[机械资料]离心压缩机和风机气动原理基础.doc

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1、流体机械原理离心压缩机和通风机气动理论基础主讲 李景银西安交通大学能动学院流体机械及工程系联系方式： 电话15309250925， 029-82668723（O） Email：jyli流体机械原理(fluid machinery)离心式压缩机和风机气动原理（Centrifugal compressor and fan） 0 绪论0.1 透平压缩机与风机的功能与分类透平机械，也称叶片机械或叶轮机械，其最主要的工作元件是叶片。透平机械的基本原理是：工作轮叶片旋转时与工质相互施加作用力，或叶片将能量加给工质，或工质将能量传给叶片。两大类叶轮机械：被动机械 通过叶片将能量加给工质的机械，如(透平)压缩

2、机、鼓风机、通风机、风扇及水泵; （被动叶片机械：a. 缩机和风机：用来给气体增压与输送气体的机械。泵：用来给液体增压与输送液体的机械。）原动机械 工质能量加给叶片的叶轮机械类型，如汽轮机、燃气轮机、水轮机及风力机等。（有高温流体：汽轮机、燃气透平，不可压缩流体：风力机； 水轮机：水力发电）(透平)压缩机是透平机械中的一种，属于被动机械，它是用来提高气体压力，并输送气体的机械，工业界常称为风机。风机的分类方法：l 如果(透平)压缩机按其中工质流动方向，可以分为四种(见P1)：轴流压缩机、离心压缩机、斜流压缩机、混合压缩机。l 如果(透平)压缩机按工质压力提高的程度来分，可以分为四种(见P2)：

3、风扇(压升100Pa)、通风机(压升15KPa)、鼓风机(压升250KPa或压比3.5，一般带有中间冷却器)。l 还有其它分类：按压缩机的用途，有冶金、石化等，按压缩机的气缸数和结构分：有多级、多缸等。压缩机而言还有以气体种类分的：富气压缩机、氨气压缩机等；按工作场合分的：造气鼓风机、高炉鼓风机、制冷压缩机等0.2 不同压缩机的主要特征和压力流量范围（相应通风机特征类似）：0.2.1 容积式压缩机； 往复式：主要运动部件是在缸中作往复运动的活塞，如往复式压缩机。回转式：以转子旋转和压缩来提供能量，如罗茨式鼓风机和螺杆式压缩机、滑片式压缩机等。0.2.2 透平式压缩机：旋转的叶轮作为主要部件，给

4、流体加功。压缩机离心压缩机和往复活塞压缩机比较，离心压缩机有以下特点：1 优点：（1） 流量大：因为离心压缩机中气体是连续的，其流通截面积大，且叶轮转速高，所以气流速度较大，流量很大。（2） 转速高：离心压缩机转子只作旋转运动，几乎无不平衡质量，转动惯量小，运动件与固定件间保持一定的间隙，因而转速可以提高。可以用工业汽轮机直接驱动，既可简化设备，又能利用化工厂的热量，还便于实现压缩机的变速调节。（3） 结构紧凑，简单；（4） 运转可靠，维修费用低。2 缺点：（1） 单级压力比不高，高压比所需的级数比活塞压缩机多；不适用于小流量的场合。透平式压缩机中应用的最广泛的还是轴流式压缩机和离心式压缩机两

5、种，两者各有自己气动特点和合适的工作范围。与离心式相比，轴流式有下列明显优点：1. 在设计工况下效率较高；调节性能好。2. 流量大、体积小、重量轻。其缺点也十分突出： 1. 稳定工况范围较窄，性能曲线较陡，变工况性能较差，容易发生喘振工况。对操作人员要求高 对工质中的杂质比较敏感，叶片易受磨损。0.2.3 容积式和透平式压缩机的压力流量范围：0.2.4 离心式压缩机的应用范围广、适应面广，主要用于：1） 冶金：高炉鼓风（大型高炉常用轴流）：氧气炼钢用氧压机；空分用压缩机2） 石化：合成氨装置用四种离心压缩机（空压机、原料气、合成气和氨冷冻压缩机）；生产尿素用二氧化碳压缩机；甲醇行业（甲醇合成气

