泵與壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)

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1、主講主講: 馮馮 進(jìn)進(jìn)長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 離心式壓縮機(jī)是屬于速度式透平壓縮機(jī)的離心式壓縮機(jī)是屬于速度式透平壓縮機(jī)的一種。在早期，離心壓縮機(jī)只適用于低、中壓一種。在早期，離心壓縮機(jī)只適用于低、中壓力和大氣量的場合。近十幾年來，在離心壓縮力和大氣量的場合。近十幾年來，在離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)、制造方面，不斷采用新技術(shù)、新結(jié)機(jī)在設(shè)計(jì)、制造方面，不斷采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新工藝，使其工作性能和可靠性不斷提高，構(gòu)和新工藝，使其工作性能和可靠性不斷提高，離心壓縮機(jī)被用來壓縮和輸送各種石油化工生離心壓縮機(jī)被用來壓縮和輸送各種石油化工生產(chǎn)過程中的氣體，應(yīng)用范圍有了很大提高，在產(chǎn)過程中的氣體，應(yīng)用

2、范圍有了很大提高，在石油天然氣輸送中也越來越多的被采用。石油天然氣輸送中也越來越多的被采用。一、離心式壓縮機(jī)的主要部件一、離心式壓縮機(jī)的主要部件 離心式壓縮機(jī)的零件，可以歸結(jié)為兩類，離心式壓縮機(jī)的零件，可以歸結(jié)為兩類，即轉(zhuǎn)動件和不轉(zhuǎn)動件。通常將轉(zhuǎn)動的零件稱為即轉(zhuǎn)動件和不轉(zhuǎn)動件。通常將轉(zhuǎn)動的零件稱為轉(zhuǎn)子，不轉(zhuǎn)動的零件稱為定子。轉(zhuǎn)子，不轉(zhuǎn)動的零件稱為定子。 1.1.轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)子部件 離心式壓縮機(jī)中屬于轉(zhuǎn)子部件的零件有：離心式壓縮機(jī)中屬于轉(zhuǎn)子部件的零件有：主軸、葉輪、平衡盤、推力盤、聯(lián)軸器等，各主軸、葉輪、平衡盤、推力盤、聯(lián)軸器等，各零件通過熱裝法與軸聯(lián)成整體。零件通過熱裝法與軸聯(lián)成整體。 (1)(

3、1)葉輪葉輪 葉輪是離心壓縮機(jī)中唯一的作功部件。由葉輪是離心壓縮機(jī)中唯一的作功部件。由于葉輪對氣體作功，增加了氣體的能量，因此于葉輪對氣體作功，增加了氣體的能量，因此氣體流出葉輪時(shí)的壓力和速度都有明顯增加。氣體流出葉輪時(shí)的壓力和速度都有明顯增加。 (2)(2)主軸主軸 主軸的作用是支撐旋轉(zhuǎn)零件和傳遞扭矩。主軸的作用是支撐旋轉(zhuǎn)零件和傳遞扭矩。 (3)(3)平衡盤平衡盤 平衡大部分或全部軸向力。平衡大部分或全部軸向力。 (4) (4)推力盤推力盤 經(jīng)平衡盤平衡后的剩余軸向力，通過推力經(jīng)平衡盤平衡后的剩余軸向力，通過推力盤傳遞止推軸承，實(shí)現(xiàn)軸向力的完全平衡。盤傳遞止推軸承，實(shí)現(xiàn)軸向力的完全平衡。 (

4、5)(5)聯(lián)軸器聯(lián)軸器 通過聯(lián)軸器，將原動機(jī)的動力傳給壓縮機(jī)。通過聯(lián)軸器，將原動機(jī)的動力傳給壓縮機(jī)。 2.2.定子部件定子部件 離心壓縮機(jī)的定子部件有：機(jī)殼、擴(kuò)壓器、離心壓縮機(jī)的定子部件有：機(jī)殼、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、吸氣室、蝸殼、密封、軸承等。彎道、回流器、吸氣室、蝸殼、密封、軸承等。 (1)(1)擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器 擴(kuò)壓器的流通截面逐漸擴(kuò)大，將速度能有擴(kuò)壓器的流通截面逐漸擴(kuò)大，將速度能有效的轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，是離心壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)能裝效的轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，是離心壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)能裝置。置。 (2)(2)彎道彎道 彎道是設(shè)置于擴(kuò)壓器后的氣流通道，其作彎道是設(shè)置于擴(kuò)壓器后的氣流通道，其作用是將擴(kuò)壓后的氣體由離心方向

5、改變?yōu)橄蛐姆接檬菍U(kuò)壓后的氣體由離心方向改變?yōu)橄蛐姆较颍员阋胂乱患壢~輪去繼續(xù)進(jìn)行壓縮。向，以便引入下一級葉輪去繼續(xù)進(jìn)行壓縮。 (3)(3)回流器回流器 回流器的作用是使氣流以一定方向均勻地回流器的作用是使氣流以一定方向均勻地進(jìn)入下一級葉輪入口。在回流器中一般都裝有進(jìn)入下一級葉輪入口。在回流器中一般都裝有隔板和導(dǎo)向葉片。隔板和導(dǎo)向葉片。 (4)(4)吸氣室吸氣室 吸氣室其作用是將進(jìn)氣管吸氣室其作用是將進(jìn)氣管( (或中間冷卻器或中間冷卻器出口出口) )中的氣體均勻地導(dǎo)入葉輪。中的氣體均勻地導(dǎo)入葉輪。 (5)(5)蝸殼蝸殼 蝸殼其主要作用是將從擴(kuò)壓器蝸殼其主要作用是將從擴(kuò)壓器( (或直接從或直接

6、從葉輪葉輪) )出來的氣體收集起來，并引出機(jī)器。出來的氣體收集起來，并引出機(jī)器。 二、基本工作過程二、基本工作過程 氣體由吸氣室吸入，通過葉輪對氣體作功后，氣體由吸氣室吸入，通過葉輪對氣體作功后，使氣體的壓力、速度、溫度都得到提高，然后再使氣體的壓力、速度、溫度都得到提高，然后再進(jìn)入擴(kuò)壓器，將氣體的速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。?dāng)進(jìn)入擴(kuò)壓器，將氣體的速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。?dāng)通過一個(gè)葉輪對氣體作功、擴(kuò)壓后不能滿足輸送通過一個(gè)葉輪對氣體作功、擴(kuò)壓后不能滿足輸送要求時(shí)，就必須把氣體引入下一級繼續(xù)進(jìn)行壓縮。要求時(shí)，就必須把氣體引入下一級繼續(xù)進(jìn)行壓縮。為此，在擴(kuò)壓器后設(shè)置了彎道、回流器，使氣體為此，在擴(kuò)壓器后設(shè)置了

7、彎道、回流器，使氣體由離心方向變?yōu)橄蛐姆较?、均勻地進(jìn)入下一級葉由離心方向變?yōu)橄蛐姆较颉⒕鶆虻剡M(jìn)入下一級葉輪進(jìn)口，繼續(xù)獲得能量。輪進(jìn)口，繼續(xù)獲得能量。 氣體流過了一個(gè)氣體流過了一個(gè)“級級”，再繼續(xù)進(jìn)入第二、第，再繼續(xù)進(jìn)入第二、第三級壓縮后，經(jīng)蝸殼及排出管被引出至中間冷三級壓縮后，經(jīng)蝸殼及排出管被引出至中間冷卻器。冷卻后的氣體再經(jīng)吸氣室進(jìn)入第四級及卻器。冷卻后的氣體再經(jīng)吸氣室進(jìn)入第四級及以后各級繼續(xù)壓縮，最后由排出管輸出。以后各級繼續(xù)壓縮，最后由排出管輸出。 由于氣體在壓縮過程中溫度不斷升高，在由于氣體在壓縮過程中溫度不斷升高，在高溫下壓縮氣體，使消耗的動力增加。為了降高溫下壓縮氣體，使消耗的動力

