泵和压缩机

本节重点：1.离心压缩机的主要构件及其作用；2.离心压缩机无预旋理论能头计算；3.叶轮对每公斤有效气体的总耗功Htot、轮阻损失耗功Hdf及内漏气损失耗功Hl以及相应的功率Ndf、Nl的计算4.等温压缩功His、绝热压缩功Had和多变压缩功Hpol计算；5.多变效率ηpol的计算公式；6.多变能头系数φpol与压缩机级多变压缩功关系式；7.离心压缩机级流动损失内容及其产生原因、影响因素；8.课后作业1、2、3题第二章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，离心压缩机是用来压缩空气的，并且只适用于低、中压力和气量很大的场合，但随着石油化工工业的迅速发展，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，其应用范围有了很大提高。尤其近十几年来，在离心压缩机设计、制造方面，不断采用新技术、新结构和新工艺，如采用高压浮环密封结构，较好地解决了高压下的轴端密封，采用多油楔径向轴承及可倾瓦止推轴承，减少了油膜振荡，圆筒形机壳的使用解决了高压气缸的强度和密封性；电蚀加工使小流量下窄流道叶轮的加工得到解决。所有这些，都使离心压缩机的使用范围日益扩大，不仅在石油化工生产中得到广泛的应用，而且在石油气输送中也越来越各的被采用。§2.1离心压缩机的主要构件及工作原理一、离心压缩机的主要构件(1)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)扩压器是离心压缩机中的转能装置。气体从叶轮流出时速度很大，为了将速度能有效的转变为压力能，便在叶轮出口后设置流通截面逐渐扩大的扩压器；(3)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。(4)回流器它的作用是为了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导向叶片。(5)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。§2.1离心压缩机的主要构件及工作原理(6)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。在蜗壳收集气体的过程中，由于蜗壳外径及通流截面的逐渐扩大，因此它也起着降速扩压的作用。除了上述组件外，为减少气体向外泄漏在机壳两端还装有轴封，为减少内部泄漏，在隔板内孔和叶轮轮盘进口外圆面上还分别装有密封转置；为了平衡轴向力，在机器的一端装有平衡盘等。在离心压缩机中，习惯将叶轮与轴的组件称为转子，而将扩压器、弯道、回流器、吸气室和蜗壳等称为固定元件。二、基本工作原理离心压缩机的基本工作原理与离心泵有许多相似处，但气体是可压缩的。§2.1离心压缩机的主要构件及工作原理三、离心压缩机的主要优缺点离心压缩机之所以能获得越来越广泛的应用，主要是由于它具有以下优点：(1)排量大如某油田输气离心压缩机的排气量为510m3/min，年产30万吨合成氨厂中合成气压缩机的排气量达2000～3000m3/h。目前，在产量大于600吨/日的合成氨广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、尺寸小机组占地面积及重量都比同一气量的活塞压缩机小得多。(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。故目前长距离输气、大型石油化工厂用的离心压缩机多为单机运行。§2.1离心压缩机的主要构件及工作原理§2.1离心压缩机的主要构件及工作原理(4)气体不与机器润滑系统的油接触在压缩气体过程中，可以作到绝对不带油，有利于气体进行化学反应。(5)转速较高适宜用工业汽轮机或燃气轮机直接驱动，可以合理而又充分地利用石油化工厂的热能，节约能源。目前，离心压缩机还存在一些缺点：(1)还不适用于气量太小及压力比过高的场合。(2)离心压缩机的效率一般仍低于活塞式压缩机。(3)离心压缩机的稳定工况区较窄。§2.1离心压缩机的主要构件及工作原理气体在级中流动与液体在泵叶轮中流动非常类似，都是沿半径方向流动的，其圆周速度为u，相对速度为w，绝对速度为c。但由于气体与液体性质不同，又使其流动过程有所区别。首先，在常温和常压下，气体与液体的密度相差很大，因此当它们通过叶轮获得同样的能头时，两者的压力升相差很大，其次，气体是可压缩的，在气体压力提高的同时，其他状态参数如比容、温度等都在变化。尤其在高速下，气体的流动更复杂。由于这些区别，不仅要用到欧拉方程和伯努利方程分析流体的流动情况，而且要运用热力学基本方程来分析气体在压缩过程中状态参数的变化，及其对流动的影响。在工程上，为了便于分析研究，常假设级中气体在压缩机的进气状态、排气压力以及转速不变的情况下，认为流道中同一截面上各点的气流参数是均一的，而且在保持稳定工作条件下，气流参数不随时间而变。§2.2气体在级中流动的概念及基本方程一、欧拉方程式在离心泵中推导出的欧拉方程式对离心压缩机也完全适用。在这里，欧拉公式写成kgJcucuHwuT/1122kgJccwwuuHT/222212222212122叶轮对气体作功，使每公斤气体所获得的能量HT，称为理论能头。在离心压缩机中，当设计成气体径向进入叶轮叶道时，即无预旋时，可得§2.2气体在级中流动的概念及基本方程当转子转速和叶轮尺寸一定时，叶轮出口圆周速度u就确定了，因此理论能头HT的确定就取决于正确计算圆周分速度c2u或周速系数φ2u。与离心泵中分析相同，当叶片有限多时，叶道中的气体由于惯性的作用，而产生轴向旋涡运动，使叶道中的气体流动更加复杂。然而，目前还很难从理论上精确计算叶片有限多时叶轮出口处气流的圆周分速度c2u。于是，和离心泵一样，工程上用滑移系数μ来表示轴向旋涡对理论能头的影响。