6、中带有固体粒子和液滴）；乙稀行业；炼油企业（催化裂化、重整、精炼和加氢脱硫等）3） 制冷：以特定制冷工质为介质；4） 天燃气输送：管线式压缩机5） 动力工程中：动力风源；小型燃气轮机；内燃机增压。0.3 离心压缩机各部件的基本功能和典型结构0.3.1 离心压缩机的通流部分沿流动过程介绍：气体由吸气室吸入。通过叶轮对气体作功，使气体压力，速度，温度提高然后流入扩压器，使速度降低，压力提高，弯道、回流器主要起导向作用，使气流流入下一级继续压缩。最后由未级出来的高压气体通过蜗室和出气管输出。按流道中气体先后流过的元件不同功能分，主要有六个元件：进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器、蜗室各个元件的功能为

7、（1） 进气室（吸气室）：把气体均匀地引入叶轮。（2） 叶轮：在叶轮内进行能量传递，提高气体的动能和压力能。（3） 扩压器：把叶轮出口流体的高速动能转换为压力能。（4） 弯道：在多级离心压缩机中，引导气体进入下一级，继续进行压缩，提高气体压力。（5） 回流器：使气流按所需的方向均匀地进入下一级（6） 蜗室：把扩压器或叶轮后面的气体汇集起来引到压缩机出口从中可以看出、气体反复沿流道进入下个叶轮中，因此，可以进一步引入段和级的概念：级：级是离心压缩机使气体增压的基本单元，由一个叶轮及其附属的固定元件组成。段：中间冷却器把整机的全部级分隔成几个段。N个中间冷却器把压缩机隔离程N+1个段。0.3.2.

8、 离心压缩机的结构离心式压缩机的零件很多，总体可以为转子和静子两部分。转子：离心压缩机中可以转动的零部件统称为转子，是最难加工的元件，主要由主轴、隔套、叶轮、平衡盘等组成。叶轮：也称工作轮，主要由轮盘、轮盖和叶片组成。常用有闭式、半开式和双进气三大类；加工类型分为铣制焊接、铆接、铣制铆接和整体铸造和铣制等。主轴一般为阶梯轴；隔套为定位所用，同时保护主轴；平衡盘为平衡叶轮两面压力不平衡导致的轴向力，位于高压端，一面受末级叶轮的气体高压作用，另一面通大气或进气管，受低压气体作用。静子：压缩机中所有不能转动的零部件。它是由机壳（一般构成吸气室和蜗壳等）、隔板和密封等组成。机壳：也称气缸，是静子中最大

9、的零件，常用铸铁、铸钢或焊接件而成；对于高压离心压缩机，都采用圆筒形的锻钢件。机壳一般有水平中分面。进气室和蜗壳一般是机壳的一部分。密封有两大类：外密封和内密封：外密封防止气体向外泄露，位于主轴两端（轴端密封）；内密封为防止气体在级间倒流，有隔板密密封和轮盖密封两个。密封形式常用迷宫式密封。隔板：隔板的作用是把压缩机每一级隔开。隔板相邻的面构成扩压器通道，来自叶轮的气体通过扩压器把一部分动能转换为压力能。隔板的内侧是回流器。气体通过回流器返回到下一级叶轮的入口。回流器内侧有一组导流叶片，可使气体均匀地进到下一级叶轮入口。0.4 级的典型结构1. 定义：级是离心压缩机使气体增压的基本单元，由一个

10、叶轮及其附属的固定元件组成。2. 级的三种型式：（徐忠书里面的定义：离心压缩机的级，从其基本结构看，可以分为中间级和末级两种：中间级包括叶轮、扩压器、弯道和回流器，除了段中的最后一级外，其余都是中间级；末级由叶轮、扩压器和蜗室组成。）另外一种定义：a. 中间级: 由叶轮、扩压器、弯道、回流器组成；b. 首级：由吸气管和中间级组成；c. 末级：由叶轮、扩压器和排气蜗室组成。3. 离心压缩机的级的特征截面（以中间级为例）图1-13，第21页in吸气管进口截面，即首级进口截面，或整个压缩机的进口截面0叶轮进口截面，中间级、末级的进口截面；1叶轮叶道进口截面；2叶轮出口截面3扩压器进口截面4扩压器出口

11、截面（即弯道入口截面）5弯道出口截面（即回流器进口截面）6回流器出口截面0本级的出口截面（也是下一级的进口截面）对于末级还有：7排气蜗室进口截面out排气蜗室的出口截面，即末级出口截面。或整个压缩机的出口截面。主要元件的功能解释：（1） 叶轮：是唯一对气体做功的部件。气体进入叶轮后，在叶片的推动下跟着叶轮旋转，由于叶轮对气体做功，增加了气体的能量，因此气流流出叶轮的压力和速度都有增加离心叶轮的型式：a 按整体结构分：闭式、半开式和双面进气三种。b 按叶片弯曲的形式分：后弯型、前弯型、径向型三种离心式压缩机多采用后弯式叶轮，因为效率高，稳定工况区宽。前弯型叶轮级的效率低，稳定工况区窄。（2） 扩

