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1、离心压缩机计算第1页，此课件共38页哦 气体在叶轮中流动很复杂，属三元非定常流。气体气体在叶轮中流动很复杂，属三元非定常流。气体自身速度、压力、比容、温度及相应参数是随时间变化自身速度、压力、比容、温度及相应参数是随时间变化的。的。为此作以下假设：为此作以下假设：假设条件假设条件：稳定流动。任意点气流参数不随时间变化。稳定流动。任意点气流参数不随时间变化。任一截面上气流参数取平均值。任一截面上气流参数取平均值。如：如：P,T,v,c 只讨论理想气体。只讨论理想气体。pv=RT第2页，此课件共38页哦 叶轮转速：叶轮转速：n 气体质点运动：气体质点运动：移动移动w+转动转动u=绝对速度绝对速度c
2、 即：第3页，此课件共38页哦（1）气体在叶轮中的速度气体在叶轮中的速度 圆周速度：圆周速度：u 方向与转向相同，与旋转圆相切方向与转向相同，与旋转圆相切 相对速度：相对速度：w 方向沿叶片切线方向。方向沿叶片切线方向。绝对速度：绝对速度：c u和和 w合成速度合成速度 速度三角形得：速度三角形得：（速度矢量和，速度矢量和，应用平行四边形原则）应用平行四边形原则）第4页，此课件共38页哦叶轮上的速度：进口速度三角形出口速度三角形第5页，此课件共38页哦 已知条件：已知条件：q1，q2叶轮进出口的容积流量。叶轮进出口的容积流量。A1，A2叶轮进出口的面积，叶轮进出口的面积，A=Db b:叶道宽度
3、；叶道宽度；：叶片阻塞系数。叶片阻塞系数。Cr绝对速度的径向分速度，沿叶轮半径方向。绝对速度的径向分速度，沿叶轮半径方向。Cr=q/A Cu绝对速度的周向分速度，沿圆周速度方向绝对速度的周向分速度，沿圆周速度方向。第6页，此课件共38页哦叶轮进、出口速度：第7页，此课件共38页哦 4.2.1 4.2.1 欧欧 拉拉 方方 程程 根据能量守恒和能量转化定律，单位质量气体所获得的能根据能量守恒和能量转化定律，单位质量气体所获得的能量量Hth应等于叶轮的功应等于叶轮的功L Lthth。J/kg此式即为欧拉方程式，Hth为流体的理论能量头。欧拉方程的物理意义：1、是叶轮机械理论计算、性能分析、结构设计
4、的依据，对所有叶轮式、非封闭、是叶轮机械理论计算、性能分析、结构设计的依据，对所有叶轮式、非封闭体系都使用，无论是原动机还是工作机。体系都使用，无论是原动机还是工作机。2、介质能量的增加、介质能量的增加 Hth,只与叶轮进、出口介质的速度只与叶轮进、出口介质的速度 u、w、c 有关，有关，与介质性质无关。与介质性质无关。3、描述叶轮与流体之间能量转换关系，遵循能量守恒定律。、描述叶轮与流体之间能量转换关系，遵循能量守恒定律。第8页，此课件共38页哦各项的物理意义：各项的物理意义：（单位重量气体）（单位重量气体）静压能增量静压能增量动能增量第9页，此课件共38页哦（2 2）理论能量头）理论能量头
5、 理论能量头计算：理论能量头计算：在理论流量下（额定流量），叶轮进口气体无在理论流量下（额定流量），叶轮进口气体无冲击、无旋转的进入叶道。冲击、无旋转的进入叶道。此时：此时：C1=C1r C1u=0 1=90 相对速度夹角：相对速度夹角：1=1A 出口：出口：2=2A 欧拉方程：欧拉方程：u1c1w1w1c1u11u2w2c2cu2cr22第10页，此课件共38页哦其中：其中：理论能量头（理论流量下的欧拉方程）：理论能量头（理论流量下的欧拉方程）：式中：结论：结论：叶轮结构一定、转速一定，则理论能量头即确定。因而，气体经过叶轮结构一定、转速一定，则理论能量头即确定。因而，气体经过叶轮后所得到的