8、增加。為了降低動力消耗，需要在氣體溫度達(dá)到某一值后，低動力消耗，需要在氣體溫度達(dá)到某一值后，對氣體進(jìn)行冷卻。因此，在壓縮過程中采用了對氣體進(jìn)行冷卻。因此，在壓縮過程中采用了中間冷卻器。中間冷卻器。 三、離心壓縮機(jī)的特點(diǎn)三、離心壓縮機(jī)的特點(diǎn) 與其它型式的壓縮機(jī)相比，離心壓縮機(jī)有以與其它型式的壓縮機(jī)相比，離心壓縮機(jī)有以下特點(diǎn)：下特點(diǎn)： (1)(1)排量大排量大 如某油田輸氣離心壓縮機(jī)的排氣量為如某油田輸氣離心壓縮機(jī)的排氣量為510m510m3 3minmin，年產(chǎn)，年產(chǎn)3030萬噸合成氨廠中合成氣壓萬噸合成氨廠中合成氣壓縮機(jī)的排氣量達(dá)縮機(jī)的排氣量達(dá)200020003000m3000m3 3h h。

9、目前在產(chǎn)。目前在產(chǎn)量大于量大于600600噸日的合成氨廠中主要的工藝用噸日的合成氨廠中主要的工藝用壓縮機(jī)幾乎都采用了離心壓縮機(jī)。壓縮機(jī)幾乎都采用了離心壓縮機(jī)。 (2) (2)結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊 占地面積及重量都比同一氣量的活塞式占地面積及重量都比同一氣量的活塞式壓縮機(jī)小得多。壓縮機(jī)小得多。 (3)(3)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)可靠 機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間在一年以上，運(yùn)轉(zhuǎn)平機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間在一年以上，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作可靠，因此它的運(yùn)轉(zhuǎn)率高，而且易損穩(wěn)，操作可靠，因此它的運(yùn)轉(zhuǎn)率高，而且易損件少，維修方便。件少，維修方便。 (4)(4)輸送的氣體不與機(jī)器潤滑系統(tǒng)的油接觸。輸送的氣體不與機(jī)器潤滑系統(tǒng)的油接觸。 (5)(5)

10、轉(zhuǎn)速較高轉(zhuǎn)速較高 適宜用工業(yè)汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動，適宜用工業(yè)汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動，可充分利用大型石油化工廠的熱能，節(jié)約能源?？沙浞掷么笮褪突S的熱能，節(jié)約能源。 (6) (6) 還不適用于氣量太小及壓力比過高的場還不適用于氣量太小及壓力比過高的場合。合。 (7) (7) 一般比活塞式壓縮機(jī)的效率低。一般比活塞式壓縮機(jī)的效率低。 (8) (8) 離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)較窄。離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)較窄。 氣體在離心壓縮機(jī)級中氣體的流動實(shí)際氣體在離心壓縮機(jī)級中氣體的流動實(shí)際上是屬于三元非定常流動，而且氣體又有粘性上是屬于三元非定常流動，而且氣體又有粘性和可壓縮性，因此氣體在級中的流動是

11、很復(fù)雜和可壓縮性，因此氣體在級中的流動是很復(fù)雜的。所以，在工程上往往作一些假設(shè)，將復(fù)雜的。所以，在工程上往往作一些假設(shè)，將復(fù)雜的三元非定常流動簡化為一元定常流動進(jìn)行分的三元非定常流動簡化為一元定常流動進(jìn)行分析，認(rèn)為流道中同一截面上各點(diǎn)的氣流參數(shù)是析，認(rèn)為流道中同一截面上各點(diǎn)的氣流參數(shù)是相同的，而且在保持穩(wěn)定工作條件下，氣流參相同的，而且在保持穩(wěn)定工作條件下，氣流參數(shù)不隨時(shí)間而變。數(shù)不隨時(shí)間而變。 一、歐拉方程式一、歐拉方程式 離心泵的歐拉方程式對離心壓縮機(jī)也完全離心泵的歐拉方程式對離心壓縮機(jī)也完全適用。離心壓縮機(jī)理論能頭歐拉方程式為：適用。離心壓縮機(jī)理論能頭歐拉方程式為： 由葉輪葉片進(jìn)、出口速

12、度三角形，按余弦定理由葉輪葉片進(jìn)、出口速度三角形，按余弦定理有：有： J/kg 1122uuTcucuH 因此因此 ucucucucuw1121211112121212cos2ucucucucuw2222222222222222cos22121211121wcucuu2222222221wcucuu 將它們代入基本能量方程得：將它們代入基本能量方程得： 在設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)時(shí)，氣體沿徑向進(jìn)入葉在設(shè)計(jì)離心壓縮機(jī)時(shí)，氣體沿徑向進(jìn)入葉輪葉道，則輪葉道，則1 190900 0，c c1u1u=0=0。這時(shí)。這時(shí) J/kg 222212222212122uuwwccHT22222 wcucuHuuT AAz

13、uRzw22222sinsinArucuc2222cotArArAArAArTcuuuczcuuuzcuuH222222222222222222cotcot1sin1cotsincotArAucz2222cot1sin1其中： 根據(jù)連續(xù)性方程式，在定常流動時(shí)，通過根據(jù)連續(xù)性方程式，在定常流動時(shí)，通過任意截面任意截面i i的氣體質(zhì)量流量是一定的，它與進(jìn)的氣體質(zhì)量流量是一定的，它與進(jìn)口截面口截面s s的氣體質(zhì)量流量的關(guān)系為的氣體質(zhì)量流量的關(guān)系為: : 它和體積流量的關(guān)系為它和體積流量的關(guān)系為: :simm ssiiQQsisisssissisisiQkQQQQQ1111TTHHArTcuuH222

14、2cot葉輪出口處氣流的徑向分速度葉輪出口處氣流的徑向分速度c c2r2r為：為：定義定義 ， 稱為流量系數(shù)，可寫為：稱為流量系數(shù)，可寫為：r222222kbDQcsr222222ukbDQsr222ucrr 葉片阻塞系數(shù)葉片阻塞系數(shù)可用下式計(jì)算：可用下式計(jì)算： 式中式中z z為為z z葉片數(shù)，葉片數(shù)， 為葉片厚度為，為葉片厚度為，為折為折邊寬度。邊寬度。AAADbZDbzbzDbsin211sin2sin 二、級的總功耗和功率二、級的總功耗和功率 葉輪工作時(shí)所消耗的功用于兩方面，一方葉輪工作時(shí)所消耗的功用于兩方面，一方面是葉輪通過葉片對葉道內(nèi)的氣體作功，稱為面是葉輪通過葉片對葉道內(nèi)的氣體作功

15、，稱為葉片功葉片功L LT T，它就是氣體獲得的理論能，它就是氣體獲得的理論能頭頭H HT T；另；另一方面是葉輪本身在旋轉(zhuǎn)時(shí)存在輪阻損失和內(nèi)一方面是葉輪本身在旋轉(zhuǎn)時(shí)存在輪阻損失和內(nèi)漏損失所消耗的功漏損失所消耗的功( (輪阻損失功輪阻損失功L Ldfdf,內(nèi)漏損失內(nèi)漏損失功功L Ll l) )。 這樣，葉輪對單位質(zhì)量有效氣體作的總功這樣，葉輪對單位質(zhì)量有效氣體作的總功L Ltottot 為為: : 同樣，氣體從葉輪中得到相應(yīng)的總能頭同樣，氣體從葉輪中得到相應(yīng)的總能頭H Htottot為為: : ldfTtotLLLLldfTtotHHHH 可以看出可以看出, ,氣體在級中獲得的總能頭氣體在級中

16、獲得的總能頭H HTO1TO1 是以兩種方式得到的，一種是葉片直接對氣體是以兩種方式得到的，一種是葉片直接對氣體作功，以機(jī)械能形式傳給氣體的理論能頭作功，以機(jī)械能形式傳給氣體的理論能頭H HT T；另一種是由于輪阻及內(nèi)漏損失消耗的功，以熱另一種是由于輪阻及內(nèi)漏損失消耗的功，以熱能形式傳給氣體，使氣體獲得能頭能形式傳給氣體，使氣體獲得能頭H Hdfdf+H+H1 1，它，它不包括在理論能頭不包括在理論能頭H HT T中。在不考慮氣體對外熱中。在不考慮氣體對外熱損失的條件下，根據(jù)能量守恒定律，則有：損失的條件下，根據(jù)能量守恒定律，則有：tottotHL 通過葉輪的有效質(zhì)量流量為通過葉輪的有效質(zhì)量流