12、压器：气体从叶轮流出时，速度很高，为了充分利用这部分速度能，常在叶轮后设置流通截面逐渐扩大的扩压器，以便将速度能转变成压力能。扩压器的类型:无叶扩压器：结构简单、级的变工况的效率高，稳定工况区宽，通常较多采用。叶片式扩压器：设计工况效率高，但结构复杂。（3） 弯道：为了把扩压器出来的气流引入下一级叶轮去进行压缩，在扩压器后设置使气流由离心方向改变为向心方向的弯道。（4） 回流器：为了使气流以一定方向均匀地进入下一级叶轮进口，设置回流器，在其中一般有导叶。（5） 蜗壳：将由扩压器（或直接由叶轮）出来的气流汇集起来并引出机外，另外，由于蜗壳的曲率半径和通流截面的逐渐扩大，它也起降速扩压的作用。（6

13、） 吸气室：其作用是将需压缩的气流，由进气管（或中间冷却器出口）均匀地导入叶轮去增压。另外，为了防泄漏，机壳的两端装有前、后轴封，在级与级之间和叶轮盖进口外缘面处，还分别装有密封装置，为了平衡作用在止推轴承上的轴向力，常常在机器的一端装有平衡盘。0.5 典型离心式通风机的结构离心通风机的通流部分主要包括三大件：进风口（大型离心风机用进气箱）、叶轮、蜗壳；各元件的功能与离心压缩机的一致，是离心压缩机的简化型式，同时，从气动角度看，不用扩压器但风机效率不低，且可使得风机尺寸大大减小。两级离心风机很少见；但，双进气离心风机很多（多级离心压缩机的双进气如何处理？）离心通风机的结构：也分为转子和静子两部

14、分。转子：离心风机中可以转动的零部件统称为转子，也是要求最高最难加工的元件，主要由主轴、叶轮(布置需要隔套、平衡盘等)组成。主轴一般为阶梯轴；但一般不再用隔套为定位所用；需要保护主轴时，套筒可以做到静止件上。静子：离心风机中所有不能转动的零部件。它主要是由蜗壳、吸气室（进气箱）组成，（不再包括隔板），有时需要密封。相对压缩机，离心通风机转速低、叶轮尺寸大；为了降低造价，采用钢板焊接，因此，大型离心风机的强度和刚度依然是主用问题；另外，离心风机使用场合及其繁多，为了降低造价，不用太多的附件来为风机服务，所以，气体常含有大量灰尘，导致叶片磨损快、需要焊接防磨层或其他措施。总体而言，离心通风机的加工

15、精度要求比离心压缩机的低，特别是叶轮的加工方法，差别很大。0.6 压缩机和通风机的的主要性能参数0.6.1 压缩机的主要性能参数1. 流量 (1) 容积流量 m3/h, m3/min, m3/s，在空分、石油和化工行业常用标准状态下的容积流量为指标，称标准容积流量。所谓标准状态，对压缩机而言，是指压力和温度分别为101325Pa和273K，相对湿度为零的大气状态。（对通风机是完全不一样）(2) 质量流量 kg/h, kg/min, kg/s (重量流量)2. 进出口压力和压比 固定式压缩机常用进出口压力表示（而且常用表压），Pin, Pout kg/m2, kg/cm2, N/m2 (Pa)

16、燃气轮机压气机常用压比表示其性能， =Pout / Pin (基本上用绝压)3. 工作转速 转/分，rpm 4. 功率 kw, w 5. 效率，有多种效率，对轴流压缩机而言，一般用ad(绝热效率)，pol(多变效率)0.6.2 通风机的主要性能参数1. 流量：有容积流量和质量流量容积流量一般指标态 有，Qs， Qmin Qh质量流量有 kg/s, kg/min, kg/h Ms Mmin Mh2. 压力通风机的压力是指压升，即气体在通风机内压力的升高值，或者说通风机进出口处气体压力之差，它有静压、动压、全压之分，单位有 Pa（N/m2），mmHg等。1） 气体的静压、动压、全压气体给予于气流方