6、能量就一定了。叶轮后所得到的能量就一定了。第11页，此课件共38页哦(四）有限叶片的理论能量头实际叶轮中叶片数为：实际叶轮中叶片数为：Z=1418，叶片厚度：叶片厚度：气流在叶道内，由于叶面上压差不同，摩擦和粘滞力作用，产气流在叶道内，由于叶面上压差不同，摩擦和粘滞力作用，产生环流现象，称为轴向涡流。生环流现象，称为轴向涡流。轴向涡流使出口速度产生变化，出现滑移速度：轴向涡流使出口速度产生变化，出现滑移速度：u；CU 。第12页，此课件共38页哦 实际气流周向分速度：实际气流周向分速度：C2U=C2 u-C2UC2w2C2uw2uC2C2uC2UC2u第13页，此课件共38页哦根据斯陀道拉理论
7、：根据斯陀道拉理论：实际叶轮理论能量头：实际叶轮理论能量头：（也称：斯陀道拉公式）（也称：斯陀道拉公式）能量头公式能量头公式第14页，此课件共38页哦 4.2.2 4.2.2 能量方程能量方程研究一个稳定流量系统，为开口体系，流量平稳，质量流量相等，任研究一个稳定流量系统，为开口体系，流量平稳，质量流量相等，任一点处物质状态参数不随时间变化。一点处物质状态参数不随时间变化。基本能量形式：基本能量形式：内能内能(u)，动能动能(),位能位能(gZ)，机械能机械能(Lth)，热能热能(q)，压能压能pv。体系中，总能量守恒，即全部吸收的能量等于全部排除的能量。体系中，总能量守恒，即全部吸收的能量等
8、于全部排除的能量。每一千克质量流量的能量方程为：每一千克质量流量的能量方程为：第15页，此课件共38页哦热力学知：气体内能热力学知：气体内能 u 与内压能与内压能pv 可用焓可用焓 h 来表述，来表述，即：即：能量方程：第16页，此课件共38页哦能量方程的物理意义：反映系统内能量守恒与转化的关系，外力功和热量使系反映系统内能量守恒与转化的关系，外力功和热量使系统内气体温度和动能增加。统内气体温度和动能增加。使用于各种流体。气体的粘度大小、分子量大小都适用。使用于各种流体。气体的粘度大小、分子量大小都适用。用于一个完整系统，无论内部几级，只考虑进出口参数。用于一个完整系统，无论内部几级，只考虑进
9、出口参数。能量方程是研究复杂系统和科学规律最简捷的方法能量方程是研究复杂系统和科学规律最简捷的方法。第17页，此课件共38页哦应用实例：（1）离心压缩机：离心压缩机：理想气体：理想气体：第18页，此课件共38页哦(2)蒸汽轮机（原动机）：换热器：冷凝器：锅炉：换热器、冷凝器所放出的热量q 与进出口温度差成正比。锅炉与之相反。第19页，此课件共38页哦4.2.3 4.2.3 伯努利方程式伯努利方程式能量方程：是系统热力参数表示的方程，公式内有：热 量、焓、温度、比热、压力、外力功。伯努利方程：是系统液力参数表示的方程，公式内有：压能（压力）、动能（速度）、位置（势能）、外力功。能量方程：第20页
10、，此课件共38页哦通用伯努利方程：式中：第21页，此课件共38页哦伯努利方程的物理意义：能量守恒与转换的又一表达形式，描述整个系统。机械功与压缩功、动能、势能和损失能之间的关系。用来计算整个系统，也可计算某一段。计算可压缩或不可压缩流体，如：气体或液体。伯努利方程的应用：流体为气体时流体为气体时：气体比容：叶轮上：叶轮上：第22页，此课件共38页哦 在一级中，存在气流三种损失：在一级中，存在气流三种损失：流动损失：泄漏损失：轮阻损失：级中总损失：级内总功（总能量头），即叶轮总输入功：HtotHpol第23页，此课件共38页哦级实际输出有效功（净压缩功）：一级的出口实际输出的压缩功，为多变压缩功