17、量為 (kg(kgs)s)，葉片，葉片對它作功消耗的理論功率對它作功消耗的理論功率N NT T為為: : 由于輪蓋處的內(nèi)漏，故經(jīng)過葉道的實(shí)際質(zhì)量流由于輪蓋處的內(nèi)漏，故經(jīng)過葉道的實(shí)際質(zhì)量流量為量為 ，等于有效流質(zhì)量流量，等于有效流質(zhì)量流量 和內(nèi)漏氣和內(nèi)漏氣質(zhì)量流量質(zhì)量流量 之和，即：之和，即：TTTHmQHNm totm lm m ltotmmm 輪阻損失消耗的功率為輪阻損失消耗的功率為N Ndfdf，內(nèi)漏氣損失消耗，內(nèi)漏氣損失消耗的功率為的功率為N Nl l。因此，在考慮了輪阻損失及內(nèi)漏。因此，在考慮了輪阻損失及內(nèi)漏氣損失后，葉輪的總功率消耗氣損失后，葉輪的總功率消耗N Ntottot為：為：

18、dflTtotNNNNdfTlTdfTlTtotNHmmmHmNHmHmN11 令：令： 因此：因此： 一般一般l l+dfdf0.020.020.130.13。其值對高壓小流量。其值對高壓小流量的級取較大值，對低壓大流量的級取較小值。的級取較大值，對低壓大流量的級取較小值。mmllTdfdfHmNdflTtotHmN1 同理，葉輪對單位質(zhì)量有效氣體的總能頭，也同理，葉輪對單位質(zhì)量有效氣體的總能頭，也可表示為：可表示為： 例 ： 已 知 某 離 心 式 壓 縮 機(jī) 的 漏 氣 損 失 系例 ： 已 知 某 離 心 式 壓 縮 機(jī) 的 漏 氣 損 失 系數(shù)數(shù) 、輪阻損失系數(shù)、輪阻損失系數(shù) 、有效

19、質(zhì)、有效質(zhì)量 流 量量 流 量 、 葉 輪 對 每 公 斤 氣 體 作、 葉 輪 對 每 公 斤 氣 體 作功功 。求。求N Ntottot、N Ndfdf、N Nl l、N NT T、H Htottot。dfTtotHH11skgm/71. 0012. 0l03. 0dfkgJHT/45962WHmNdflTtot6 .3400303. 0012. 014596271. 01WHmHmNlTTll56.391012. 04596271. 08 . 9WHmNdfTdf97903. 04596271. 0WHmNTT326334596271. 0 kgJHHdflTtot/4 .4789203

20、. 0012. 01459621 三、熱焓方程式三、熱焓方程式 當(dāng)氣體在離心式壓縮機(jī)中作穩(wěn)定流動時(shí)，當(dāng)氣體在離心式壓縮機(jī)中作穩(wěn)定流動時(shí)，取級中任意兩截面取級中任意兩截面a、b，氣體由，氣體由a截面流進(jìn)系截面流進(jìn)系統(tǒng)，由統(tǒng)，由b截面流出系統(tǒng)。截面流出系統(tǒng)。a、b截面上氣體的狀截面上氣體的狀態(tài)參數(shù)和速度分別為：態(tài)參數(shù)和速度分別為：aaaacTp、bbbbcTp、 根據(jù)熱力學(xué)穩(wěn)定流動能量方程，對根據(jù)熱力學(xué)穩(wěn)定流動能量方程，對a、b兩截面兩截面間的單位間的單位質(zhì)量質(zhì)量氣體有下列方程式：氣體有下列方程式： 或或 式中式中A為單位重量氣體的熱功當(dāng)量，為單位重量氣體的熱功當(dāng)量，A為：為：ababababab

21、zzgcciiqH222mKcalA/41841abababababzzccAiiAqH222 對離心壓縮機(jī)來說，對離心壓縮機(jī)來說， a a、b b兩截面的位置高差兩截面的位置高差(z(zb bz za a) )相對很小，可以忽略不計(jì)，故式可寫相對很小，可以忽略不計(jì)，故式可寫成成: : 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體熱量的增量等于氣根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體熱量的增量等于氣體的內(nèi)能增量和壓縮功增量之和。對封閉熱力體的內(nèi)能增量和壓縮功增量之和。對封閉熱力系統(tǒng)時(shí)，單位質(zhì)量氣體可寫出：系統(tǒng)時(shí)，單位質(zhì)量氣體可寫出：222ababababcciiqHpddUTdSdQ 當(dāng)比容不變時(shí)，有：當(dāng)比容不變時(shí)，有： 又因

22、：又因： 則：則： dTcdQdUdUdQdppddUpddUTdSdQpddUdidpdidQ 當(dāng)?shù)葔簳r(shí)，有：當(dāng)?shù)葔簳r(shí)，有： 故：故： 對理想氣體：對理想氣體： 故：故： 令：令：RccpRTpRdTpdvpcck dTkkRdikkRcRkccppp11pddTcdTcppddTccpdTcdidQp 故：故： 該式稱為穩(wěn)定流動能量方程式或熱焓方程式。該式稱為穩(wěn)定流動能量方程式或熱焓方程式。它將能頭、傳熱量與氣流的溫度和速度等參數(shù)它將能頭、傳熱量與氣流的溫度和速度等參數(shù)聯(lián)系起來。聯(lián)系起來。2122222ababababpababccTTkkRccTTcqHababTTiiTTkkRiidT

23、kkRdibaba11 在離心式壓縮機(jī)中，由于氣體流量大，單位質(zhì)在離心式壓縮機(jī)中，由于氣體流量大，單位質(zhì)量氣體與外界的熱交換與氣體壓縮時(shí)焓的變化量氣體與外界的熱交換與氣體壓縮時(shí)焓的變化比較起來小得多。因此，通常將與外界的熱交比較起來小得多。因此，通常將與外界的熱交換忽略不計(jì)，即認(rèn)為換忽略不計(jì)，即認(rèn)為q qababo o。這樣熱焓方程式。這樣熱焓方程式變?yōu)椋鹤優(yōu)椋?上式是離心式壓縮機(jī)級中氣動計(jì)算的重要公式，上式是離心式壓縮機(jī)級中氣動計(jì)算的重要公式，通過它可求截面溫度、速度的變化規(guī)律。通過它可求截面溫度、速度的變化規(guī)律。2122abababccTTkkRH 當(dāng)當(dāng)a、b截面分別為級的進(jìn)、出口截面時(shí)，

24、公式截面分別為級的進(jìn)、出口截面時(shí)，公式中的中的HabHtot，一個(gè)級的熱焓方程式可寫為：，一個(gè)級的熱焓方程式可寫為： 同理，若同理，若a、b截面分別為氣流流過靜止通道的截面分別為氣流流過靜止通道的進(jìn)、出口截面時(shí)，靜止通道內(nèi)沒有外功加入，進(jìn)、出口截面時(shí)，靜止通道內(nèi)沒有外功加入，即即Hab 0，則熱焓方程為：，則熱焓方程為：2122sdsdtotccTTkkRH02122ababccTTKkR 四、伯努利方程式四、伯努利方程式 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體熱量的增量等根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體熱量的增量等于氣體的內(nèi)能增量和壓縮功增量之和。對封閉于氣體的內(nèi)能增量和壓縮功增量之和。對封閉熱力系統(tǒng)時(shí)，單位質(zhì)量

25、氣體可寫出：熱力系統(tǒng)時(shí)，單位質(zhì)量氣體可寫出： 當(dāng)比容不變時(shí)，有：當(dāng)比容不變時(shí)，有： pddUdQdTcdQdUdUdQ 又因：又因： 則：則： 當(dāng)?shù)葔簳r(shí)，有：當(dāng)?shù)葔簳r(shí)，有： 故：故：dppddUpddUTdSdQpddUdidpdidQdTcdidQpdpdidpdTcdQpbappababdpiiQ上式表示單位質(zhì)量氣體從上式表示單位質(zhì)量氣體從a截面施至截面施至b截面所得到截面所得到的熱量。它應(yīng)該包括外界傳給氣體的熱量的熱量。它應(yīng)該包括外界傳給氣體的熱量qab以及以及氣體由氣體由a流至流至b截面時(shí)所有的能量損失截面時(shí)所有的能量損失(hlos)ab轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化的熱量。的熱量。bappablosaba

