离心压气机讲解

燃气轮机离心压气机的设计与优化随着能源需求的不断增长，燃气轮机作为一种高效、节能的发电设备，受到了广泛的关注和应用。

其中，离心压气机是燃气轮机的核心部件之一，对燃气轮机的性能起着至关重要的作用。

本文将探讨燃气轮机离心压气机的设计与优化。

一、离心压气机的工作原理离心压气机是一种通过离心力使气体加速并增压的机械装置。

其工作原理如下：气体经过进气口进入离心压气机，然后被转子的离心力推向转子周围，同时通过转子的叶片加速，气体在叶片间产生压缩作用，最终达到所需的高压。

离心压气机的转子由多个叶片组成，叶片的形状和布局对其性能有着重要影响。

二、离心压气机的设计要点离心压气机的设计要点包括叶片尺寸、叶片数量、叶片形状以及离心机壳的结构等。

首先，叶片的尺寸决定了流量和压升的大小。

较小的叶片泵送气体的速度较快，但压升较小；较大的叶片泵送气体的速度较慢，但压升较大。

其次，叶片的数量对离心压气机的性能也有影响。

合理的叶片数量能够提高离心机的效率和排气能力。

此外，叶片的形状也是一个关键因素。

常见的叶片形状有直翼型、宽翼型和曲线翼型等。

不同的形状会影响气体流动的速度和流向，从而影响离心压气机的性能。

最后，离心机壳的结构对压气机的稳定性和流动损失也有一定影响。

合理设计离心机壳的进出口角度和形状可以减小流动损失，提高压气机的效率。

三、离心压气机的性能指标及优化方法离心压气机的性能指标主要包括压比、效率和气体流量。

压比指的是出口气体的总压力与进口气体的总压力之比。

效率是指离心压气机输入的机械功与输出的气体功之比。

气体流量则表示单位时间内通过压气机的气体体积。

离心压气机的设计目标是在给定的进口条件下，最大化压比和效率，同时满足所需的气体流量。

离心压气机的优化方法主要有以下几种：首先，可以通过改变叶片的形状和布局来改善离心机的性能。

例如，采用曲线翼型叶片可以提高离心机的效率和压比。

其次，可以通过增加叶片数量和合理设置叶片的进出口角度来改善离心机的性能。

离心压气机设计方法综述压缩机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械，分为容积式和透平式两种。

透平式压缩机是一种叶片式旋转机械，其中气体压力的提高是利用叶片和气体的相互作用来实现的，按照结构分为离心式压气机和轴流式压气机两种。

离心式压气机中气体压力的提高，是由于气体流经叶轮时，由于叶轮旋转，使气体受到离心力的作用而产生压力，与此同时气体获得速度，而气体流过叶轮，扩压器等扩张通道时，气体的流动速度又逐渐减慢从而使气体压力得到提高。

设计一台离心压气机包括多方面的内容，主要有：结构设计；通流部分的选择和计算；强度与振动计算；工艺设计；自动控制和调节；以及驱动型式等问题。

这里主要讨论前两项。

在离心压气机设计方法上，先后出现了几何设计方法，二维气动设计方法，准三维气动设计方法，全三维气动设计方法。

以这些方法为理论基础，建立了离心压气机计算机辅助集成设计系统。

这种设计系统的建立，为高性能离心压气机设计提供了有效工具。

最早用于离心压气机叶轮叶片的成形方法是几何成型方法，这是一种比较简单的成型方法。

国内增压器研究领域在50年代从前苏联引进的径向叶片的“双回转中心法”是几何成型方法中的代表，并在国内涡轮增压器领域得到广泛的应用。

该方法成型规律比较简单，使用该方法设计前倾后弯曲线不太可能。

于是产生了离心压气机叶轮的“骨架成型法”，这种方法可以弥补“双补转中心法”的不足。

但是，成型后弯叶片时，需要数控铣床。

早期设计离心压气机叶轮时，设计人员认为叶片型线是由二次曲线组成的，如使用圆弧线，抛物线等代表叶型、轮缘、轮毂型线形状。

使用二次曲线表示的叶片型线形状的一般表达式为f ez dr cz brz ar +++++=22222γθ式中，r 为半径，z 为叶轮轴向坐标，a,b,c,d,e,f 为系数。

系数决定叶轮进口角度和叶型型线。

Eckerdt 即采用上式设计了Eckerdt 叶轮。

Whitfield 等人认为叶轮型线可由下式表示：(){}(){}1//=+++f e d e z b a ϕ式中，ϕ既可代表半径r 也可代表周向角度θ。

航空发动机原理压气机的工作原理根据气流在压气机的流动方向，可将压气分为两大类，气流沿离开叶轮中心方向流动的叶做离心式压气机；气流沿与叶轮轴平行方向流动的叫做轴流式压气机。

