.3 级中能量损失级中能量损失 级
33、中叶轮对气体所做的总功，不可能全布级中叶轮对气体所做的总功，不可能全布变为有用的能量，而有一部分损耗掉。压缩机变为有用的能量，而有一部分损耗掉。压缩机级中损耗的能量包括流动损失、轮阻损失和内级中损耗的能量包括流动损失、轮阻损失和内漏气损失。这里重点探讨流动损失和波阻损失。漏气损失。这里重点探讨流动损失和波阻损失。流动损失大致分为摩擦损失、分离损失、二次流动损失大致分为摩擦损失、分离损失、二次流损失、尾迹损失。波阻损失主要是由于气流流损失、尾迹损失。波阻损失主要是由于气流速度超过音速后产生激波所引起。速度超过音速后产生激波所引起。一、流动损失一、流动损失 1.1.摩擦损失摩擦损失 当当气气体体经
34、经过过压压缩缩机机级级的的通通流流部部分分时时，由由于于粘粘性性的的存存在在，在在壁壁面面附附近近的的地地方方，流流速速最最小小；在在中中间间部部分分的的主主流流中中，流流速速最最大大。这这样样由由于于层层与与层层之之间间的的速速度度不不同同，产产生生摩摩擦擦，流流动动的的气气流流与与流流道道壁壁面面也也发发生生摩摩擦擦，这这种种摩摩擦擦使使气气流流的的一一部分能量转变为热能。部分能量转变为热能。2.2.分离损失分离损失 在边界层中，沿其厚度在边界层中，沿其厚度方向流体速度急方向流体速度急剧变化，严重地影响着流动中的能量损失。此剧变化，严重地影响着流动中的能量损失。此外，在流道中还常常会发生边
35、界层增厚，进而外，在流道中还常常会发生边界层增厚，进而边界层与流通壁面脱离，甚至在接近壁面的边边界层与流通壁面脱离，甚至在接近壁面的边界层气流中产生反向流动的旋涡，引起很大的界层气流中产生反向流动的旋涡，引起很大的能量损失。这种现象称为边界层分离，由其产能量损失。这种现象称为边界层分离，由其产生的能量损失称为分离损失。生的能量损失称为分离损失。在离心压缩机中，有很多减速扩压的流道，在离心压缩机中，有很多减速扩压的流道，就可能出现边界层分离。产生旋涡，引起很大就可能出现边界层分离。产生旋涡，引起很大的能量损失（分离损失）。同时因边界层增厚的能量损失（分离损失）。同时因边界层增厚及分离，使主气流的
36、实际通流截面减小，达不及分离，使主气流的实际通流截面减小，达不到原设计的扩压目的，恶化了级中气体的流动。到原设计的扩压目的，恶化了级中气体的流动。实践证明，流道形状对边界层分离影响最实践证明，流道形状对边界层分离影响最大，如流道扩压程度很大，截面突然变化；急大，如流道扩压程度很大，截面突然变化；急剧弯曲等。剧弯曲等。一般要求当量扩张角小于一般要求当量扩张角小于6070叶轮流道中边界层分离大多发生在非工作面，叶轮流道中边界层分离大多发生在非工作面，特别是接近叶轮出口处。特别是接近叶轮出口处。粘性流体在沿主流方向流动时，在压力下粘性流体在沿主流方向流动时，在压力下降区降区(加速降压加速降压)内流动
37、时，不会出现边界层分内流动时，不会出现边界层分离。在压力升高区（减速扩压）内流动才有可离。在压力升高区（减速扩压）内流动才有可能出现分离，形成旋涡。能出现分离，形成旋涡。3.3.二次涡流损失二次涡流损失 与主气流方向相垂直的流动，称之为二次与主气流方向相垂直的流动，称之为二次涡流。它干扰了主气流的流动，并造成能量损涡流。它干扰了主气流的流动，并造成能量损失。由于二次涡流的存在，工作面侧因补充了失。由于二次涡流的存在，工作面侧因补充了新的具有较大动能的气流，而使其边界层减薄，新的具有较大动能的气流，而使其边界层减薄，而非工作面侧则相反，边界层增厚更加速了边而非工作面侧则相反，边界层增厚更加速了边
38、界层分离。界层分离。4.4.尾迹损失尾迹损失 尾尾迹迹的的产产生生是是由由于于叶叶片片有有一一定定的的厚厚度度，当当气气流流从从叶叶片片流流道道中中流流出出叶叶轮轮时时，通通流流截截面面突突然然扩扩大大，而而在在叶叶片片尾尾部部形形成成了了充充满满旋旋涡涡的的气气流流，称称为为尾尾迹迹，由由此此而而产产生生的的能能量量损损失失称称为为尾尾迹迹损损失失。尾尾迹迹损损失失与与叶叶道道出出口口处处气气速速、叶叶片片尾尾部部厚厚度及边界层流态有关。度及边界层流态有关。采用翼形叶片代替等厚度叶片，可大大减采用翼形叶片代替等厚度叶片，可大大减小尾迹损失。若用等厚度叶片时，削薄叶轮出小尾迹损失。若用等厚度叶