17、向平行的物体表面的压力称为静压Pst气流速度无损失的转化为压力所具有气流压力为动压Pd动压与静压之和为气体全压，P=PdPst2） 通风机的全压、静压、动压全压，即通风机进出口截面的全压之差。静压，即通风机全压减去风机出口动压。动压， 即风机出口气流所具有的动能无损失转化为压力的数量值。3. 转速：一般常用 转/分， 即rpm.4. 轴功率：单位时间传递给通风机的功率。5. 效率：有多种衡量指标。6. 通风机标准进口状态：我国规定：工质为空气、压力为101325N/m2（760mmHg）、温度293K(20)、相对湿度为50的湿空气状态1.2 kg/m3。0.6.3 通风机的主要无因次参数通风

18、机的无因次参数是将通风机的主要性能参数与通风机的特征值联系起来。主要有以下几种。一） 压力系数 流量系数 功率系数 比转速 0.6.4离心通风机的命名方式： 4 7211No.10 压力系数 比转速 机号A式、D式、F式的意义。 从原动机正视通风机：顺时针为右转，反之称为“左”转。0.7 流体机械的发展趋势0.7.1创造新的机型：超大流量、超小流量、轴流离心复合式0.7.2流体机械内部流动规律的研究与应用。0.7.3高速转子动力学的研究与应用。0.7.4新型制造工艺技术的发展。0.7.5流体机械的自动控制：防喘振控制。0.7.6流体机械的故障诊断。0.8 国内外透平压缩机的主要生产厂家和技术发

19、展趋势1、国内（1） 沈阳鼓风机厂：主要引进意大利新比隆技术，主要生产石化工业用的离心压缩机。（2） 陕西鼓风机厂：主要引进瑞士苏尔寿公司技术，生产轴流压缩机。（3） 上海鼓风机厂：生产电站通风机。（4） 重庆通用机器厂：制冷离心式压缩机。（5） 国内各通风机制造厂：2、国际主要离心压缩机生产企业：（1） 美国克拉克公司（dark Bros Co）（2） 美国cooper-Bessemer Co（3） 意大利新比隆公司（Nuovo Pismone）（4） 日本三菱重工业株式会社（5） 日立制作所（6） 日本石川岛磨重工业株式会社（IHI）国外风机制造技术有较大程度的提高有三个显著特点:1、 焊

20、接工艺的应用范围有了扩大趋势2、 数控加工设备普及CAM系统有更进一步的发展3、 新的辅助设备的应用，如干气密封。磁力悬浮轴承4、 新材料第1章 气体流动的基本方程和基本概念概述：离心机是一种高速旋转的透平机械，就其作用来说，它是一种能量转换机械，它被原动机（电机或工业汽轮机）拖动，消耗机械能以排送和压缩各种气体，使气体压力提高，满足各种不同的工艺流程的需要。 由于离心机内部流动非常复杂，是三维非定常运动，为了简化分析，假设沿流道的每一个截面上、各个气流参数是相同的，而且以平均值来表示，这样气体运动也就是一维定常的（即一元定常流动假设）。1.1 欧拉方程式1.1.1 离心叶轮的进出口速度三角形

21、及其各种定义：速度三角形的理论基础：夹角定义：绝对气流角度为C与U方向夹角相对气流角为W与U的反方向夹角几何关系要详细推导：、等关系。; ; ; 1.1.2 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。它是叶轮机械的基本方程。 原动机传递给叶轮的功率为 ，M为传给叶轮的力矩，为叶轮的旋转角速度。M可以由动量矩定理求得。动量矩定理：理论力学告诉我们，质点对某定点（轴）的动量矩对时间的导数，等于作用力对同一点（轴）的矩。动量对某点的矩为r叉乘动量mv，力对某点的矩为r叉乘F。（叉乘结果依然是矢量，符合右手法则，而且结果为两个量以及他们夹角的正弦的乘积）用于叶轮机械，动量

22、矩可以表述为：对某一固定点或轴，单位时间内流出控制体和流入控制体的流体动量矩之差，等于作用于控制体内流体的全部外力矩之和。 1 欧拉方程的推导和表达式：假设：叶轮为定常流动，则对叶轮中一封闭控制体作分析t1时刻：容积11到22的气体t2时刻 t2t1t：容积11到22的气体移动到11和22，叶轮内流动定常； 11到22之间的气体动量矩没有变化。 11到11与22到22之间的气体m的动量矩变化就为叶轮对转轴的力矩之和： 流入的动量矩为 ；流出的动量矩为 所以，力矩为 功率 叶轮给单位质量流体传递的能量为据能量守恒，传递给叶轮的能量就是气体获得的能量，所以，注意：对可压、不可压均适用，因此处理压缩

