泵与压缩机-离心式压缩机.ppt

泵与压缩机,主讲: 冯 进 长江大学机械工程学院,2 离心压缩机,离心式压缩机是属于速度式透平压缩机的一种。在早期，离心压缩机只适用于低、中压力和大气量的场合。近十几年来，在离心压缩机在设计、制造方面，不断采用新技术、新结构和新工艺，使其工作性能和可靠性不断提高，离心压缩机被用来压缩和输送各种石油化工生产过程中的气体，应用范围有了很大提高，在石油天然气输送中也越来越多的被采用。,2.1 离心压缩机的主要部件及基本工作原理,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，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。 1.转子部件 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，各零件通过热装法与轴联成整体。,(1)叶轮 叶轮是离心压缩机中唯一的作功部件。由于叶轮对气体作功，增加了气体的能量，因此气体流出叶轮时的压力和速度都有明显增加。 (2)主轴 主轴的作用是支撑旋转零件和传递扭矩。 (3)平衡盘 平衡大部分或全部轴向力。,(4)推力盘 经平衡盘平衡后的剩余轴向力，通过推力盘传递止推轴承，实现轴向力的完全平衡。 (5)联轴器 通过联轴器，将原动机的动力传给压缩机。 2.定子部件 离心压缩机的定子部件有：机壳、扩压器、弯道、回流器、吸气室、蜗壳、密封、轴承等。,(1)扩压器 扩压器的流通截面逐渐扩大，将速度能有效的转变为压力能，是离心压缩机中的转能装置。 (2)弯道 弯道是设置于扩压器后的气流通道，其作用是将扩压后的气体由离心方向改变为向心方向，以便引入下一级叶轮去继续进行压缩。,(3)回流器 回流器的作用是使气流以一定方向均匀地进入下一级叶轮入口。在回流器中一般都装有隔板和导向叶片。 (4)吸气室 吸气室其作用是将进气管(或中间冷却器出口)中的气体均匀地导入叶轮。 (5)蜗壳 蜗壳其主要作用是将从扩压器(或直接从叶轮)出来的气体收集起来，并引出机器。,二、基本工作过程 气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体作功后，使气体的压力、速度、温度都得到提高，然后再进入扩压器，将气体的速度能转变为压力能。当通过一个叶轮对气体作功、扩压后不能满足输送要求时，就必须把气体引入下一级继续进行压缩。为此，在扩压器后设置了弯道、回流器，使气体由离心方向变为向心方向、均匀地进入下一级叶轮进口，继续获得能量。,气体流过了一个“级”，再继续进入第二、第三级压缩后，经蜗壳及排出管被引出至中间冷却器。冷却后的气体再经吸气室进入第四级及以后各级继续压缩，最后由排出管输出。 由于气体在压缩过程中温度不断升高，在高温下压缩气体，使消耗的动力增加。为了降低动力消耗，需要在气体温度达到某一值后，对气体进行冷却。因此，在压缩过程中采用了中间冷却器。,三、离心压缩机的特点 与其它型式的压缩机相比，离心压缩机有以下特点： (1)排量大 如某油田输气离心压缩机的排气量为510m3min，年产30万吨合成氨厂中合成气压缩机的排气量达20003000m3h。目前在产量大于600吨日的合成氨厂中主要的工艺用压缩机几乎都采用了离心压缩机。,(2)结构紧凑 占地面积及重量都比同一气量的活塞式压缩机小得多。 (3)运转可靠 机组连续运转时间在一年以上，运转平稳，操作可靠，因此它的运转率高，而且易损件少，维修方便。 (4)输送的气体不与机器润滑系统的油接触。,(5)转速较高 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。 (6) 还不适用于气量太小及压力比过高的场合。 (7) 一般比活塞式压缩机的效率低。 (8) 离心压缩机的稳定工况区较窄。,2.2 气体在级中流动的概念及基本方程,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。,一、欧拉方程式 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： 由叶轮叶片进、出口速度三角形，按余弦定理有：,因此,将它们代入基本能量方程得： 在设计离心压缩机时，气体沿径向进入叶轮叶道，则1900，c1u=0。这时,其中：,根据连续性方程式，在定常流动时，通过任意截面i的气体质量流量是一定的，它与进口截面s的气体质量流量的关系为: 它和体积流量的关系为:,叶轮出口处气流的径向分速度c2r为： 定义 ， 称为流量系数，可写为：,叶片阻塞系数可用下式计算： 式中z为z叶片数， 为叶片厚度为，为折边宽度。,二、级的总功耗和功率 叶轮工作时所消耗的功用于两方面，一方面是叶轮通过叶片对叶道内的气体作功，称为叶片功LT，它就是气体获得的理论能头HT；另一方面是叶轮本身在旋转时存在轮阻损失和内漏损失所消耗的功(轮阻损失功Ldf,内漏损失功Ll)。,这样，叶轮对单位质量有效气体作的总功Ltot 为: 同样，气体从叶轮中得到相应的总能头Htot为:,可以看出,气体在级中获得的总能头HTO1 是以两种方式得到的，一种是叶片直接对气体作功，以机械能形式传给气体的理论能头HT；另一种是由于轮阻及内漏损失消耗的功，以热能形式传给气体，使气体获得能头Hdf+H1，它不包括在理论能头HT中。