26、bdphqiibappabablosabdpiihq故，將上式代入熱焓方程式，得：故，將上式代入熱焓方程式，得：ablosabppabhccdpHba222上式就是伯努利方程，是以機(jī)械能形式表示上式就是伯努利方程，是以機(jī)械能形式表示的能量平衡方程。當(dāng)?shù)哪芰科胶夥匠?。?dāng) a截面和截面和b截面分別為截面分別為級進(jìn)口和級出口時(shí)，上式可表示為：級進(jìn)口和級出口時(shí)，上式可表示為：lossdpptothccdpHds222222ababababcciiqH因熱焓方程式：因熱焓方程式： 氣體從級進(jìn)口到級出口全部能量損失包括：氣體從級進(jìn)口到級出口全部能量損失包括：輪阻損失輪阻損失h hdfdf，內(nèi)漏氣損失，內(nèi)漏

27、氣損失h hl l，以及氣體在流道，以及氣體在流道中流動所引起的摩擦、沖擊、旋渦等水力損失中流動所引起的摩擦、沖擊、旋渦等水力損失h hhydhyd，即：，即：hydldfloshhhhhydldfsdpptothhhccdpHds222 因：因： 所以：所以：ldfTtotHHHHdfdfHhllHh hydsdppThccdpHds222 當(dāng)當(dāng) a截面和截面和b截面分別表示靜止元件（如擴(kuò)壓截面分別表示靜止元件（如擴(kuò)壓器）的氣流器）的氣流進(jìn)口和出口時(shí)，由于沒有能量輸入，進(jìn)口和出口時(shí)，由于沒有能量輸入，上式可表示為：上式可表示為： 此式說明此式說明靜止元件靜止元件中氣體速度頭減小的結(jié)果，中氣體

28、速度頭減小的結(jié)果，并沒有全部轉(zhuǎn)化為氣體的靜壓頭，而有一部分并沒有全部轉(zhuǎn)化為氣體的靜壓頭，而有一部分用于克服用于克服靜止元件靜止元件中氣流流動的能量損失。中氣流流動的能量損失。0222bahydabpphccdpba 五、氣體壓縮功五、氣體壓縮功 在伯努利方程式中，靜壓頭在伯努利方程式中，靜壓頭p p的大小與氣體的大小與氣體壓縮過程有關(guān)。由熱力學(xué)可知，氣體壓縮過程壓縮過程有關(guān)。由熱力學(xué)可知，氣體壓縮過程分等溫、絕熱、多變?nèi)N壓縮過程。被壓縮的分等溫、絕熱、多變?nèi)N壓縮過程。被壓縮的氣體靜壓頭的提高也就是壓縮機(jī)對氣體所作的氣體靜壓頭的提高也就是壓縮機(jī)對氣體所作的壓縮功，通常稱為壓縮能頭。壓縮功，通

29、常稱為壓縮能頭。 1 1等溫壓縮功等溫壓縮功 對理想氣體，等溫壓縮過程的狀態(tài)方程有：對理想氣體，等溫壓縮過程的狀態(tài)方程有： 因此，等溫壓縮過程的壓縮功為：因此，等溫壓縮過程的壓縮功為： dsRTRTppRTssdsppsppisppRTdppRTdpHdsdslnisH等溫過程的壓縮功等溫過程的壓縮功 2.2.絕熱壓縮功絕熱壓縮功 絕熱壓縮過程中氣體與外界無熱量交換，絕熱壓縮過程中氣體與外界無熱量交換，這是一個(gè)理想過程。絕熱壓縮過程氣體的狀態(tài)這是一個(gè)理想過程。絕熱壓縮過程氣體的狀態(tài)變化方程式為：變化方程式為： 在絕熱壓縮過程的壓縮功為在絕熱壓縮過程的壓縮功為：kddksskpppskspp11

30、111kksdssppsksppadpppkkdpppdpHdsdsadH 因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?所以所以ksddspp1sdsdsdTTppkksdsdppTT1sdkksdssadTTRkkpppkkH1111絕熱過程的壓縮功絕熱過程的壓縮功 3.3.多變壓縮功多變壓縮功 多變壓縮過程中存在能量損失，氣體與外多變壓縮過程中存在能量損失，氣體與外界存在有熱交換或無熱交換。多變過程的氣體界存在有熱交換或無熱交換。多變過程的氣體狀態(tài)變化方獲式與絕熱過程的相似，即：狀態(tài)變化方獲式與絕熱過程的相似，即： 因此，在多變壓縮過程的壓縮功為：因此，在多變壓縮過程的壓縮功為：mddmssmpppsdmmsdsspp

31、smspppolTTRmmpppmmdpppdpHdsds11111polH多變壓縮過程的壓縮功多變壓縮過程的壓縮功 六、級效率六、級效率 衡量外功用來使氣體壓力升高并克服損失衡量外功用來使氣體壓力升高并克服損失的能頭，稱為可用能，即的能頭，稱為可用能，即 在可用能頭中，真正用于壓縮氣體的能頭所占在可用能頭中，真正用于壓縮氣體的能頭所占可用能頭的比例稱為級效率。即可用能頭的比例稱為級效率。即222sdtotppccHdpds222sdtotccH 1.1.多變級效率多變級效率 在離心壓縮機(jī)中，氣體在級中的實(shí)際壓縮在離心壓縮機(jī)中，氣體在級中的實(shí)際壓縮過程一般可用多變過程來表示。多變壓縮過程過程一

32、般可用多變過程來表示。多變壓縮過程的多變級級效率為：的多變級級效率為： 一般壓壓縮機(jī)的多變級效率一般壓壓縮機(jī)的多變級效率 。pol1111222kkmmTTRkkTTRmmccHHsdsdsdtotpolpol84. 07 . 0pol 氣體在級中流動時(shí)，不僅沒有對外傳熱氣體在級中流動時(shí)，不僅沒有對外傳熱(q(q0)0)，反而將所有損失消耗的能頭，反而將所有損失消耗的能頭hios又以熱又以熱量的形式傳給了氣體。因此，在離心壓縮機(jī)中量的形式傳給了氣體。因此，在離心壓縮機(jī)中氣體壓縮過程的多變壓縮指數(shù)氣體壓縮過程的多變壓縮指數(shù)m m大于絕熱壓縮大于絕熱壓縮過程指數(shù)過程指數(shù)k k。故級的多變效率總是小

33、于。故級的多變效率總是小于l l。mmsdsdppTT1sdsdpolTTppkkkkmmlnln111 2 2絕熱效率絕熱效率 絕熱效率是指級中氣體由壓力絕熱效率是指級中氣體由壓力p ps s經(jīng)絕熱壓經(jīng)絕熱壓縮升至縮升至p pd d時(shí)的壓縮功與可用能頭之比，即時(shí)的壓縮功與可用能頭之比，即: :adsdsdsdsdsdtotadadTTTTTTRkkTTRkkccHH11222 絕熱過程與外界無熱交換且無損失的理想絕熱過程與外界無熱交換且無損失的理想過程。因此它的壓縮終溫小于多變過程壓縮終過程。因此它的壓縮終溫小于多變過程壓縮終溫。而多變過程的壓縮功大于絕熱過程的壓縮溫。而多變過程的壓縮功大于

34、絕熱過程的壓縮功。在同一級中，功。在同一級中， 總大于總大于 ，兩者差值愈，兩者差值愈小，表示級中能量損失愈小，所以經(jīng)常以此來小，表示級中能量損失愈小，所以經(jīng)常以此來評價(jià)級中的損失。評價(jià)級中的損失。polad 3 3等溫效率等溫效率 等溫效率是指級中氣體由等溫效率是指級中氣體由p ps s等溫壓縮至等溫壓縮至p pd d時(shí)時(shí)的等溫壓縮功與級中可用能頭之比，即：的等溫壓縮功與級中可用能頭之比，即： 在有冷卻的壓縮機(jī)中，常采用等溫效率來衡量在有冷卻的壓縮機(jī)中，常采用等溫效率來衡量機(jī)器冷卻的好壞。若實(shí)際多變過程愈接近等溫機(jī)器冷卻的好壞。若實(shí)際多變過程愈接近等溫過程，則等溫效率就越高。過程，則等溫效率

35、就越高。 is2ln22222sdtotsdssdtotisisccHppTccHH 4 4流動效率流動效率 流動效率是級的多變壓縮功與葉輪對氣體流動效率是級的多變壓縮功與葉輪對氣體作功所獲得的理論能頭之比，即：作功所獲得的理論能頭之比，即： 流動效率反映了氣體在級的各元件中流動時(shí)流流動效率反映了氣體在級的各元件中流動時(shí)流動阻力損失的大小。動阻力損失的大小。hydThydThydsdThydsdTTpolhydHhHhccHhccHHH12122222 為多變能頭系數(shù)。在圓周速度為多變能頭系數(shù)。在圓周速度u u2 2相同的條相同的條件下，可以用多變能頭系數(shù)件下，可以用多變能頭系數(shù) 來表示壓縮機(jī)