222222222uucucuHuuuT式中φ2u——理论能头系数或周速系数，222ucuu§2.2气体在级中流动的概念及基本方程有关计算滑移系数的公式很多，这里推荐常用于离心压缩机中的斯陀道拉(Stodola)公式，来反映轴向旋涡对圆周分速的影响。uuTTccHH22)sin1(2222222AAruTzctgucuH式中φ2r——流量系数。222ucrrAAruzctguc22222sin1得出无预旋时的理论能头为ArActgucz22221sin1§2.2气体在级中流动的概念及基本方程例题1离心压缩机DA350-61第一级叶轮的外径D2=600mm，叶片出口角β2A=45°，叶片数z=18，流量系数φ2r=0.248，转速n=8600r/min。求叶轮使每公斤气体所获得的理论能头。§2.2气体在级中流动的概念及基本方程smnDu/2.2706086006.06022kgJctgzctguHAArT/85.45892)45sin1845248.01(2.270)sin1(222222二、级的总耗功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两项损失所消耗的功：(1)叶轮的轮盘和轮盖的外表面及轮缘等与周围气体有相对运动，产生摩擦而消耗功，称为轮阻损失功Ldf。根据能量守恒及转换定理，轮阻损失功转变成热量而被气体吸收，从而转化为气体的能量头Hdf(Ldf=Hdf)，(2)由于叶轮轮盖处存在泄漏，有ml(kg/s)的气体从叶轮出口返回到叶轮入口，并且反复循环，把能量白白消耗在轮盖密封处，这项消耗功称为内漏气损失功Ll，它也转变成热量而被气体吸收，进而转化为气体的能量头Hl(Ll=Hl)。这样，叶轮对每公斤有效气体作的总功Ltot为ldfTtotLLLL§2.2气体在级中流动的概念及基本方程同样，气体从叶轮中得到相应的总能头Htot为在离心压缩机级中，叶轮是唯一的作功元件，因此气体从叶轮中获得的能头也就是气体由级中获得的能头。从上面分析可以看出，气体在级中获得的总能头Htot，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气损失消耗的功，以热能形式传给气体，使气体获得能头Hdf+Hl，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，根据能量平衡定律，则L=H，故以后均以符号H来表示功或能头。通过叶轮的有效流量为m(kg/s)，叶片对它作功消耗的理论功率NT(kW)为ldfTtotHHHH1000TTmHN§2.2气体在级中流动的概念及基本方程轮阻损失消耗的功率为Ndf(kW)，内漏气损失消耗的功率为Nl(kW)。由于轮盖处的内漏气，故经过叶道的实际流量为mtot，等于有效流量m和内漏气流量ml之和，即因此，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ltotmmm)10001(10001000dfTlTdfTtotdflTtotNmHmmmHNHmNNNN令为内漏气损失系数；mmll§2.2气体在级中流动的概念及基本方程为轮阻损失系数，其中Ndf可用下式计算TdfdfmHN1000)51()100(23222DeugDKNdfdfβl和βdf两个系数需要计算得到。但在压缩机结构设计之前可根据实践经验先假设其值，待结构设计后再进行验算。一般情况下，取βl+βdf=0.02～0.13。对高压小流量的级取较大值，对低压大流量的级取较小值。叶轮对每公斤有效气体的总耗功Htot、轮阻损失耗功Hdf及内漏气损失耗功Hl以及相应的功率Ndf、Nl可分别表示为)1(1000dflTtotmHN§2.2气体在级中流动的概念及基本方程以上分析说明，每公斤有效气体经过叶轮后，获得了总能头Htot，这将使气体的状态参数发生变化，且这些变化都遵循能量守恒定律。下面将分析以热量形式和机械能形式表示的能量方程式，即热焓方程和伯努利方程，从而进一步了解级中能量的分配及状态参数的变化规律。TdfltotHH)1(1000TdfdfTdfdfmHNHH1000TllTllmHNHH例2（第124页）§2.2气体在级中流动的概念及基本方程三、热焓（焓值）方程式当气体在级中稳定流动时，取级中任意两截面a、b间气体作为开口热力系统，如图所示。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分别为pa、Ta、va及pb、Tb、vb，气流速度分别为ca及cb。根据热力学稳定流动能量方程，对a、b两截面间的每公斤气体有下列方程式式中Hab——每公斤气体在a、b两截面间对外界输出或输入的功，J/kg。在离心压缩机中规定，外界对气体作功时H为正，气体对外界作功时H为负；)(2)(22ababbaababzzgcciiqH§2.2气体在级中流动的概念及基本方程qab——每公斤气体在a、b两截面间对外界输出或输入的热，J/kg。在离心压缩机中规定，外界传给气体热时q为正，气体传给外界热时q为正；ia、ib——每公斤气体分别在a，b截面的焓，J/kg；ca、cb——气体分别在a、b截面的速度，m/s；za、zb——a、b截面时位置高度，m．离心压缩机的焓值方程式可写作：2)(12)(2222222ababababpabababccTTkkRccTTccciiH式中k为气体绝热指数；cp为定压比热。§2.2气体在级中流动的概念及基本方程通过该公式可以求得各截面温度、速度的变化规律。公式中的a、b可取级中任意截面；当a、b截面分别为级的进、出口截面时，公式中的Hab=Htot，一个级的热焓方程式可写为2)(12)(2222sdsdsdsdptotccTTkkRccTTcH式中Htot——级的总能头，J/kg；Ts、Td——分别为级进、出口处气体的实际温度，K；cs、cd——分别为级进、出口处气体速度，m/s，R——气体常数，J/kg·K。显然，式中级进、出口处气体的实