在不考虑气体对外热损失的条件下，根据能量守恒定律，则有：,通过叶轮的有效质量流量为 (kgs)，叶片对它作功消耗的理论功率NT为: 由于轮盖处的内漏，故经过叶道的实际质量流量为 ，等于有效流质量流量 和内漏气质量流量 之和，即：,轮阻损失消耗的功率为Ndf，内漏气损失消耗的功率为Nl。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Ntot为：,令： 因此： 一般l+df0.020.13。其值对高压小流量的级取较大值，对低压大流量的级取较小值。,同理，叶轮对单位质量有效气体的总能头，也可表示为： 例：已知某离心式压缩机的漏气损失系数 、轮阻损失系数 、有效质量流量 、叶轮对每公斤气体作功 。求Ntot、Ndf、Nl、NT、Htot。,三、热焓方程式 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a、b，气体由a截面流进系统，由b截面流出系统。a、b截面上气体的状态参数和速度分别为：,根据热力学稳定流动能量方程，对a、b两截面间的单位质量气体有下列方程式： 或 式中A为单位重量气体的热功当量，A为：,对离心压缩机来说， a、b两截面的位置高差(zbza)相对很小，可以忽略不计，故式可写成: 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。对封闭热力系统时，单位质量气体可写出：,当比容不变时，有： 又因： 则：,当等压时，有： 故： 对理想气体： 故： 令：,故： 该式称为稳定流动能量方程式或热焓方程式。它将能头、传热量与气流的温度和速度等参数联系起来。,在离心式压缩机中，由于气体流量大，单位质量气体与外界的热交换与气体压缩时焓的变化比较起来小得多。因此，通常将与外界的热交换忽略不计，即认为qabo。这样热焓方程式变为： 上式是离心式压缩机级中气动计算的重要公式，通过它可求截面温度、速度的变化规律。,当a、b截面分别为级的进、出口截面时，公式中的HabHtot，一个级的热焓方程式可写为： 同理，若a、b截面分别为气流流过静止通道的进、出口截面时，静止通道内没有外功加入，即Hab 0，则热焓方程为：,四、伯努利方程式 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。对封闭热力系统时，单位质量气体可写出： 当比容不变时，有：,又因： 则： 当等压时，有： 故：,上式表示单位质量气体从a截面施至b截面所得到的热量。它应该包括外界传给气体的热量qab以及气体由a流至b截面时所有的能量损失(hlos)ab转化的热量。,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的能量平衡方程。当 a截面和b截面分别为级进口和级出口时，上式可表示为：,因热焓方程式：,气体从级进口到级出口全部能量损失包括：轮阻损失hdf，内漏气损失hl，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hhyd，即：,因： 所以：,当 a截面和b截面分别表示静止元件（如扩压器）的气流进口和出口时，由于没有能量输入，上式可表示为： 此式说明静止元件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，而有一部分用于克服静止元件中气流流动的能量损失。,五、气体压缩功 在伯努利方程式中，静压头p的大小与气体压缩过程有关。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。,1等温压缩功 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：,等温过程的压缩功,2.绝热压缩功 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变化方程式为： 在绝热压缩过程的压缩功为：,因为： 所以,绝热过程的压缩功,3.多变压缩功 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：,多变压缩过程的压缩功,六、级效率 衡量外功用来使气体压力升高并克服损失的能头，称为可用能，即 在可用能头中，真正用于压缩气体的能头所占可用能头的比例称为级效率。即,1.多变级效率 在离心压缩机中，气体在级中的实际压缩过程一般可用多变过程来表示。多变压缩过程的多变级级效率为： 一般压压缩机的多变级效率 。,气体在级中流动时，不仅没有对外传热(q0)，反而将所有损失消耗的能头hios又以热量的形式传给了气体。因此，在离心压缩机中气体压缩过程的多变压缩指数m大于绝热压缩过程指数k。故级的多变效率总是小于l。,2绝热效率 绝热效率是指级中气体由压力ps经绝热压缩升至pd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过程。因此它的压缩终温小于多变过程压缩终温。而多变过程的压缩功大于绝热过程的压缩功。在同一级中， 总大于 ，两者差值愈小，表示级中能量损失愈小，所以经常以此来评价级中的损失。,3等温效率 等温效率是指级中气体由ps等温压缩至pd时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。,4流动效率 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动阻力损失的大小。,为多变能头系数。