11、（或叫有效能量头）Hpol第24页，此课件共38页哦 流体为液体流体为液体：液体的体积为不可压缩，即比容液体的体积为不可压缩，即比容v=0，密度密度=常数。常数。伯努利方程为：伯努利方程为：用扬程表示：用扬程表示：第25页，此课件共38页哦泵输出压力：泵输出压力：式中：液体的密度，Lth 外力功，J。H 扬程，m。p1,p2 进、出口压力，Pa。Z1,z2 进、出口位置高度，m。C1，C2 进出口液体流动速度，m/s。第26页，此课件共38页哦4.2.4 4.2.4 连续方程连续方程连续方程：用来表述流经压缩机流道各截面上的质量流量皆相等，即满足质量流量守恒定律。叶轮出口体积流量：第27页，此
12、课件共38页哦4.2.5 4.2.5 功率与效率功率与效率（一）单级总耗功与总功率 （1）叶轮在叶道对气体所作功：）叶轮在叶道对气体所作功：叫：理论能量头、叶轮功、欧拉功 第28页，此课件共38页哦（2）轴传给叶轮的总功：）轴传给叶轮的总功：叶轮上总输入功应等于叶轮总消耗功，包括泄漏损失和轮阻损失。LtotLtotHLHdfHth第29页，此课件共38页哦 式中：式中：泄漏损失泄漏损失：叶轮盖处介质泄漏产生的能量损失为泄漏损失。轮阻损失轮阻损失：叶轮内外壁面与气体的摩擦损失为轮阻损失。叶轮上总输入功：叶轮上总输入功：第30页，此课件共38页哦（4）一级中的能量计算）一级中的能量计算 一级中有叶
13、轮和流道组成，流道内存在动量损失和流动损失一级中有叶轮和流道组成，流道内存在动量损失和流动损失Hhyd 由伯努利方程：1/dpHhydHLHtotHdf第31页，此课件共38页哦（3）叶轮输入总功率：）叶轮输入总功率：叶轮的有效功率：叶轮的有效功率：叶轮的泄漏损失功率：叶轮的泄漏损失功率：叶轮的轮阻损失功率：叶轮的轮阻损失功率：第32页，此课件共38页哦(二）级内的效率 级内效率：级内效率：用来标志叶轮上机械能转化为气体压力能多少的比率 离心压缩机压缩过程为多变过程，其内效率为多变效率。多变效率多变效率：取值范围：第33页，此课件共38页哦(三）多级功率计算三）多级功率计算（1）多级串联所需总
14、的内功率）多级串联所需总的内功率 Ni (2)压缩机总出口有效功率：压缩机总出口有效功率：（中间冷却式）第34页，此课件共38页哦 （3）压缩机轴功率）压缩机轴功率（总输入功率）：（4）原动机输出功率：）原动机输出功率：考虑原动机留有30%的功率储备，则：第35页，此课件共38页哦4.2.6 温度、压力的计算（一）温度计算一）温度计算 离心压缩机气流流速较快，其温度变化差值可认为恒定，对外界可按无热交换，q=0 。压缩机进口参数：任意截面参数：第36页，此课件共38页哦由能量方程：由压缩机进口到任意截面的温度差：分析：当 Tin 一定时，Ltot 则 Ti。当 Ltot 一定时,Tin 则 Ti。当其它参数一定时，R 则 Tin。第37页，此课件共38页哦(二)压力计算 级内压力随位置不同而不同，即各截面上的压力都不相同，并且多变指数 m 也在变化，为计算方便一般取 m 的平均值。多变过程中：任意截面上压力比：分析：分析：第38页，此课件共38页哦