23、机和高压风机时要用该式，通风机和水泵也可以用它。此为欧拉方程第一形式。 根据三角形的余弦定理，可以获得欧拉方程的第二形式2 、说明（1） 欧拉方程对理想和实际气体均适用（2） 对可压不可压流体均可以，被动机械和原动机械也都可以。1.2 能量方程 热力学第一定律指出：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭，但能量可以从一种状态转变为另一种状态，能量的总量保持不变。热力学第一定律对开口系统（即控制容积，适用于流体机械的能量方程）和闭口系统（控制质量，热力学第一定律）的具体表现方式是不同的。1.2.1 叶轮机械的能量方程（开口系统的能量转换过程）取一开口控制体，假定：1. 在

24、该控制体的进出口流动参数均匀分布； 2. 忽略位能差与外界热交换（因为气体密度很小，流体机械内的流速都很快，壳体散热核位能差与叶轮加功相比是很小的）； 流动为定常流动（则流入和流出控制体的流量守恒）。据能量守恒定律，进入控制体的能量和流出的能量，以及外界对流入和流出控制体的流体做功的总效应守恒。 故得：单位质量流体流入的能量为：，进口处气体所做的推动功为单位质量流体流出的能量为：气体能量， 推动功为叶轮对单位质量气体的作功为L则能量方程为 因为焓与内能的关系为所以 对理想气体，上式可以进一步改写为 由于能量只能在叶轮中加入，所以，经过叶轮的气体总温不断增加；对于静止元件，由于无外功加入，静止部

25、件的总温保持不变能量方程是用来计算气流温度（或焓）的增加和速度的变化。说明：1） 能量守恒是在质量守恒的前提下得到的，即要满足连续方程2） 方程式对是否粘性气体都是适用的，摩擦损失，分离损失最终是以热的形式加到气体里面3） 在实际离心压缩机的叶轮流动中，原动机传给叶轮的总功要包括理论能量头（叶轮传递的）、内漏气导致的无用功和轮阻摩擦导致的无用功htot=hth+hdf+hl4） 对气体流过静止通道，即绝能流，有1.3 伯努利方程1.3.1 闭口系统的能量转换分析如果我们选取一闭口系统，该系统在流道内不断流动。加入该封闭系统的热量（包括流动损失导致的热量增加）使气体内能增加，膨胀作功，按能量守恒

26、定律（对随动观察者而言），可得：（气体吸热、内能增加和对外做功为正值），因为u+pv就是焓，所以有如果对该式在状态1和状态2积分，有假定外部加入的热量为0，所以，有由此可以看出，由于损失的存在，压缩功可以达到的实际压力下降了。（ql损失项一般应包括全部损失，即流动损失、轮阻损失和漏气损失）1.3.2. 伯努利方程的推导和物理意义从能量转换的两个不同的分析侧面，可得到如下方程由此，可得到叶轮伯努利方程， 伯努利方程的物理意义：叶轮加给气体的功，用于提高气体的压力和动能，并克服全部损失。如果减去轮阻损失和内泄漏损失，则可得到叶轮的理论功与叶轮内的流动损失的关系该方程适用于一级，也适用于多级、整机或

27、其中的任意通流部件。（该方程也可以直接根据能量守恒原则得到，即：叶轮对气体做功，等于其静压力的提高、动能的增加和克服流动损失，故； ）从整个压缩机的级而言，原动机传给叶轮的总功转换为下列四部分（1） 提高静压能（2） 提高气体的动能（3） 克服流动损失（4） 克服内漏气损失，轮阻损失 对叶轮内部流动而言， 对于扩压器而言，即 所以，气体在扩压器内部流动时，其动能的减少使静压能进一步提高,流动损失的存在使压力增加量减小。若流体为不可压缩，如液体和通风机的气体，则其密度为一个定值；而对于可压缩的流体，只需获得函数，即能积分求出静压能。1.4 气体压缩过程与压缩功（补充热力学基本公式理想气体热力学基

28、本公式 波义耳-马略特定律（等温） 盖 吕萨克定律（等压） 一般情况可得 理想气体状态方程 由热力学第一定律，得 所以，定容比热为 定压比热为 理想气体的定容和定压比热是温度的单值函数且有 绝热指数 故得 ， 以及 对于绝热过程，就是整个过程系统与外界没有热量交换，当然也没有损失导致的热量增加，即 dq=0根据热力学第一定律 得 据状态方程，进一步可得 推导 积分，得以上为绝热过程的过程方程式。如果是多变过程，则为又由理想气体状态方程 可得过程初终态参数的关系为将代入，消去压力比值，得若消去比容，则得补充完毕）1.4.1 压缩功和通风机的压升伯努利方程中静压能的提高，对应于气体的压缩过程，其所