39、片时，削薄叶轮出口处叶片厚度，也是减小尾迹损失的一个有效口处叶片厚度，也是减小尾迹损失的一个有效方法。某实验证明，削薄后级多变效率小，可方法。某实验证明，削薄后级多变效率小，可提高提高2 2。二、马赫数二、马赫数M M对能量损失的影响对能量损失的影响 1.1.马赫数马赫数M M 流场中任一点处的气流速度与该点气温下的流场中任一点处的气流速度与该点气温下的音速音速a a之比，称为该点气流的马赫数之比，称为该点气流的马赫数M M，即即 在一般情况下，由于音波在气体中推进时在一般情况下，由于音波在气体中推进时气体状态的变化非常微小，故可以认为气体的气体状态的变化非常微小，故可以认为气体的熵是个定值，
40、因而可将音波的传播过程视为等熵是个定值，因而可将音波的传播过程视为等熵绝热过程。音速由下式计算熵绝热过程。音速由下式计算:在绝能的过程中，气体的总能不变。根据伯努在绝能的过程中，气体的总能不变。根据伯努方程，有：方程，有：因此因此 当当M0.3时，就必须考虑密度时，就必须考虑密度的变化，即必须考虑气流的可压缩性了，否则的变化，即必须考虑气流的可压缩性了，否则会造成很大的误差。也就是说，气体的可压缩会造成很大的误差。也就是说，气体的可压缩性只有在高速时才明显地显示出来。性只有在高速时才明显地显示出来。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有根本差别，即在亚亚音速和超音速气流有根本
41、差别，即在亚音速音速(M(M1)1)中，扰动的效应虽然随距离的增加中，扰动的效应虽然随距离的增加而减弱，但它能到达物体周围空间的任意点。而减弱，但它能到达物体周围空间的任意点。而在超音速而在超音速(M(M1)1)气流中，扰动的效应只能在气流中，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。马赫锥内起作用，锥前的气流是不受影响的。当超音速气流当超音速气流扰扰物体流动时，强扰动的波物体流动时，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，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。气流通过即在流场中往往出现突跃的压缩波。气流通过这种压缩波时，压力、温度
42、、密度都突跃地升这种压缩波时，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。高，速度则突跃地下降，气流受到突然的压缩。这种突跃压缩波叫激波。超音速气流被压缩时，这种突跃压缩波叫激波。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一般都会产生激波。所以激波是超音速气流中的重要现象。的重要现象。因为气流通过激波时，有不连续的压力、因为气流通过激波时，有不连续的压力、密度、温度及速度的突跃，因此从热力学观点密度、温度及速度的突跃，因此从热力学观点分析，这是一个不可逆过程，有很大的能量损分析，这是一个不可逆过程，有很大的能量损失。同时由于激波波面压力的突增，大大加速
43、失。同时由于激波波面压力的突增，大大加速了边界层分离，引起更大的能量损失。由激波了边界层分离，引起更大的能量损失。由激波引起的这些能量损失的总和称为波阻损失。引起的这些能量损失的总和称为波阻损失。3 3马赫数对离心压缩机级中能量损失的影响马赫数对离心压缩机级中能量损失的影响 在离心压缩机的叶道中，靠近进口附近气在离心压缩机的叶道中，靠近进口附近气流速度较大，容易出现局部流速达到音速，并流速度较大，容易出现局部流速达到音速，并会产生激波，引起较大的波阻能量损失。因此，会产生激波，引起较大的波阻能量损失。因此，对离心压缩机，根据经验，在一般情况下，在对离心压缩机，根据经验，在一般情况下，在设计工况
44、点要求气流进入叶轮流道的马赫数小设计工况点要求气流进入叶轮流道的马赫数小于于0.750.750.850.85。2.4 2.4 级的性能曲线级的性能曲线 在一般情况下，压缩机级的工作状况是在一般情况下，压缩机级的工作状况是由进口流量由进口流量Q Qs s、进气压进气压力力p ps s、进、进气温度气温度T Ts s以及以及工作转速工作转速n n等四个参数决定的。压缩机级的性等四个参数决定的。压缩机级的性能是指进气状态一定和转速不变的条件下，级能是指进气状态一定和转速不变的条件下，级的压力比的压力比、多变效率多变效率、功率随该级进气量变化功率随该级进气量变化的关系曲线。的关系曲线。一、压力比与流量
