离心式压缩机

中国石油大学（华东）离心压缩机离心式压缩机中国石油大学（华东）离心压缩机离心式压缩机§1离心式压缩机的主要构件及基本原理§2气体在级中的流动及基本方程§3级中能量损失§4离心式压缩机的特性曲线§5离心式压缩机的性能调节§6相似原理在离心式压缩机中的应用§7离心式压缩机的主要零部件§8离心式压缩机密封装置§9离心式压缩机润滑系统§1离心式压缩机的主要构件及基本原理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。1.1离心式压缩机的主要构件（1）离心式压缩机的典型结构结构型式：中低压水平剖分型垂直剖分（高压圆筒）型多轴式例：沈阳鼓风机厂MCL系列中低压水平剖分式多级离心压缩机、BCL系列高压筒形压缩机。中国石油大学（华东）离心压缩机水平剖分型：气缸剖分为上下两部分，螺栓连接。上下机壳为组合件，由缸体和隔板组成。适于中低压压缩机（一般低于5MPa）。中国石油大学（华东）离心压缩机垂直剖分型：气缸为筒形。隔板上下剖分（螺栓连接成为整体，气缸两侧端盖用螺栓紧固。隔板转子组装后送入筒形缸体。抗内压能力强，密封好，刚性好，温度、压力引起的变形均匀，适于压力高、易泄漏的气体。中国石油大学（华东）离心压缩机多轴式：齿轮箱中一个大齿轮驱动几个小齿轮，每个轴的一端或两端安装有叶轮。叶轮轴向进气，径向排气，以管道连接各级。从动轴转速不同，各级均在最佳状况下运行。适于中低压空气、蒸汽或惰性气体。中国石油大学（华东）离心压缩机结构组成：机壳，转子，定子，以及辅助系统。定子部分1、气缸：是压缩机的壳体，又称为机壳。由壳体和进排气室组成，内装有隔板、密封体、轴承等零部件。对它的主要要求是：有足够的强度以承受气体的压力，法兰结合面应严密，主要由铸钢组成。2、隔板：隔板是形成固定元件的气体通道根据隔板在压缩机所处的位置，隔板可分为4种类型：进口隔板、中间隔板、段间隔板、排气隔板。转子部分－主轴压缩机的关键部件，他是主要起到装配叶轮、平衡盘、推力盘的作用，是转子部分的中心部位。中国石油大学（华东）离心压缩机压缩机装置系统图转子：叶轮与轴的组件。（1）叶轮——离心式压缩机中唯一的作功部件。它随轴高速旋转，气体在叶轮中受旋转离心力和扩压流动作用，因此气体流出叶轮时的压力和速度都得到明显提高。观看离心式压缩机装配动画（1）扩压器——离心式压缩机中的转能部件。气体从叶轮流出时速度很高，为此在叶轮出口后设置流通截面逐渐扩大的扩压器，以将这部分速度能有效地转变为压力能。（2）弯道——设置于扩压器后的气流通道。其作用是将扩压器后的气体由离心方向改为向心方向，以便引入下一级叶轮去继续进行压缩。定子：扩压器、弯道、回流器、吸气室和蜗壳等固定元件。（3）回流器——使气流以一定方向均匀进入下一级叶轮入口。回流器中一般都装有导向叶片。（4）吸气室——将气体从进气管（或中间冷却器出口）均匀地引入叶轮进行压缩。（5）蜗壳——把从扩压器或直接从叶轮出来的气体收集起来，并引出机外。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，因此它也起着一定的降速扩压作用。1.2离心式压缩机的基本工作原理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。当通过一级叶轮对气体作功、扩压后不能满足输送要求时，就必须把气体再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。各级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以后各级继续压缩，最后由排出管输出。气体在离心式压缩机中是沿着与压缩机轴线垂直的半径方向流动的。中国石油大学（华东）离心压缩机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。1.3离心式压缩机的主要优缺点优点：（1）单级流量大。目前合成氨装置中合成气体压缩机的排气量达6000m3/min以上。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式压缩机。（2）重量轻、体积小。无论机组占地面积还是质量都比同一气量的活塞式压缩机小得多。（3）运转可靠性。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。目前大型石油化工过程用离心式压缩机多为单机运行。（4）气体不与机器润滑系统的油接触。在压缩气体过程中，可以做到绝对不带油，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，可以合理而充分的利用工艺过程本身的热能，节约能源。缺点：（1）还不适用于气量太小及压力比过高的场合。（2）离心式压缩机的效率一般低于活塞式压缩机。（3）离心式压缩机的稳定工况区较窄。§2气体在级中的流动及基本方程气体在压缩机叶轮中的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，绝对速度为c。圆周速度与相对速度的合成。相对速度（w）：与叶片的切线方向一致。牵连速度（u）：绝对速度（c）：6022nDu三者之间的关系可以用速度三角形表示但气体与液体性质不同，又使其流动过程有所区别：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Δp相差很大；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。气体在压缩机内的流动情况分析：欧拉方程；伯努利方程；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影响。在离心式压缩机中气体的流动实际上是属于三元非稳态流动。在工程上，为了便于分析研究，常假设级中气体作一元定常流动。一元定常流动——垂直于流动方向的各截面上的流动参数（压力、温度、密度和速度等）都均匀一致且不随时间变化。这样，气体参数的变化仅与流道长度这一坐标有关。