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　　1、第第3 3章章 离心压缩机离心压缩机3.1 3.1 离心压缩机典型结构与工作原理离心压缩机典型结构与工作原理3.2 3.2 性能、调节与控制性能、调节与控制3.3 3.3 安全可靠性安全可靠性3.4 3.4 选型选型3.1 3.1 离心压缩机典型结构与工作原理离心压缩机典型结构与工作原理3.1.1 离心压缩机的典型结构与特点离心压缩机的典型结构与特点离心压缩机是利用旋转叶轮实现能量转换，使气体主要沿离心压缩机是利用旋转叶轮实现能量转换，使气体主要沿离心方向流动从而提高气体压力的机器离心方向流动从而提高气体压力的机器（1）结构型式：）结构型式：水平剖分型和垂水平剖分型和垂直剖分型。直剖分型。（2

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　　2、）结构组成：）结构组成：机壳，转子，定机壳，转子，定子，以及辅助系子，以及辅助系统。统。3.1.1.1 离心压缩机的典型结构离心压缩机的典型结构垂直剖分型结构垂直剖分型结构高压圆筒型和竖直剖高压圆筒型和竖直剖分型分型压缩机装置系统图压缩机装置系统图3.1.1.2 3.1.1.2 级的典型结构级的典型结构 级是离心压缩机使气体增压的基本单元，有三种型式，即：级是离心压缩机使气体增压的基本单元，有三种型式，即：首级、中间级、末级。首级、中间级、末级。3.1.1.3 离心叶轮的典型结构离心叶轮的典型结构叶轮是主要的做功元件，它将外界（原动机）的能量传递给气体，使气体叶轮是主要的做功元件，它将外界（原

　　3、动机）的能量传递给气体，使气体增压。增压。叶轮组成及种类：叶轮组成及种类：按叶轮结构型式按叶轮结构型式闭式叶轮闭式叶轮：性能好、效率高；由于轮盖的影响，叶轮圆周速度受到限制。：性能好、效率高；由于轮盖的影响，叶轮圆周速度受到限制。半开式叶轮半开式叶轮：效率较低，强度较高。：效率较低，强度较高。双面进气叶轮双面进气叶轮：适用于大流量，且轴向力平衡好。：适用于大流量，且轴向力平衡好。 按叶轮叶片型式按叶轮叶片型式后弯型叶轮后弯型叶轮：2A 90，级效率高，稳定工作范围宽。，级效率高，稳定工作范围宽。径向型叶轮径向型叶轮： 2A 90 ，性能介于后弯型和前弯型之间。，性能介于后弯型和前弯型之间。 前

　　4、弯型叶轮前弯型叶轮： 2A90，级效率较低，稳定工作范围窄。，级效率较低，稳定工作范围窄。气体在旋转叶轮中的流动与速度三角形气体在旋转叶轮中的流动与速度三角形相对速度（相对速度（w）：与叶片的）：与叶片的切线方向一致。切线方向一致。牵连速度（牵连速度（u）：）：绝对速度（绝对速度（c）：圆周速度与）：圆周速度与相对速度的合成。相对速度的合成。三者之间的关系可以用速三者之间的关系可以用速度三角形表示。度三角形表示。6022nDu3.1.1.4 扩压器的典型结构扩压器的典型结构叶轮出口的气流绝对速度较大，为了提高级的增压比和效叶轮出口的气流绝对速度较大，为了提高级的增压比和效率，设置了扩压器使气流

　　5、降速增压。率，设置了扩压器使气流降速增压。无叶扩压器无叶扩压器：结构简单，级变工况较好，效率高，稳定工作范围宽。：结构简单，级变工况较好，效率高，稳定工作范围宽。叶片扩压器叶片扩压器：结构复杂，变工况性能差，效率较低，稳定工作范围窄。：结构复杂，变工况性能差，效率较低，稳定工作范围窄。工作原理：工作原理：气体流动连续性定律：气体流动连续性定律：得到：得到：降速升压主要依靠加大直径来实现。动能转变为压力能和克服流降速升压主要依靠加大直径来实现。动能转变为压力能和克服流动损失的能量。动损失的能量。33rircDDcconstcbDcbDcbDqrriiiirm44443333constDcDcDc