36、來表示壓縮機(jī)級多變壓縮功的大小，一般級多變壓縮功的大小，一般 。由。由此可以估算級的多變能頭，已知總壓力比時(shí)，此可以估算級的多變能頭，已知總壓力比時(shí)，便能確定壓縮機(jī)需要的級數(shù)。便能確定壓縮機(jī)需要的級數(shù)。22222uuHHpoluhydThydpolpol7 . 045. 0pol 七、級中氣體狀態(tài)參數(shù)的變化七、級中氣體狀態(tài)參數(shù)的變化 1 1級中氣體溫度的變化級中氣體溫度的變化 流動的氣體，它所具有的總能量為：流動的氣體，它所具有的總能量為： 氣體的總能量決定于氣體的狀態(tài)參數(shù)溫度與速氣體的總能量決定于氣體的狀態(tài)參數(shù)溫度與速度度。221cTcp 當(dāng)氣流對外界無熱交換當(dāng)氣流對外界無熱交換( (但可以

37、有損失但可以有損失) )，其速，其速度被滯止到零時(shí)，此氣流的溫度叫滯止溫度度被滯止到零時(shí)，此氣流的溫度叫滯止溫度( (又稱總溫又稱總溫) )，以，以T Tstst表示，它也是氣體的一個(gè)狀表示，它也是氣體的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，有：態(tài)參數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，有： 于是，熱焓方程式可寫成：于是，熱焓方程式可寫成：stppTccTc221 astbstastpbstpababpabiiTcTcccTTcH2221 上式表明，氣體滯止溫度或滯止焓增加，就上式表明，氣體滯止溫度或滯止焓增加，就說明外界必然有能量加給氣體。氣體在葉輪說明外界必然有能量加給氣體。氣體在葉輪葉道中流動時(shí)，葉輪對氣體作

38、功，因此它的葉道中流動時(shí)，葉輪對氣體作功，因此它的滯止溫度是增加的。任意截面滯止溫度是增加的。任意截面i的溫度滿足的溫度滿足:222121istiipstiickRkTccTT 但是，在絕能流動中，氣體與外界無能量交但是，在絕能流動中，氣體與外界無能量交換，即氣體總能量不變。也就是說，在絕能換，即氣體總能量不變。也就是說，在絕能流動中，氣體的滯止溫度或滯止焓是常數(shù)。流動中，氣體的滯止溫度或滯止焓是常數(shù)。因此，在氣流流出葉輪后，有：因此，在氣流流出葉輪后，有： 在氣流流進(jìn)葉輪前，有：在氣流流進(jìn)葉輪前，有：dstpiipTccTc221sstpiipTccTc221 2 2級中氣流壓力和比容的變化

39、級中氣流壓力和比容的變化 當(dāng)氣體流經(jīng)壓縮機(jī)級的不同元件時(shí)，由于流當(dāng)氣體流經(jīng)壓縮機(jī)級的不同元件時(shí)，由于流動狀態(tài)各不相同，在這些元件中氣體多變過程動狀態(tài)各不相同，在這些元件中氣體多變過程的多變指數(shù)是不相同的。即使同一元件中，過的多變指數(shù)是不相同的。即使同一元件中，過程的多變指數(shù)也是變化的。但目前通常在計(jì)算程的多變指數(shù)也是變化的。但目前通常在計(jì)算級的各截面上氣體的壓力和比容時(shí)，一般把整級的各截面上氣體的壓力和比容時(shí)，一般把整個(gè)級中的氣體狀態(tài)參數(shù)的變化，看作是按照同個(gè)級中的氣體狀態(tài)參數(shù)的變化，看作是按照同一個(gè)多變過程，即用同一個(gè)平均多變指數(shù)一個(gè)多變過程，即用同一個(gè)平均多變指數(shù)m m來來進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)

40、算。 設(shè)設(shè) 11mmsisimmsisiTTppppTTisiTTT1111mmsimmsismmsisiTTTTTTTpp11mmsisiTTpp111111msidimsimsimmsisiTTTTppTTpp11111msiismsiisTTTT111msisiTT 級中葉輪對氣體所做的總功，不可能全布級中葉輪對氣體所做的總功，不可能全布變?yōu)橛杏玫哪芰?，而有一部分損耗掉。壓縮機(jī)變?yōu)橛杏玫哪芰?，而有一部分損耗掉。壓縮機(jī)級中損耗的能量包括流動損失、輪阻損失和內(nèi)級中損耗的能量包括流動損失、輪阻損失和內(nèi)漏氣損失。這里重點(diǎn)探討流動損失和波阻損失。漏氣損失。這里重點(diǎn)探討流動損失和波阻損失。流動損失大

41、致分為摩擦損失、分離損失、二次流動損失大致分為摩擦損失、分離損失、二次流損失、尾跡損失。波阻損失主要是由于氣流流損失、尾跡損失。波阻損失主要是由于氣流速度超過音速后產(chǎn)生激波所引起。速度超過音速后產(chǎn)生激波所引起。 一、流動損失一、流動損失 1.1.摩擦損失摩擦損失 當(dāng)氣體經(jīng)過壓縮機(jī)級的通流部分時(shí)，由于當(dāng)氣體經(jīng)過壓縮機(jī)級的通流部分時(shí)，由于粘性的存在，在壁面附近的地方，流速最?。徽承缘拇嬖?，在壁面附近的地方，流速最?。辉谥虚g部分的主流中，流速最大。這樣由于層在中間部分的主流中，流速最大。這樣由于層與層之間的速度不同，產(chǎn)生摩擦，流動的氣流與層之間的速度不同，產(chǎn)生摩擦，流動的氣流與流道壁面也發(fā)生摩擦，這

42、種摩擦使氣流的一與流道壁面也發(fā)生摩擦，這種摩擦使氣流的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋２糠帜芰哭D(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?2.2.分離損失分離損失 在邊界層中，沿其厚度在邊界層中，沿其厚度方向流體速度急方向流體速度急劇變化，嚴(yán)重地影響著流動中的能量損失。此劇變化，嚴(yán)重地影響著流動中的能量損失。此外，在流道中還常常會發(fā)生邊界層增厚，進(jìn)而外，在流道中還常常會發(fā)生邊界層增厚，進(jìn)而邊界層與流通壁面脫離，甚至在接近壁面的邊邊界層與流通壁面脫離，甚至在接近壁面的邊界層氣流中產(chǎn)生反向流動的旋渦，引起很大的界層氣流中產(chǎn)生反向流動的旋渦，引起很大的能量損失。這種現(xiàn)象稱為邊界層分離，由其產(chǎn)能量損失。這種現(xiàn)象稱為邊界層分離，由其產(chǎn)生的能量

43、損失稱為分離損失。生的能量損失稱為分離損失。 在離心壓縮機(jī)中，有很多減速擴(kuò)壓的流道，在離心壓縮機(jī)中，有很多減速擴(kuò)壓的流道，就可能出現(xiàn)邊界層分離。產(chǎn)生旋渦，引起很大就可能出現(xiàn)邊界層分離。產(chǎn)生旋渦，引起很大的能量損失（分離損失）。同時(shí)因邊界層增厚的能量損失（分離損失）。同時(shí)因邊界層增厚及分離，使主氣流的實(shí)際通流截面減小，達(dá)不及分離，使主氣流的實(shí)際通流截面減小，達(dá)不到原設(shè)計(jì)的擴(kuò)壓目的，惡化了級中氣體的流動。到原設(shè)計(jì)的擴(kuò)壓目的，惡化了級中氣體的流動。 實(shí)踐證明，流道形狀對邊界層分離影響最實(shí)踐證明，流道形狀對邊界層分離影響最大，如流道擴(kuò)壓程度很大，截面突然變化；急大，如流道擴(kuò)壓程度很大，截面突然變化；急