在圆周速度u2相同的条件下，可以用多变能头系数 来表示压缩机级多变压缩功的大小，一般 。由此可以估算级的多变能头，已知总压力比时，便能确定压缩机需要的级数。,七、级中气体状态参数的变化 1级中气体温度的变化 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度。,当气流对外界无热交换(但可以有损失)，其速度被滞止到零时，此气流的温度叫滞止温度(又称总温)，以Tst表示，它也是气体的一个状态参数。根据能量守恒原理，有： 于是，热焓方程式可写成：,上式表明，气体滞止温度或滞止焓增加，就说明外界必然有能量加给气体。气体在叶轮叶道中流动时，叶轮对气体作功，因此它的滞止温度是增加的。任意截面i的温度满足:,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： 在气流流进叶轮前，有：,2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时，由于流动状态各不相同，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m来进行计算。,设,2.3 级中能量损失,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。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速度超过音速后产生激波所引起。,一、流动损失 1.摩擦损失 当气体经过压缩机级的通流部分时，由于粘性的存在，在壁面附近的地方，流速最小；在中间部分的主流中，流速最大。这样由于层与层之间的速度不同，产生摩擦，流动的气流与流道壁面也发生摩擦，这种摩擦使气流的一部分能量转变为热能。,2.分离损失 在边界层中，沿其厚度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，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。 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；急剧弯曲等。,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，特别是接近叶轮出口处。,粘性流体在沿主流方向流动时，在压力下降区(加速降压) 内流动时，不会出现边界层分离。在压力升高区（减速扩压）内流动才有可能出现分离，形成旋涡。,3.二次涡流损失 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，而非工作面侧则相反，边界层增厚更加速了边界层分离。,4.尾迹损失 尾迹的产生是由于叶片有一定的厚度，当气流从叶片流道中流出叶轮时，通流截面突然扩大，而在叶片尾部形成了充满旋涡的气流，称为尾迹，由此而产生的能量损失称为尾迹损失。尾迹损失与叶道出口处气速、叶片尾部厚度及边界层流态有关。,采用翼形叶片代替等厚度叶片，可大大减小尾迹损失。若用等厚度叶片时，削薄叶轮出口处叶片厚度，也是减小尾迹损失的一个有效方法。某实验证明，削薄后级多变效率小，可提高2。,二、马赫数M对能量损失的影响 1.马赫数M 流场中任一点处的气流速度与该点气温下的音速a之比，称为该点气流的马赫数M ，即,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:,在绝能的过程中，气体的总能不变。根据伯努方程，有： 因此,当M0.3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。,2激波和波阻损失 亚音速和超音速气流有根本差别，即在亚音速(M1)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。而在超音速(M1)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。,当超音速气流扰物体流动时，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，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、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。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的重要现象。,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。,3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，对离心压缩机，根据经验，在一般情况下，在设计工况点要求气流进入叶轮流道的马赫数小于0.750.85。,2.4 级的性能曲线,在一般情况下，压缩机级的工作状况是由进口流量Qs、进气压力ps、进气温度Ts以及工作转速n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，级的压力比、多变效率、功率随该级进气量变化的关系曲线。