　　6、uuiiu2224433动量矩守恒定律：动量矩守恒定律：根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：33233233cDDcDDcDDciuirii综合上两式：综合上两式：3.1.1.5 其他结构其他结构弯道：使气流转向发生改变。弯道：使气流转向发生改变。回流器：引导气流无预旋进入下一级。回流器：引导气流无预旋进入下一级。吸入室：引导，使气体均匀进入叶轮。吸入室：引导，使气体均匀进入叶轮。排气蜗壳：收集、引导气体进入排气管道中。排气蜗壳：收集、引导气体进入排气管道中。3.1.1.6 离心压缩机的特点离心压缩机的特点 （1）优点）优点 流量大；流量大； 转速高；转速高； 结构紧凑；结构紧凑； 运转可靠。

　　7、运转可靠。 （2 2）缺点）缺点 单级压力比不高，高压力比所需的级数比活塞式的多。单级压力比不高，高压力比所需的级数比活塞式的多。 由于转速高，流通截面积较大，故不能适用于太小的流量。由于转速高，流通截面积较大，故不能适用于太小的流量。3.1.2 3.1.2 离心压缩机的基本工作原理离心压缩机的基本工作原理3.1.2.1 3.1.2.1 连续方程连续方程（1 1）连续方程的基本表达式）连续方程的基本表达式 constfcqqqqrVVininViim22222气体作定常一元流动，流经机器任意截面的质量流量相等，气体作定常一元流动，流经机器任意截面的质量流量相等，其连续方程表示为：其连续方程表示

　　8、为：方程说明：随着气体在压缩过程中压力不断提高，其密度不方程说明：随着气体在压缩过程中压力不断提高，其密度不断增大，容积流量沿机器不断减小。断增大，容积流量沿机器不断减小。式中：式中：q qm m为质量流量为质量流量 kg/s,qkg/s,qv v为容积流量为容积流量m m3 3/s,/s,为气流密度为气流密度,f ,f 为截为截面面积面面积,c,c2r2r为垂直该截面的法向流速。为垂直该截面的法向流速。（2 2）连续方程在叶轮出口的表达式）连续方程在叶轮出口的表达式 连续方程在叶轮出口处的表达式，反映流量与叶轮几何连续方程在叶轮出口处的表达式，反映流量与叶轮几何尺寸及气流速度的相互关系。尺寸

　　9、及气流速度的相互关系。 0unDbqqrVm式中：式中：D D2 2为叶轮外径为叶轮外径, b, b2 2为叶轮出口处的轴向宽度为叶轮出口处的轴向宽度, , 为叶轮出口的相对为叶轮出口的相对宽度。考虑到叶轮结构的合理性和级效率宽度。考虑到叶轮结构的合理性和级效率, ,通常要求通常要求 。 为叶轮叶轮出口处的流量系数为叶轮叶轮出口处的流量系数, ,它对流量、理论能量头和级效率均它对流量、理论能量头和级效率均有较大的影响，根据经验的选取范围，不同类型叶轮取值不同。有较大的影响，根据经验的选取范围，不同类型叶轮取值不同。2 2为为 叶轮出口的通流系数（或阻塞系数）。叶轮出口的通

　　10、流系数（或阻塞系数）。22Db065.0025.022Db222ucrrAAADZbDZbZbD22sin1sin2sin说明：叶论出口连续方程式常用来校核说明：叶论出口连续方程式常用来校核各级叶轮选取各级叶轮选取 的合理性。的合理性。22Db表示铆接叶轮中连接盘、盖的叶片折表示铆接叶轮中连接盘、盖的叶片折边；无折边的铣制、焊接叶轮，边；无折边的铣制、焊接叶轮，=0。3.1.2.2 3.1.2.2 欧拉方程欧拉方程欧拉方程是用来计算原动机通过轴和叶轮将机械能转换给流体欧拉方程是用来计算原动机通过轴和叶轮将机械能转换给流体的能量，称为叶轮机械的基本方程。由流体力学的动量矩定

　　11、理的能量，称为叶轮机械的基本方程。由流体力学的动量矩定理导出，其表达式：导出，其表达式：1122ucucHLuuthth也可表示为：也可表示为：ccuuHLthth式中式中L Lthth 为叶轮输出的欧拉功为叶轮输出的欧拉功 ，H Hthth为每千克流体所接受的能量称为理论为每千克流体所接受的能量称为理论能量头，单位是能量头，单位是kJ/kgkJ/kg。欧拉方程的物理意义：欧拉方程的物理意义：欧拉方程指出的是叶轮与流体之间的能量转换关系，它遵循欧拉方程指出的是叶轮与流体之间的能量转换关系，它遵循能量转换与守恒定律；能量转换与守恒定律；只要知道叶轮进出口的流体速度，