29、需要的功称为压缩功，亦称有效能量头。对于不同的压缩过程，其对应的压缩功是不同的。1） 多变压缩功多变过程 或进一步 2） 等熵绝热压缩功等熵过程的过程方程式为 所以，将多变过程的指数n直接换成等熵过程的k就可以得到等熵绝热压缩功 3） 等温压缩功对于逐级冷却的压缩机，最好采用等温压缩功计算等温过程方程式 得 以上得到了三种最常用的压缩功的计算方式。4） 通风机的压升通风机一样遵守伯努利方程因为通风机的密度不变，所以，可以简化计算，将积分式直接求解：离心通风机压升可以不可以按压缩机的计算呢？通风机的耗功怎么测量？压缩机的怎么测量？为什么？*通风机的全压、静压、动压全压，即通风机进出口截面的全压之

30、差。静压，即通风机全压减去风机出口动压。动压， 即风机出口气流所具有的动能无损失转化为压力的数量值。1.4.2 气体的压缩过程在T-s图和p-v图上的表示方法 在p-v图上，无热交换的压缩机过程为1kn，表现都为指数形式，见下图，压缩功都是曲线下面向压力坐标投影的阴影部分12等温绝热多变PV在T-s图上，曲线的情况就要稍微复杂一点已知熵的定义为 按热力学第一定律 所以，可得 对于等压过程，上式可以表示为 所以，上面式子表示等压过程线在T-s图上是指数曲线上面式子表示等压过程线在T-s图上的T曲线下的面积就表示加入或由气体中传出的热量，和气体的焓的变化是一样的。（定压比热的定义即由此得到的）（上

31、面两个式子对应的图见图1-5，15页）1） 等温过程dQ=Tds 表示热量Q的积分结果为T曲线下的阴影面积又因为等温过程与外界有热交换， 可知压缩功等于热量的负值，即向外放出的热量就是气体的压缩功。2）绝热过程（等熵过程）定义为对外没有热量交换，同时没有损失导致的热量增加，所以，热力学第一定律的热量为零，即dq=0且ds=0。因此ds=0，T-s图上的过程线为垂直向上的一条直线1-2。因为 绝热压缩功=气体焓的增加=在等压线下积分Tds的热量见图1-8，16页从图1-7和1-8的对比可以看出，等温压缩功比较小，这是因为温度越高，使分子靠拢就需要更大的功，同样压比下，进口温度越高，压缩功需要越大

32、。采用冷却方式可以使压缩过程接近等温过程，减小压缩功，现在有两种方式，一种是中间冷却，一种是级间冷却。下图为级间冷却3 ）多变过程热力学第一定律表示如下情况1 与外界无热交换，但是有损失导致的热量增加上式变化为由于有损失，所以，熵是增加的，损失以热量加入，所以，等压线下的是焓的增加，而T-s曲线下的面积就是损失的大小。总体情况见图1-9，17页情况2 与外界有热交换（压缩机一般向外界放热，即冷却），同时也有损失导致的热量增加过程见图1-10，实际过程为1-2，如果假设损失产生的热量和无热量交换的情况一样（为1-2线下的面积），则放出的热量应该为1-2曲线下面积，但是，由于损失导致的热量也应该放

33、出，所以，放出的热量Q是1-2和假想的1-2两条曲线下的面积，多变压缩功=焓+放出的热量Q-多变过程产生的热量。 由图可见，压缩功减小了。上述几种情况的综合可见图1-11，图1-12，17页。1.5 级的总耗功和功率叶轮总耗功=叶轮对气体做功+轮阻损失+内漏气损失而叶轮对气体做功为 为叶轮出口处气体的周向分速度系数叶轮按质量流量计算的耗功为由于有内漏气，叶轮中总的流量要增加，同时还有轮阻损失，所以，叶轮总的功率消耗为所以，单位质量有效气体流量的总耗功就是上式就是漏气损失系数和轮阻损失系数的定义和来历对通风机而言该怎么求？总耗功多大？总压多大？1.6 级中气体状态参数的变化1.6.1 滞止温度和