44、劇彎曲等。劇彎曲等。一般要求當(dāng)量擴(kuò)張角小于一般要求當(dāng)量擴(kuò)張角小于6070葉輪流道中邊界層分離大多發(fā)生在非工作面，葉輪流道中邊界層分離大多發(fā)生在非工作面，特別是接近葉輪出口處。特別是接近葉輪出口處。 粘性流體在沿主流方向流動時(shí)，在壓力下粘性流體在沿主流方向流動時(shí)，在壓力下降區(qū)降區(qū)(加速降壓加速降壓) 內(nèi)流動時(shí)，不會出現(xiàn)邊界層分內(nèi)流動時(shí)，不會出現(xiàn)邊界層分離。在壓力升高區(qū)（減速擴(kuò)壓）內(nèi)流動才有可離。在壓力升高區(qū)（減速擴(kuò)壓）內(nèi)流動才有可能出現(xiàn)分離，形成旋渦。能出現(xiàn)分離，形成旋渦。 3. 3.二次渦流損失二次渦流損失 與主氣流方向相垂直的流動，稱之為二次與主氣流方向相垂直的流動，稱之為二次渦流。它干擾了

45、主氣流的流動，并造成能量損渦流。它干擾了主氣流的流動，并造成能量損失。由于二次渦流的存在，工作面?zhèn)纫蜓a(bǔ)充了失。由于二次渦流的存在，工作面?zhèn)纫蜓a(bǔ)充了新的具有較大動能的氣流，而使其邊界層減薄，新的具有較大動能的氣流，而使其邊界層減薄，而非工作面?zhèn)葎t相反，邊界層增厚更加速了邊而非工作面?zhèn)葎t相反，邊界層增厚更加速了邊界層分離。界層分離。 4. 4.尾跡損失尾跡損失 尾跡的產(chǎn)生是由于葉片有一定的厚度，當(dāng)尾跡的產(chǎn)生是由于葉片有一定的厚度，當(dāng)氣流從葉片流道中流出葉輪時(shí)，通流截面突然氣流從葉片流道中流出葉輪時(shí)，通流截面突然擴(kuò)大，而在葉片尾部形成了充滿旋渦的氣流，擴(kuò)大，而在葉片尾部形成了充滿旋渦的氣流，稱為尾跡

46、，由此而產(chǎn)生的能量損失稱為尾跡損稱為尾跡，由此而產(chǎn)生的能量損失稱為尾跡損失。尾跡損失與葉道出口處氣速、葉片尾部厚失。尾跡損失與葉道出口處氣速、葉片尾部厚度及邊界層流態(tài)有關(guān)。度及邊界層流態(tài)有關(guān)。 采用翼形葉片代替等厚度葉片，可大大減采用翼形葉片代替等厚度葉片，可大大減小尾跡損失。若用等厚度葉片時(shí)，削薄葉輪出小尾跡損失。若用等厚度葉片時(shí)，削薄葉輪出口處葉片厚度，也是減小尾跡損失的一個(gè)有效口處葉片厚度，也是減小尾跡損失的一個(gè)有效方法。某實(shí)驗(yàn)證明，削薄后級多變效率小，可方法。某實(shí)驗(yàn)證明，削薄后級多變效率小，可提高提高2 2。二、馬赫數(shù)二、馬赫數(shù)M M對能量損失的影響對能量損失的影響 1.1.馬赫數(shù)馬赫

47、數(shù)M M 流場中任一點(diǎn)處的氣流速度與該點(diǎn)氣溫下的流場中任一點(diǎn)處的氣流速度與該點(diǎn)氣溫下的音速音速a a之比，稱為該點(diǎn)氣流的馬赫數(shù)之比，稱為該點(diǎn)氣流的馬赫數(shù)M M ，即，即acM 在一般情況下，由于音波在氣體中推進(jìn)時(shí)在一般情況下，由于音波在氣體中推進(jìn)時(shí)氣體狀態(tài)的變化非常微小，故可以認(rèn)為氣體的氣體狀態(tài)的變化非常微小，故可以認(rèn)為氣體的熵是個(gè)定值，因而可將音波的傳播過程視為等熵是個(gè)定值，因而可將音波的傳播過程視為等熵絕熱過程。音速由下式計(jì)算熵絕熱過程。音速由下式計(jì)算:ddpa kpCkddpCpCpkkk1kRTkpa 在絕能的過程中，氣體的總能不變。根據(jù)伯努在絕能的過程中，氣體的總能不變。根據(jù)伯努方程

48、，有：方程，有： 因此因此kRTcMkRTcM22ddpdcdcdpcdccdcdp0dcdcacadcdc222cdcdacM222 當(dāng)當(dāng)M0.3時(shí)，就必須考慮密時(shí)，就必須考慮密度的變化，即必須考慮氣流的可壓縮性了，否度的變化，即必須考慮氣流的可壓縮性了，否則會造成很大的誤差。也就是說，氣體的可壓則會造成很大的誤差。也就是說，氣體的可壓縮性只有在高速時(shí)才明顯地顯示出來?？s性只有在高速時(shí)才明顯地顯示出來。 2 2激波和波阻損失激波和波阻損失 亞音速和超音速氣流有根本差別，即在亞亞音速和超音速氣流有根本差別，即在亞音速音速(M(M1)1)中，擾動的效應(yīng)雖然隨距離的增加中，擾動的效應(yīng)雖然隨距離的增

49、加而減弱，但它能到達(dá)物體周圍空間的任意點(diǎn)。而減弱，但它能到達(dá)物體周圍空間的任意點(diǎn)。而在超音速而在超音速(M(M1)1)氣流中，擾動的效應(yīng)只能在氣流中，擾動的效應(yīng)只能在馬赫錐內(nèi)起作用，錐前的氣流是不受影響的。馬赫錐內(nèi)起作用，錐前的氣流是不受影響的。 當(dāng)超音速氣流當(dāng)超音速氣流擾擾物體流動時(shí)，強(qiáng)擾動的波物體流動時(shí)，強(qiáng)擾動的波峰表面上將會有很大的壓力及密度的突然變化，峰表面上將會有很大的壓力及密度的突然變化，即在流場中往往出現(xiàn)突躍的壓縮波。氣流通過即在流場中往往出現(xiàn)突躍的壓縮波。氣流通過這種壓縮波時(shí)，壓力、溫度、密度都突躍地升這種壓縮波時(shí)，壓力、溫度、密度都突躍地升高，速度則突躍地下降，氣流受到突然的

50、壓縮。高，速度則突躍地下降，氣流受到突然的壓縮。這種突躍壓縮波叫激波。超音速氣流被壓縮時(shí)，這種突躍壓縮波叫激波。超音速氣流被壓縮時(shí)，一般都會產(chǎn)生激波。所以激波是超音速氣流中一般都會產(chǎn)生激波。所以激波是超音速氣流中的重要現(xiàn)象。的重要現(xiàn)象。 因?yàn)闅饬魍ㄟ^激波時(shí)，有不連續(xù)的壓力、因?yàn)闅饬魍ㄟ^激波時(shí)，有不連續(xù)的壓力、密度、溫度及速度的突躍，因此從熱力學(xué)觀點(diǎn)密度、溫度及速度的突躍，因此從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析，這是一個(gè)不可逆過程，有很大的能量損分析，這是一個(gè)不可逆過程，有很大的能量損失。同時(shí)由于激波波面壓力的突增，大大加速失。同時(shí)由于激波波面壓力的突增，大大加速了邊界層分離，引起更大的能量損失。由激波了邊界層分

51、離，引起更大的能量損失。由激波引起的這些能量損失的總和稱為波阻損失。引起的這些能量損失的總和稱為波阻損失。 3 3馬赫數(shù)對離心壓縮機(jī)級中能量損失的影響馬赫數(shù)對離心壓縮機(jī)級中能量損失的影響 在離心壓縮機(jī)的葉道中，靠近進(jìn)口附近氣在離心壓縮機(jī)的葉道中，靠近進(jìn)口附近氣流速度較大，容易出現(xiàn)局部流速達(dá)到音速，并流速度較大，容易出現(xiàn)局部流速達(dá)到音速，并會產(chǎn)生激波，引起較大的波阻能量損失。因此，會產(chǎn)生激波，引起較大的波阻能量損失。因此，對離心壓縮機(jī)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在一般情況下，在對離心壓縮機(jī)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在一般情況下，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)要求氣流進(jìn)入葉輪流道的馬赫數(shù)小設(shè)計(jì)工況點(diǎn)要求氣流進(jìn)入葉輪流道的馬赫數(shù)小于于0.750.

