离心式压缩机工作原理

离心式压缩机的工作原理是什么，为什么离心式压缩机要有那么高的转速?

答：离心式压缩机用于压缩气体的主要工作部件是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩压器。简而言之，离心式压缩机的工作原理是通过叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转换为气体压力能的。

更通俗地说，气体在流过离心式压缩机的叶轮时，高速旋转的叶轮使气体在离心力的作用下，一方面压力有所提高，另一方面速度也极大增加，即离心式压缩机通过叶轮首先将原动机的机械能转变为气体的静压能和动能。此后，气体在流经扩压器的通道时，流道截面逐渐增大，前面的气体分子流速降低，后面的气体分子不断涌流向前，使气体的绝大部分动能又转变为静压能，也就是进一步起到增压的作用。

显然，叶轮对气体作功是气体压力得以升高的根本原因，而叶轮在单位时间内对单位质量气体作功的多少是与叶轮外缘的圆周速度u2密切相关的：u2数值越大，叶轮对气体所作的功就越大。而u2与叶轮转速和叶轮的外径尺寸有如下关系：

式中 D2--叶轮外缘直径，m；

n--叶轮转速，r/min。

因此，离心式压缩机之所以要有很高的转速，是因为：

1)对于尺寸一定的叶轮来说，转速n越高，气体获得的能量就越多，压力的提高也就越大；

2)对于相同的圆周速度(亦可谓相同的叶轮作功能力)来说，转速n越高，叶轮的直径就可以越小，从而压缩机的体积和重量也就越小；

3)由于离心式压缩机通过一个叶轮所能使气体提高的压力是有限的，单级压比(出口压力与进口压力之比)一般仅为1.3～2.0。如果生产工艺所要求的气体压力较高，例如全低压空分设备中离心式空气压缩机需要将空气压力由0.1MPa提高到0.6～0.7MPa，这就需要采用多级压缩。那么，在叶轮尺寸确定之后，压缩机的转速越高，每一级的压比相应就越大，从而对于一定的总压比来说，压缩机的级数就可以减少。所以，在进行离心式压缩机的设计时，常常采用较高的转速。但是，随着转速的提高，叶轮的强度便成了一个突出的矛盾。目前，采用一般合金钢制造的闭式叶轮，其圆周速度多在300m/s以下。

另外，对于容量较小的离心式压缩机而言，由于风量较小，叶轮直径也较小，可采用较高的转速；而容量较大的压缩机，由于叶轮直径较大，相应地转速也应低一些。例如，为国产3200m3/h

空分设备配套的DA350-61型离心式压缩机，转速为8600r/min；而为国产10000m3/h空分设备配套的1TY-1040/5.3型空气压缩机，转速为6000r/min。

轴流式压缩机与离心式压缩机都属于速度型压缩机，均称为透平式压缩机。

速度型压缩机的含义是指它们的工作原理都是依赖叶片对气体作功，并先使气体的流动速度得以极大提高，然后再将动能转变为压力能。

透平式压缩机的含义是指它们都具有高速旋转的叶片。“透平”是英文“TURBINE”的译音，其中文含义为：“叶片式机械”，对于这一英文单词，全世界不管哪种语言，都采用音译的方法，所以“透平式压缩机”的意义也就是叶片式的压缩机械。

与离心式压缩机相比，由于气体在压缩机中的流动，不是沿半径方向，而是沿轴向，所以轴流式压缩机的最大特点在于：单位面积的气体通流能力大，在相同加工气体量的前提条件下，径向尺寸小，特别适用于要求大流量的场合。

另外，轴流式压缩机还具有结构简单、运行维护方便等优点。但叶片型线复杂，制造工艺要求高，以及稳定工况区较窄、在定转速下流量调节范围小等方面则是明显不及离心式压缩机。

第八章离心式压缩机原理

§1 离心式压缩机的结构及应用

排气压力超过34.3×104N/m2以上的气体机械为压缩机。压缩机分为容积式和透平式两大类，后者是属于叶片式旋转机械，又分为离心式和轴流式两种。透平式主要应用于低中压力，大流量场合。

离心式压缩机用途很广。例如石油化学工业中，合成氨化肥生产中的氮，氢气体的离心压缩机，炼油和石化工业中普遍使用各种压缩机，天然气输送和制冷等场合的各种压缩机。在动力工程中，离心式压缩机主要用于小功率的燃气轮机，内燃机增压以及动力风源等。

离心压缩机的结构如图8-1所示。高压的离心压缩机由多级组成，为了减少后级的压缩功，还需要中间冷却，其主要可分为转子和定子两大部分。分述如下：

1.转子。转子由主轴、叶轮、平衡盘、推力盘、联轴器等主要部件组成。

2.定子。由机壳、扩压器、弯道、回流器、轴承和蜗壳等组成。

图8-1 离心式压缩机纵剖面结构图

(1:吸气室 2:叶轮 3:扩压器 4:弯道 5:回流器 6:涡室 7，8:密封 9:隔板密封10:轮盖密封11: 平衡盘12:推力盘 13:联轴节 14:卡环 15:主轴 16:机壳17:轴承 18:推力轴承 19:隔板 20:导流叶片 )

§2 离心式压缩机的基本方程

一、欧拉方程

离心式压缩机制的流动是很复杂的，是三元，周期性不稳定的流动。我们在讲述基本方程一般采用如下的简化，即假设流动沿流道的每一个截面，气动参数是相同的，用平均值表示，这就是用一元流动来处理，同时平均后，认为气体流动时稳定的流动。

根据动量矩定理可以得到叶轮机械的欧拉方程，它表示叶轮的机械功能变成气体的能量，如果按每单位质量的气体计算，用表示，称为单位质量气体的理论能量：

（8-1）

式中和分别为气体绝对速度的周向分量，和叶轮的周向牵连速度，下标1

和2分别表示进出口。利用速度三角形可以得到欧拉方程的另一种形式：

（8-2）

二、能量方程

离心式压缩机对于每单位质量气体所消耗的总功，可以认为是由叶轮对气

体做功，内漏气损失和轮组损失所组成的。

首先根据能量守恒定律可以得到：

（8-3）式中为输入的热量，为内能，为压能，为动能。那么（8-3）

式表示：叶轮对气体所做功，加上外界传入的热量等于压缩机内气体的内能，压能和动能的增加之和。可以把内漏气损失和轮阻损失看成是传入到气体内的热量，因为损失和转化成热量会使机内气体的温度升高。那么：

(8-

4) 就会得到