34、滞止压力滞止温度：与外界没有热交换的情况下，流动的气体速度滞止到零时的温度，用Tst表示。滞止压力：与外界没有热交换的情况下，气体动能无损失的全部转变为压力能时的气体压力。据能量方程，有 ，可以计算和测量出滞止温度由滞止温度，可以计算出滞止压力 据能量方程 和伯努利方程 可以分析，沿流道的温度变化、压力变化和比容变化设多变过程指数为m得 指数系数 压力比 比容比 第i界面密度为 因此，按能量方程计算出第i截面的温度就可以计算出各种需要的气体参数了。2 级效率由能量方程已知 所以，表示压缩机各元件的压缩过程的效率的表示为由于计算压缩过程的方法有多种，相应的压缩功的大小也有多种，计算公式如下。；

35、（理想气体，但是，T2ad是假想的数值）；，所以有公式存在注意，本书中效率的分母采用总功，这从一个级或一个压缩机的投入产出比来看，也是合理的。1. 多变效率因为级的进出口速度动能差很小。所以，可以通过测量进出口温度和压力，求出压缩机的多变效率。2. 定熵效率 T2ad是假想的数值，是按等熵过程的压力计算出来的温度3. 多变和定熵效率的关系4. 等温效率用于具有冷却的压缩机，表示实际过程接近等温的程度。5. 流动效率评价流动情况的好坏压缩机效率：压缩机进口截面到出口截面的测量结果。压缩机级组效率：压缩机第一级进口到末级出口（不包括进出气管道）级效率：某级进口到出口（下级进口）我们轴流压缩机书中的

36、静止参数的效率的分母与离心压缩机的不同（离心的分母是总功，轴流的是静温的差值），这主要是约定的不同，比如，美国NASA sp-36报告中的轴流压气机气动设计中的效率就与离心的一样。还要注意，多变压缩功除了损失以外，相对等熵压缩还多出了一些损失，我们称为热阻损失。绝热效率反映理想(无损失)情况下所需的压缩功和实际压缩过程中所需的压缩功及流动损失的功之和的比例。式中分母越大，则说明实际过程离理想情况越远，越低。而实际压缩过程是多变过程，所以，多变压缩功是叶片使气体压缩的真实反映，它表示了流动过程中的损失占总压缩能量的大小。绝热效率不直接反映损失大小，而反映实际压缩过程接近理想过程的程度。如ad=7

37、0%，并不表示损失占30%。多变效率直接反映损失大小，如pol=80%，表示损失占20%。(例如交大到大差市距离1km，由于汽车轮胎打滑，轮子走1.2km，0,2km是损失，但直线距离为0.8km,0.4km不能说是损失。)由于压缩机外加功中，不但用来提供气体的静压，而且也改变了气体的动能，所以，也可以用滞止参数来表示，如滞止绝热效率6通风机的效率：全压效率、静压效率，其他定义见（19页、&2-5，书43页）3 流量和流量系数流量系数定义 ，一般用出口的值根据质量守恒，可以推导得到连续性方程又因为 代入上式，可得讨论：在、一定时，转速n与体积流量的平方根成反比。因此，体积流量大，应采用低转速，

38、反之体积流量小，应采用高转速。在、一定时，压缩机转速与相对宽度成正比： （ 0.020.035，0.060.065）由于体积流量是逐段逐级减小的，而同一根轴的转速是相同的，所以选取转速时，应使第一段第一级流量最大时的，和末段末级流量最小时的值都能在合适的范围内。有时因流量很小，压力比较高，或采用多段后体积流量变化较大，在同一根轴上很难满足各段各级对值的要求时，为此，可采用多缸、平行轴或多轴型结构的压缩机，使各根轴采用不同转速，以满足的要求。 确定转速时，必须考虑到诸方面的因素。一个非常重要的因素，就是压缩机的工作转速避开其自身的临界转速。有时，只能牺牲一些气动特性，以保证安全可靠性。此外，在提

39、高转速时，要注意增速器设计和制造的可能性。随着齿轮转速增高和传递功率的增加，制造可靠的增速器的困难也增大了，而且对压缩机安全运行等也会带来一定困难。因此，对固定式压缩机转速不宜选的太高，一般在20kr/min以下，小流量时还可以适当选大些。 滞止流量问题：即叶轮或叶片扩压器喉部出现音速的工况。不做详细讨论。4 能量头和能量头系数1 能量头系数 把各种压缩功与圆周速度的平方的比值称为能量头系数，如多变能量头系数、定熵能量头系数等。能量头系数可以表示叶轮的做功能力。类似通风机的压力系数。1 轴向旋涡及其对能量头的影响由于流体本身具有惯性，并且黏性很小，故叶轮在旋转时，气体只能跟着做平移运动，而不能