52、750.850.85。 在一般情況下，壓縮機(jī)級的工作狀況是在一般情況下，壓縮機(jī)級的工作狀況是由進(jìn)口流量由進(jìn)口流量Q Qs s、進(jìn)氣壓、進(jìn)氣壓力力p ps s、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣溫度T Ts s以及以及工作轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速n n等四個(gè)參數(shù)決定的。壓縮機(jī)級的性等四個(gè)參數(shù)決定的。壓縮機(jī)級的性能是指進(jìn)氣狀態(tài)一定和轉(zhuǎn)速不變的條件下，級能是指進(jìn)氣狀態(tài)一定和轉(zhuǎn)速不變的條件下，級的壓力比、多變效率、功率隨該級進(jìn)氣量變化的壓力比、多變效率、功率隨該級進(jìn)氣量變化的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。一、壓力比與流量間的關(guān)系曲線一、壓力比與流量間的關(guān)系曲線 壓力比是指葉輪出口壓強(qiáng)與進(jìn)口壓強(qiáng)之比，壓力比是指葉輪出口壓強(qiáng)與進(jìn)口壓強(qiáng)之比，即：

53、即： 在多變過程中，已知壓縮功為：在多變過程中，已知壓縮功為：sdpp111mmsdspolppRTmmH 根據(jù)伯努方程，在忽略級進(jìn)出口動能差時(shí)，得：根據(jù)伯努方程，在忽略級進(jìn)出口動能差時(shí)，得： 故：故： 由于有效能頭為：由于有效能頭為：hydTpolhHHAArTzctgucuH222222sin1spolmmpolssdRTHHmRTmpp1111shydTsdRThHpp1 可見，有效能頭與流量呈線性關(guān)系?？梢姡行茴^與流量呈線性關(guān)系。Hhyd包括包括沿程損失和沖擊損失，它們與流量呈二次方關(guān)沿程損失和沖擊損失，它們與流量呈二次方關(guān)系。所以，系。所以，壓力比與流量的關(guān)系曲線為壓力比與流量的

54、關(guān)系曲線為拋物線，拋物線，一般用進(jìn)口流量與一般用進(jìn)口流量與壓力比的關(guān)系反映壓力比與壓力比的關(guān)系反映壓力比與流量的關(guān)系，即流量的關(guān)系，即Q Qs s曲線。曲線。 Q Qs s曲線的曲線的特特點(diǎn)是隨進(jìn)口流量增加，點(diǎn)是隨進(jìn)口流量增加，壓力比減小壓力比減小。sdsdQQ2222bDQcdr 二、二、 效率曲線效率曲線Q Qs s 目前離心壓縮機(jī)級的性能曲線，還不能用目前離心壓縮機(jī)級的性能曲線，還不能用理論計(jì)算的方法準(zhǔn)確地得到，只能在一定的轉(zhuǎn)理論計(jì)算的方法準(zhǔn)確地得到，只能在一定的轉(zhuǎn)速、一定的介質(zhì)下，對壓縮機(jī)級逐點(diǎn)實(shí)際測試，速、一定的介質(zhì)下，對壓縮機(jī)級逐點(diǎn)實(shí)際測試，得出性能曲線。得出性能曲線。 三、喘振工

55、況三、喘振工況 離心式壓縮機(jī)級的性能曲線不能達(dá)到離心式壓縮機(jī)級的性能曲線不能達(dá)到Q Qs s =0=0的點(diǎn)。當(dāng)流量減小到某一值的點(diǎn)。當(dāng)流量減小到某一值( (稱為最小流量稱為最小流量Q Qminmin) )時(shí)，離心壓縮機(jī)就不能穩(wěn)定工作，發(fā)生強(qiáng)時(shí)，離心壓縮機(jī)就不能穩(wěn)定工作，發(fā)生強(qiáng)烈振動及噪音，這種不穩(wěn)定工況稱為烈振動及噪音，這種不穩(wěn)定工況稱為“喘振工喘振工況況”，這一流量極限，這一流量極限Q Qminmin 稱為稱為“喘振流量喘振流量”。壓縮機(jī)性能曲線的左端只能到壓縮機(jī)性能曲線的左端只能到Q Qminmin ，流量不能，流量不能再減小了。再減小了。 四、堵塞工況四、堵塞工況 流量大，摩擦損失及沖擊

56、損失也大。當(dāng)流流量大，摩擦損失及沖擊損失也大。當(dāng)流量達(dá)到某最大值量達(dá)到某最大值Q Qmaxmax時(shí)，氣體獲得的理論能頭時(shí)，氣體獲得的理論能頭H HT T全部消耗在流動損失上，使級中氣體壓力得全部消耗在流動損失上，使級中氣體壓力得不到提高。同時(shí)，邊界層的分離使葉道喉部實(shí)不到提高。同時(shí)，邊界層的分離使葉道喉部實(shí)際過流面積減小，葉道喉部截面上的氣速達(dá)到際過流面積減小，葉道喉部截面上的氣速達(dá)到音速，這時(shí)稱為堵塞工況，出現(xiàn)激波損失。所音速，這時(shí)稱為堵塞工況，出現(xiàn)激波損失。所以壓縮機(jī)級性能曲線右端只能到以壓縮機(jī)級性能曲線右端只能到Q Qmaxmax。 五、穩(wěn)定工況區(qū)五、穩(wěn)定工況區(qū) 在性能曲線上，喘振工況與

57、堵塞工況之間在性能曲線上，喘振工況與堵塞工況之間的區(qū)域稱為穩(wěn)定工況區(qū)。常用下式：的區(qū)域稱為穩(wěn)定工況區(qū)。常用下式： 衡量一個(gè)級性能的好壞，不僅要求在設(shè)計(jì)流量衡量一個(gè)級性能的好壞，不僅要求在設(shè)計(jì)流量下有最高的效率和較高的壓力比，還要有較寬下有最高的效率和較高的壓力比，還要有較寬的穩(wěn)定工作范圍。的穩(wěn)定工作范圍。minmaxQQkQ一、級數(shù)對壓縮機(jī)性能的影響一、級數(shù)對壓縮機(jī)性能的影響 以兩級串聯(lián)為例進(jìn)行分析壓縮機(jī)的性能曲以兩級串聯(lián)為例進(jìn)行分析壓縮機(jī)的性能曲線。性能曲線的橫坐標(biāo)為各級吸氣狀態(tài)下的氣線。性能曲線的橫坐標(biāo)為各級吸氣狀態(tài)下的氣流流量流流量Qs，對于兩級串聯(lián)時(shí)，第，對于兩級串聯(lián)時(shí)，第I級的進(jìn)氣量

58、級的進(jìn)氣量為：為： 第第級的進(jìn)氣量級的進(jìn)氣量為：為：ssspRTmmQssspRTmmQ 由于兩級串聯(lián)，根據(jù)質(zhì)量守恒方程，有：由于兩級串聯(lián)，根據(jù)質(zhì)量守恒方程，有： 兩級串聯(lián)后的壓力比為：兩級串聯(lián)后的壓力比為：ssssssssQTTppQTpQTpQsdsssdsdpppppppp 1.1.級串聯(lián)級串聯(lián)對最小工作流量的影響對最小工作流量的影響 經(jīng)過第經(jīng)過第級壓縮后，氣體的密度增大，體級壓縮后，氣體的密度增大，體積流量減小。若兩級最小流量相同，那么當(dāng)兩積流量減小。若兩級最小流量相同，那么當(dāng)兩級級串聯(lián)后，第串聯(lián)后，第級容易出現(xiàn)喘振。因此，為了級容易出現(xiàn)喘振。因此，為了防止第防止第級發(fā)生喘振，必須使第

59、級發(fā)生喘振，必須使第級最小工作級最小工作流量增大，也就是說比單級時(shí)向右移了。流量增大，也就是說比單級時(shí)向右移了。sdsdQQsdsdQQsdsdQQ， 2. 2.級串聯(lián)對最大工作流量的影響級串聯(lián)對最大工作流量的影響 為了防止第為了防止第級發(fā)生喘振，使第級發(fā)生喘振，使第級最小級最小工作流量增大，壓力比降低，葉輪對氣體所作工作流量增大，壓力比降低，葉輪對氣體所作的功大部分成為能量損失，使第的功大部分成為能量損失，使第級進(jìn)氣溫度級進(jìn)氣溫度很高，有可能出現(xiàn)：很高，有可能出現(xiàn)： 導(dǎo)致第導(dǎo)致第級堵塞流量級堵塞流量Q Qmaxmax減小，穩(wěn)定工況區(qū)變減小，穩(wěn)定工況區(qū)變窄。窄。1ssssTTppQQssssQ