　　12、即可计算出一千克流体与只要知道叶轮进出口的流体速度，即可计算出一千克流体与叶轮之间机械能转换的大小、而不管叶轮内部的流动情况；叶轮之间机械能转换的大小、而不管叶轮内部的流动情况；该方程适用于任何气体或液体，既适用于叶轮式的压缩机，该方程适用于任何气体或液体，既适用于叶轮式的压缩机，也适用于叶轮式的泵；也适用于叶轮式的泵；推而广之只需将等式右边各项的进出口符号调换一下，亦适推而广之只需将等式右边各项的进出口符号调换一下，亦适用于叶轮式的原动机如汽轮机、燃气轮机等。用于叶轮式的原动机如汽轮机、燃气轮机等。原动机的欧拉方程为原动机的欧拉方程为2211ucucHLuuuu叶片数有限的理论能头：叶片数有

　　13、限的理论能头：轴向旋涡轴向旋涡 液体由于存在惯性力，液体由于存在惯性力，产生轴向涡流，方向与叶轮转动方产生轴向涡流，方向与叶轮转动方向相反。向相反。结果结果 使得相对速度和绝对速度产使得相对速度和绝对速度产生滑移。生滑移。无预旋：无预旋：一般情况下气体是从径向流入叶道入口，简称径向进入叶轮或气一般情况下气体是从径向流入叶道入口，简称径向进入叶轮或气流无预旋进入叶轮。此时流无预旋进入叶轮。此时09011uc，22ucHuth有限多叶片相对速度的分布有限多叶片相对速度的分布工作面一侧相对速度小，非工工作面一侧相对速度小，非工作面一侧相对速度大。作面一侧相对速度大。为此，斯陀道拉提出了计算周向分速的

　　14、半理论半经验公式：为此，斯陀道拉提出了计算周向分速的半理论半经验公式：滑移速度与叶轮结构、叶道中滑移速度与叶轮结构、叶道中流动情况及流体性质有关。流动情况及流体性质有关。滑移系数滑移系数得到有限多叶片的理论能头的计算公式：得到有限多叶片的理论能头的计算公式： 2222222222sin1uZctguucHAAruuth此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本方程式。此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本方程式。说明：说明： 主要与叶轮圆周速度有关、流量系数、叶片主要与叶轮圆周速度有关、流量系数、叶片出口角和叶片数有关。出口角和叶片数有关。式中：式中： 称为理论能量头系数或周速系数。称为理论能量头

　　15、系数或周速系数。 u2thH3.1.2.3 3.1.2.3 能量方程能量方程 能量方程用来计算气流温度（或焓）的增加和速度的变化。能量方程用来计算气流温度（或焓）的增加和速度的变化。根据热力学的能量转换与守恒定律，当气体在根据热力学的能量转换与守恒定律，当气体在级中作稳定流动时，取级中任意两截面级中作稳定流动时，取级中任意两截面a、b间间的系统作为考察对象，则对单位质量气体有：的系统作为考察对象，则对单位质量气体有：000cchhccTTcqLpth能量方程的物理意义：能量方程的物理意义：能量方程是既含有机械能又含有热能的能量转化与守恒方程，它能量方程是既含有机械能又含有

　　16、热能的能量转化与守恒方程，它表示由叶轮所作的机械功，转换为级内气体温度（或焓）的升高和表示由叶轮所作的机械功，转换为级内气体温度（或焓）的升高和动能的增加；动能的增加；该方程对有粘无粘气体都是适用的，因为对有粘气体所引起的能该方程对有粘无粘气体都是适用的，因为对有粘气体所引起的能量损失也以热量形式传递给气体，从而使气体温度（或焓）升高；量损失也以热量形式传递给气体，从而使气体温度（或焓）升高；离心压缩机不从外界吸收热量，而由机壳向外散出的热量与气体离心压缩机不从外界吸收热量，而由机壳向外散出的热量与气体与气体的热焓升高相比较是很小的，故可认为气体在机器内作绝热与气体的热焓升高相比较是很小的，故可认为气体在机器内作绝热流动，其流动，其 q=0q=0；该方程适用任一级，也适用于多级整机或其中任一通流部件，这该方程适用任一级，也适用于多级整机或其中任一通流部件，这由所取的进出口截面而定。由所取的进出口截面而定。 例如对于叶轮而言，能量方程表示为例如对于叶轮而言，能量方程表示为 对于扩压器而言，能量方程表示为对于扩压器而言，能量方程表示为212cchhccTTcHpth2