,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，即： 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： 故： 由于有效能头为：,可见，有效能头与流量呈线性关系。Hhyd包括沿程损失和冲击损失，它们与流量呈二次方关系。所以，压力比与流量的关系曲线为抛物线，一般用进口流量与压力比的关系反映压力比与流量的关系，即Qs曲线。 Qs曲线的特点是随进口流量增加，压力比减小。,二、 效率曲线Qs 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，只能在一定的转速、一定的介质下，对压缩机级逐点实际测试，得出性能曲线。,三、喘振工况 离心式压缩机级的性能曲线不能达到Qs =0的点。当流量减小到某一值(称为最小流量Qmin)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“喘振工况”，这一流量极限Qmin 称为“喘振流量”。压缩机性能曲线的左端只能到Qmin ，流量不能再减小了。,四、堵塞工况 流量大，摩擦损失及冲击损失也大。当流量达到某最大值Qmax时，气体获得的理论能头HT全部消耗在流动损失上，使级中气体压力得不到提高。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Qmax。,五、稳定工况区 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： 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，还要有较宽的稳定工作范围。,2.5 多级离心压缩机的性能曲线,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线。性能曲线的横坐标为各级吸气状态下的气流流量Qs，对于两级串联时，第I级的进气量为： 第级的进气量为：,由于两级串联，根据质量守恒方程，有： 两级串联后的压力比为：,1.级串联对最小工作流量的影响 经过第级压缩后，气体的密度增大，体积流量减小。若两级最小流量相同，那么当两级串联后，第级容易出现喘振。因此，为了防止第级发生喘振，必须使第级最小工作流量增大，也就是说比单级时向右移了。,2.级串联对最大工作流量的影响 为了防止第级发生喘振，使第级最小工作流量增大，压力比降低，叶轮对气体所作的功大部分成为能量损失，使第级进气温度很高，有可能出现： 导致第级堵塞流量Qmax减小，稳定工况区变窄。,二、转速变化对压缩机性能曲线的影响 当转速n增大时，u2变大，相应HT增大，Hpot也增加，压缩机的压力比显著增加。压力比显著增加，导致第级工作最小流量越小，越容易出现喘振。 因此，曲线向右上方移动。,2.6 相似原理在离心压缩机中的应用,一、压缩机相似应具备的条件 对离心压缩机来说，如果保持模型机与原型机的流动过程相似，则它们之间所有对应的热力参数、气动参数和几何参数之比为常数，对应的效率、损失系数都相等。 1.几何相似 两机对应的通流部分的几何形状相似。即：,2进口运动相似 进口运动相似，主要是指叶道进口处的速度三角形相似。这时，有：,3对应的马赫数相等 对于压缩机来说，由于气体介质的可压缩性，只有两机的几何相似和进口运动相似，并不能保证其它对应截面上流动相似。因为气体在压缩过程中，气流参数的变化受到气体可压缩性的影响，并且随着马赫数的增大，其影响更加显著。因此马赫数对应相等是保证压缩过程流动相似的重要条件。,对两个几何相似的静止流道，设原型机1一l截面为流道的进口截面，如气体与外界无热交换，则1l截面和流道中任一截面的能量方程式为：,同样可得模型机流道的温度比为：,若原型与模型对应流通中流过气体的绝热指数相等，则当 和 ，时，有：,4对应的雷诺数相等 雷诺数Re是决定流体流动状态的准数，要求Re对应相等是为了保持两个流动的摩擦阻力系数相等。在离心压缩机中，通常气流的雷诺数比较大，摩擦阻力系数基本上不随流速变化而改变，故通常不考虑对应雷诺数相等的要求。 5气体绝热指数相等 要保持两机的流动过程相似，气体的绝热指数必须相等。,二、离心压缩机的相似换算与相似设计 相似原理在离心压缩机中主要用于两个方面：一是相似设计；二是相似机间的性能算，或同一压缩机的设计条件与试验条件间的性能换算。 1完全相似时的性能换算 根据马赫数相等和气体绝热指数相等，有：,1).转速间的关系,2).流量间的关系,质量流量间的关系,3).压力比间的关系 完全相似时，对应压力比相等，即: 4).能头间的关系 因流动相似时，有 ， 。根据多变压缩能头的表达式得：,当效率 时，有,又因,故：,5).功率间的关系,2相似设计 相似设计时，采用经过实践证明具有较高效率、性能曲线较为平缓、稳定工况区较宽的机器(或级)作为模型机(或级) ，根据模型机的主要几何尺寸和试验性能数据，以及原型机的设计参数，利用相似原理进行尺寸大小的换算，设计出流道形状相似的原型机。这种方法称为相似设计法。,当已知原型机的设计条件时，首先根据原型机压力比，选取一个具有相同压力比 的性能良好的模型机，并把压力比相同的工况点作为原型机设计工况的相似点。相似点除要求压力比相等外，还应有较高的效率和较宽的稳定工作范围。选定相似点后，就得到了模型机的进口条件，最后根据完全相似条件，计算出原型机的参数。,1)模型机流量的确定 根据压力比，由模型机的Qs 曲线确定Qs。 2)几何尺寸比例常数L 根据模型机的尺寸和L，就可得出原型机的尺寸，叶片角和叶片数应相等。,3)转速 4)功率,