60、TTppQ 二、轉(zhuǎn)速變化對壓縮機(jī)性能曲線的影響二、轉(zhuǎn)速變化對壓縮機(jī)性能曲線的影響 當(dāng)轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速n增大時(shí)，增大時(shí)，u2變大，相應(yīng)變大，相應(yīng)HT增大，增大，Hpot也增加，壓縮機(jī)的壓力比顯著增加。壓力也增加，壓縮機(jī)的壓力比顯著增加。壓力比顯著增加，導(dǎo)致第比顯著增加，導(dǎo)致第級工作最小流量越小，級工作最小流量越小，越容易出現(xiàn)喘振。越容易出現(xiàn)喘振。 因此，曲線向右上方移動。因此，曲線向右上方移動。一、壓縮機(jī)相似應(yīng)具備的條件一、壓縮機(jī)相似應(yīng)具備的條件 對離心壓縮機(jī)來說，如果保持模型機(jī)與原對離心壓縮機(jī)來說，如果保持模型機(jī)與原型機(jī)的流動過程相似，則它們之間所有對應(yīng)的型機(jī)的流動過程相似，則它們之間所有對應(yīng)的熱力

61、參數(shù)、氣動參數(shù)和幾何參數(shù)之比為常數(shù)，熱力參數(shù)、氣動參數(shù)和幾何參數(shù)之比為常數(shù)，對應(yīng)的效率、損失系數(shù)都相等。對應(yīng)的效率、損失系數(shù)都相等。 1.幾何相似幾何相似 兩機(jī)對應(yīng)的通流部分的幾何形狀相似。即：兩機(jī)對應(yīng)的通流部分的幾何形狀相似。即：LDDbbbbDDDD2211221122112211,AAAAZZ 2 2進(jìn)口運(yùn)動相似進(jìn)口運(yùn)動相似 進(jìn)口運(yùn)動相似，主要是指葉道進(jìn)口處的速進(jìn)口運(yùn)動相似，主要是指葉道進(jìn)口處的速度三角形相似。這時(shí)，有：度三角形相似。這時(shí)，有： uwwccuu1111111111, 3 3對應(yīng)的馬赫數(shù)相等對應(yīng)的馬赫數(shù)相等 對于壓縮機(jī)來說，由于氣體介質(zhì)的可壓縮對于壓縮機(jī)來說，由于氣體介質(zhì)的

62、可壓縮性，只有兩機(jī)的幾何相似和進(jìn)口運(yùn)動相似，并性，只有兩機(jī)的幾何相似和進(jìn)口運(yùn)動相似，并不能保證其它對應(yīng)截面上流動相似。因?yàn)闅怏w不能保證其它對應(yīng)截面上流動相似。因?yàn)闅怏w在壓縮過程中，氣流參數(shù)的變化受到氣體可壓在壓縮過程中，氣流參數(shù)的變化受到氣體可壓縮性的影響，并且隨著馬赫數(shù)的增大，其影響縮性的影響，并且隨著馬赫數(shù)的增大，其影響更加顯著。因此馬赫數(shù)對應(yīng)相等是保證壓縮過更加顯著。因此馬赫數(shù)對應(yīng)相等是保證壓縮過程流動相似的重要條件。程流動相似的重要條件。 對兩個(gè)幾何相似的靜止流道，設(shè)原型機(jī)對兩個(gè)幾何相似的靜止流道，設(shè)原型機(jī)1 1一一l l截面為流道的進(jìn)口截面，如氣體與外界無截面為流道的進(jìn)口截面，如氣體

63、與外界無熱交換，則熱交換，則1 1l l截面和流道中任一截面的能量截面和流道中任一截面的能量方程式為：方程式為：2211211211cRTkkcRTkk2211121112111kRTckRTkkkRTckRTkk2211211211MkTMkT2211211211MkMkTT同樣可得模型機(jī)流道的溫度比為：同樣可得模型機(jī)流道的溫度比為：2211211211MkMkTT若原型與模型對應(yīng)流通中流過氣體的絕熱指數(shù)若原型與模型對應(yīng)流通中流過氣體的絕熱指數(shù)相等，則當(dāng)相等，則當(dāng) 和和 ，時(shí)，有，時(shí)，有：11MM 11TTTTMM 4對應(yīng)的雷諾數(shù)相等對應(yīng)的雷諾數(shù)相等 雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re是決定流體流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)

64、，要是決定流體流動狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)，要求求Re對應(yīng)相等是為了保持兩個(gè)流動的摩擦阻力對應(yīng)相等是為了保持兩個(gè)流動的摩擦阻力系數(shù)相等。在離心壓縮機(jī)中，通常氣流的雷諾系數(shù)相等。在離心壓縮機(jī)中，通常氣流的雷諾數(shù)比較大，摩擦阻力系數(shù)基本上不隨流速變化數(shù)比較大，摩擦阻力系數(shù)基本上不隨流速變化而改變，故通常不考慮對應(yīng)雷諾數(shù)相等的要求。而改變，故通常不考慮對應(yīng)雷諾數(shù)相等的要求。 5 5氣體絕熱指數(shù)相等氣體絕熱指數(shù)相等 要保持兩機(jī)的流動過程相似，氣體的絕熱要保持兩機(jī)的流動過程相似，氣體的絕熱指數(shù)必須相等。指數(shù)必須相等。 二、離心壓縮機(jī)的相似換算與相似設(shè)計(jì)二、離心壓縮機(jī)的相似換算與相似設(shè)計(jì) 相似原理在離心壓縮機(jī)中主要用于

65、兩個(gè)方面：相似原理在離心壓縮機(jī)中主要用于兩個(gè)方面：一是相似設(shè)計(jì)；二是相似機(jī)間的性能算，或同一一是相似設(shè)計(jì)；二是相似機(jī)間的性能算，或同一壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)條件與試驗(yàn)條件間的性能換算。壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)條件與試驗(yàn)條件間的性能換算。 1 1完全相似時(shí)的性能換算完全相似時(shí)的性能換算 根據(jù)馬赫數(shù)相等和氣體絕熱指數(shù)相等，有：根據(jù)馬赫數(shù)相等和氣體絕熱指數(shù)相等，有：nRTTRnnRTTRDDnTRDnRTnDTRcRTcL11).轉(zhuǎn)速間的關(guān)系轉(zhuǎn)速間的關(guān)系nTRRTnssL2).流量間的關(guān)系流量間的關(guān)系sssLsLsLrrssQTRRTQnnQnnfcfcQQ233111111質(zhì)量流量間的關(guān)系質(zhì)量流量間的關(guān)系mppRTTR

66、mnnmnnfcfcmmssssLssLssLrsrs233111111 3). 3).壓力比間的關(guān)系壓力比間的關(guān)系 完全相似時(shí)，對應(yīng)壓力比相等，即完全相似時(shí)，對應(yīng)壓力比相等，即: : 4). 4).能頭間的關(guān)系能頭間的關(guān)系 因流動相似時(shí)，有因流動相似時(shí)，有 ， 。根據(jù)多。根據(jù)多變壓縮能頭的表達(dá)式得：變壓縮能頭的表達(dá)式得：mmpolsspolsssdssdspolpolsdsdpotpotHTRRTHRTTRTTRTTTTRHHTTRTTRHH11當(dāng)效率當(dāng)效率 時(shí)，有時(shí)，有polpoltotpolpolHHtotpolpolHH又因又因故：故：poltotsspoltotHTRRTHtotsstotHTRRTH5).5).功率間的關(guān)系功率間的關(guān)系mHNtottotmHNtottottotssssLtotsstottottottottottottottotNppTRRTNmmTRRTNmHmHNmHmHNN21 2 2相似設(shè)計(jì)相似設(shè)計(jì) 相似設(shè)計(jì)時(shí)，采用經(jīng)過實(shí)踐證明具有較高相似設(shè)計(jì)時(shí)，采用經(jīng)過實(shí)踐證明具有較高效率、性能曲線較為平緩、穩(wěn)定工況區(qū)較寬的效率、性能曲線較為平緩、穩(wěn)定工況區(qū)較寬的機(jī)