中国石油大学（华东）离心压缩机2.1连续方程连续方程的基本表达式constfcQQQGrii2222211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：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。式中：G为质量流量kg/s,Q为容积流量m3/s,ρ为气流密度,f为截面面积,c2r为垂直该截面的法向流速。中国石油大学（华东）离心压缩机2.2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：1122uuTTcucuHL也可表示为：222212222212122ccwwuuHLTT式中LT为叶轮输出的欧拉功，HT为每千克流体所接受的能量称为理论能量头，单位是J/kg。中国石油大学（华东）离心压缩机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，它遵循能量转换与守恒定律；•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；•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；•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。原动机的欧拉方程为2211uuuucucuHL中国石油大学（华东）离心压缩机叶片数有限的理论能头：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流无预旋进入叶轮。此时09011uc，222222222uucucuHuuuTucuu理论能头系数或周速系数中国石油大学（华东）离心压缩机叶片数有限的理论能头：轴向旋涡液体由于存在惯性力，产生轴向涡流，方向与叶轮转动方向相反。结果使得相对速度和绝对速度产生滑移。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流无预旋进入叶轮。此时09011uc，22uTcuH有限多叶片相对速度的分布工作面一侧相对速度小，非工作面一侧相对速度大。中国石油大学（华东）离心压缩机为此，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、叶道中流动情况及流体性质有关。AAruuuzuctgcuwccsin斯陀道拉认为，轴向漩涡的转速与叶轮转速相等，但方向相反；并假设轴向漩涡的直径近似等于叶轮叶道的有效宽度。轴向漩涡导致叶轮出口处气流产生平均附加圆周分速度，其数值为Δwu2。实际叶轮理论扬程：TTHHμ——滑移系数（又称环流系数、周速纠正系数），用以考虑叶片数有限对理论扬程的影响22uuTTccHHμ与叶片数z、叶片离角βA2、叶轮形状尺寸等参数有关中国石油大学（华东）离心压缩机有限多叶片的理论能头的计算公式：此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本方程式。说明：主要与叶轮圆周速度、流量系数、叶片出口角和叶片数有关。TH)sin1(2222222AAruTzctgucuHucrr式中：——流量系数。2r22222222sinAAruuuzuctgcuwcc2A2A22sinctg1zru2u又可表达为：∴周速系数2222222222)sin1(uAAruTuzctgucuH∵【例】离心式压缩机DA350—61第一级叶轮的外径D2=600mm，叶片出口角βA2=45°，叶片数z=18，流量系数φr2=0.248，转速n=8600r/min。求叶轮使每千克气体所获得的理论能头。)sin1(2222222AAruTzctgucuHm/s..nDu(J/kg)45892.850.628673008.0445sin1845ctg248.012.2702TH解：2.4总耗功和功率叶轮对每千克有效气体作的总功为：ldfTtotWT——叶轮通过叶片对叶道内的气体作功，成为叶片功，它就是气体获得的理论能头；Wdf——轮阻损失功。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。轮阻损失功转变成热量而被气体吸收。Wl——内漏气损失功。由于叶轮轮盖处存在泄漏，有流量为Gl（kg/s）的气体从叶轮出口返回到叶轮入口，并且反复循环，把能量消耗在轮盖密封处，它也转变成热量而被气体吸收。每千克有效气体从叶轮中得到相应的总能头为：ldfTtotHHHH轮阻损失能头内漏气损失能头理论能头【思考】离心式压缩机的总能头Htot包括哪几部分？为什么泄漏损失能头Hl和轮盘阻力损失能头Hdf都要计入总能头？中国石油大学（华东）离心压缩机2.4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。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a、b间的系统作为考察对象，则对单位质量气体有：)(2)(22abababababzzgcciiqH焓外界做功外界加热流速位置中国石油大学（华东）离心压缩机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；•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。中国石油大学（华东）离心压缩机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流动，其q=0；忽略a、b截面高度差；且近似绝热过程，对理想气体有：2)(12)(2222ababababpabccTTkkRccTTcH)(2)(22abababababzzgcciiqH定压比热容气体常数中国石油大学（华东）离心压缩机当a、b截面分别为级的进、出口截面时，一个级的能量方程式可写为：2)(12)(2222s