45、间的关系曲线一、压力比与流量间的关系曲线 压力比是指叶轮出口压强与进口压强之比，压力比是指叶轮出口压强与进口压强之比，即：即：在多变过程中，已知压缩功为：在多变过程中，已知压缩功为：根据伯努方程，在忽略级进出口动能差时，得：根据伯努方程，在忽略级进出口动能差时，得：故：故：由于有效能头为：由于有效能头为：可见，有效能头与流量呈线性关系。可见，有效能头与流量呈线性关系。Hhyd包括包括沿程损失和冲击损失，它们与流量呈二次方关沿程损失和冲击损失，它们与流量呈二次方关系。所以，系。所以，压力比与流量的关系曲线为压力比与流量的关系曲线为抛物线，抛物线，一般用进口流量与一般用进口流量与压力比的关系反映压
46、力比与压力比的关系反映压力比与流量的关系，即流量的关系，即QQs s曲线。曲线。QQs s曲线的曲线的特特点是随进口流量增加，点是随进口流量增加，压力比减小压力比减小。二、二、效率曲线效率曲线QQs s 目前离心压缩机级的性能曲线，还不能用目前离心压缩机级的性能曲线，还不能用理论计算的方法准确地得到，只能在一定的转理论计算的方法准确地得到，只能在一定的转速、一定的介质下，对压缩机级逐点实际测试，速、一定的介质下，对压缩机级逐点实际测试，得出性能曲线。得出性能曲线。三、喘振工况三、喘振工况 离心式压缩机级的性能曲线不能达到离心式压缩机级的性能曲线不能达到Q Qs s=0=0的点。当流量减小到某一
47、值的点。当流量减小到某一值(称为最小流量称为最小流量Q Qminmin)时，离心压缩机就不能稳定工作，发生强时，离心压缩机就不能稳定工作，发生强烈振动及噪音，这种不稳定工况称为烈振动及噪音，这种不稳定工况称为“喘振工喘振工况况”，这一流量极限，这一流量极限Q Qminmin 称为称为“喘振流量喘振流量”。压缩机性能曲线的左端只能到压缩机性能曲线的左端只能到Q Qminmin ，流量不能流量不能再减小了。再减小了。四、堵塞工况四、堵塞工况 流量大，摩擦损失及冲击损失也大。当流流量大，摩擦损失及冲击损失也大。当流量达到某最大值量达到某最大值Q Qmaxmax时，气体获得的理论能头时，气体获得的理论
48、能头H HT T全部消耗在流动损失上，使级中气体压力得不全部消耗在流动损失上，使级中气体压力得不到提高到提高。同时，边界层的分离使叶道喉部实际同时，边界层的分离使叶道喉部实际过流面积减小，叶道喉部截面上的气速达到音过流面积减小，叶道喉部截面上的气速达到音速，这时称为堵塞工况，出现激波损失。所以速，这时称为堵塞工况，出现激波损失。所以压缩机级性能曲线右端只能到压缩机级性能曲线右端只能到Q Qmaxmax。五、稳定工况区五、稳定工况区 在性能曲线上，喘振工况与堵塞工况之间在性能曲线上，喘振工况与堵塞工况之间的区域称为稳定工况区。常用下式：的区域称为稳定工况区。常用下式：衡量一个级性能的好坏，不仅要
49、求在设计流量衡量一个级性能的好坏，不仅要求在设计流量下有最高的效率和较高的压力比，还要有较宽下有最高的效率和较高的压力比，还要有较宽的稳定工作范围。的稳定工作范围。2.5 2.5 多级离心压缩机的性能曲线多级离心压缩机的性能曲线一、级数对压缩机性能的影响一、级数对压缩机性能的影响 以两级串联为例进行分析压缩机的性能曲以两级串联为例进行分析压缩机的性能曲线。性能曲线的横坐标为各级吸气状态下的气线。性能曲线的横坐标为各级吸气状态下的气流流量流流量Qs，对于两级串联时，第对于两级串联时，第I级的进气量级的进气量为：为：第第级的进气量级的进气量为：为：由于两级串联，根据质量守恒方程，有：由于两级串联，
50、根据质量守恒方程，有：两级串联后的压力比为：两级串联后的压力比为：1.1.级串联级串联对最小工作流量的影响对最小工作流量的影响 经过第经过第级压缩后，气体的密度增大，体级压缩后，气体的密度增大，体积流量减小。若两级最小流量相同，那么当两积流量减小。若两级最小流量相同，那么当两级级串联后，第串联后，第级容易出现喘振。因此，为了级容易出现喘振。因此，为了防止第防止第级发生喘振，必须使第级发生喘振，必须使第级最小工作级最小工作流量增大，也就是说比单级时向右移了。流量增大，也就是说比单级时向右移了。2.2.级串联对最大工作流量的影响级串联对最大工作流量的影响 为了防止第为了防止第级发生喘振，使第级发生