40、跟着叶轮一起旋转，所以在相对坐标系中形成一个与叶轮旋向相反得涡流，称为轴向涡流（或旋涡）。 轴向旋涡使叶轮做功能力减低，但是与叶轮效率没有直接联系。3. 有效通流面积对能量头的影响 由于气体有粘性，在叶轮内形成边界层，使得叶轮出口速度在子午面和回转面都不均匀，总体使得实际叶轮出口速度增大，做功能力减低。第二章 级中的能量损失1 总论 级内的各种能量损失级内的能量损失有三种：级内的流动损失、漏气损失和轮阻损失。离心压缩机级中的能损失分为：能量损失级内的流动损失包括：摩阻损失、分离损失、冲击损失、二次流损失和尾迹损失。第一节 摩擦损失由于流体的粘性而产生的能量损失。流体在壁面处流速为零，在流道的中

41、间部分流速最大，这样在主流区与近壁面间就存在着一个速度梯度较大的薄层，称为边界层。边界层内流体之间存在着内摩擦力或粘滞力，为了维持流体的流动，就必须外加能量来克服摩擦力，造成的能量的损失。这就是摩阻损失。常用沿程阻力计算公式计算 管道的当量直径 de=4Re=4A/U=4*断面面积/湿周 第二节 分离损失在离心压缩机减速增压的通道中，沿着流动方向主流区的速度不断下降，静压上升。边界层的流动由于得不到主流区足够的能量传递而速度减少，厚度逐渐增加，当与主流内同样大小的逆压梯度导致边界层内流体停滞不动时，再往前移动，边界层内流动就会因为抵抗不住迎面的压差阻力而产生局部倒流，这就是边界层分离，它产生的

42、损失称为分离损失。抑制分离的参数（1）当量扩张角园锥形扩压器的扩张角 ；A=；对压缩机叶片而言，进口面积出口面积 一般压缩机通道内的当地当量扩展角（2）叶轮内的流动扩压度(3) 叶轮的扩压因子 吸力面气流最大速度叶片进口速度 叶片出口速度 下标s表示非工作面一般要求D0.4。（4）叶轮子午面和回转面上气流的分离边界层的存在。但是叶轮中边界层受离心力作用，其生长不象静止元件如叶片扩压器那样快，所以，叶轮效率一般比扩压器效率高。（5）冲击引起的分离损失。冲击损失定义：冲角 正冲， 负冲， 有冲击损失。速度分解：和对叶轮边界层分离的影响：气体所受的惯性力 叶片非工作面前缘产生很大的局部扩压度，边界层

43、分离，并向叶轮出口逐渐扩大，叶片工作面前缘产生较大的局部扩压度，但由于气流惯性力的作用，限制的分离的扩大，且由于流量增大时流道的扩压度减小，边界层分离不易发展冲击损失当流量偏离设计工况时，流体的进口角与叶轮或扩压器的进口安装角不一致，造成气流对叶片的冲击，形成了冲击损失第三节 二次流损失 叶轮叶道是弯曲的，并且其中存在着轴向漩涡。因此，叶道中的气流速度分布是不均匀的，在工作面侧最低。而叶道内的压力分布恰好相反。由于压差的作用，造成气流有工作面向非工作面的流动，即二次流。它是一种与主流方向相垂直的流动，加剧了叶片非工作面边界层的增厚与分离，造成二次流损失。 二次流一般发生在叶轮叶道、吸气室及弯道

44、等有急剧转弯处，而且曲率半径越小，则损失越大。因而，为减少二次流损失，应在这些地方取用大的曲率半径或设置导流叶片，或适当的增加叶片数目，减轻叶片的负荷。射流尾迹结构第四节 尾迹损失由于叶片的尾缘有一定的厚度，气流流出叶道后流通面积突然扩大，有一定的突扩损失，另外，叶片两侧的边界层叶在此处汇合，造成许多漩涡，主流带动这些漩涡，造成的损失即称为尾迹损失。为了防止或减少尾迹损失的形成和影响，可以将叶片出口处削薄，或采用翼型叶片代替等厚度叶片。以上各种损失往往不单独存在，随着主流混在一起相互作用、相互影响。第五节 Re数和Ma数对流动损失的影响1. Re数的概念，惯性力与粘性力的比值，自模化区，临界雷诺数实验表明，小于临界临界雷诺数，效率开始下降，大于的时候，影响不大。2. 马赫数的影响。惯性力与气体弹性力的比值。临界Ma以下时，对性能影响不大，随着Ma增大，模化叶轮的能量头系数下降，大于临界时，损失增大。第六节 级的性能曲线理论能量头