此外还有轴流式与离心式压气机混合而成的混合式压气机。

目前使用最广泛的是轴流式压气机，以下将作重点介绍。

轴流式压气机的基本组成，由静子和转子组成。

静子由多排叶片组成，这些叶片叫做整流叶片，由一排流叶片组成的圆环叫做整流环，各整流环固定在机匣上。

转子由多排叶轮组成，每一排叶轮上固定了许多工作叶片，压气机叶轮最终能过叶轮轴与涡轮的工作叶轮轴相连，并由涡轮带动高速旋转。

轴流式压气机的叶轮和整流环是交错排列的。

一个叶轮和后面相邻的整流环构成了压气机的一级。

单级压气机增压比不高。

一般约为1.2-1.8。

为了得到更高的增压比，目前用在民航机上的涡扇发动机的轴流式压气机级数常为10-20级，压气机增压比高达30-40。

有些轴流式压气机的进口安装了一排固定的导流叶片，它们所组成的圆环叫做导流环。

空气在压气机中的流动从进气道流入压气机的空气，首先流过导流环，然后依次流过各级的叶轮和整流环，最后从末级整流环流出进入燃烧室。

由于空气在压气机中的流动较为复杂，同时气流在不同半径叶片通道内的流动大体相仿，为了便于分析，我们假想用一条通过各级叶轮平均地半径处的直线绕叶轮旋转，来切割叶轮和整流环叶片，得到压气机——“基本级”，每级压气机可看成是很多基元级相叠加而成。

所以空气在基元级中的流动可看成压气机工作的缩影。

把所得到的基元级切片在平面上展开，就得到——平面叶栅图形。

目前大多数航空燃气轮机都采用轴流式压气机，只有小功率、小流量的涡轴和涡浆发动机上才采用离心式压气机。

在20世纪40年代末和50年代初、涡喷发动机也曾采用离心式压气机。

离心式压气机由导流器, 叶轮, 扩压器, 导气管等部分组成，叶轮和扩压器是其中两个主要部件。

导流器：安装在叶轮的进口处，其通道是收敛形的使气流以一定方向均匀进入工作叶轮, 以减小流动损失，空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降。

内燃机增压技术第二章离心式压气机的原理与设计(３)魏名山第二章离心式压气机的原理与设计(３)z集气器（涡壳）z离心式压气机计算示例z压气机特性集气器---形状(2)集气器---形状(3)z涡壳截面的形状可以有很多种，以梨形的损失最小，但各种形状相差不大，所以在设计时更多地是考虑尺寸上的小型化。

近年来逐渐多采用的鸭蛋形截面涡壳能得到最小的外形尺寸。

集气器---流道计算(4)z将某一个确定的R H值代入上式，就可以求出一个对应的φ值。

如此变更不同的R值，就H可得到相应的不同的φ值。

将一系列φ值与它对应的R值制成表格或曲线后，再反过来由H表格或曲线用插值法，求出各所需的指定整数φ值及对应的R值。

离心式压气机计算示例---命题z 试为6150柴油机设计一台废气涡轮增压器。

增压前发动机的功率N e =184kW ，转速为2000RPM ，比油耗g e 为250g/kWh ，机械效率ηM =0.75。

增压后功率要求提高100%，环境压力P 0=98066.5Pa ，环境温度T 0=303K 。

离心式压气机计算示例---某些系数的选取z选定发动机的充气系数z过量空气系数z 扫气系数05.17.19.0===H H v H ϕαη离心式压气机计算示例---功率z 增压后发动机的功率N eHkW368%)1001(=+=e e N N H离心式压气机计算示例(1)z压气机具体的结构尺寸，可按照王延生、黄佑生著《车辆发动机废气涡轮增压》或朱大鑫著《涡轮增压与涡轮增压器》上所列的表格进行计算。

z其基本思路为：根据前述发动机计算，算出压比、流量后，按经验值假设压气机叶轮的出口直径，和压气机的绝热效率。

同时对计算过程中所涉及到的一些系数如各处的流动损失系数设值。

离心式压气机计算示例(2)z根据压比算出压气机绝热功，根据压气机绝热功和压头系数算出叶轮出口圆周速度，然后算出叶轮旋转速度。

z根据流量算进口面积和进口直径。

z然后根据前述的计算公式，从进口开始算到出口。

离心式压气机的工作原理离心式压气机，这个名字听起来就像是科学怪人的发明，其实它的工作原理比你想象的要简单得多。

想象一下，你在夏天的时候用手扇扇子，风呼呼地吹过来，清凉又舒服。

离心式压气机的原理就有点像这个扇子，不过它的扇子可是超级厉害的那种。

它不是用手扇的，而是靠一个快速旋转的轮子，把空气吸进来，然后把它加速，最后再推出去。

听起来是不是很神奇？像个空气的魔术师，一转身就把空气给变了样。

咱们先来聊聊这个轮子，它叫做“叶轮”。

就像车子的轮子转得飞快，叶轮也是拼命转，转得飞起。

空气被叶轮吸进的时候，咻的一声，就像吸尘器把灰尘吸进了袋子。

这个时候，空气的速度开始加快，就像在超市的特价促销日，大家都冲上去抢购物车，瞬间就挤成了一团。

叶轮把这些空气推得更快、更远，就像一条奔流不息的小河，直冲向前。

然后，空气流出叶轮后，还需要经过一个叫做“扩压器”的地方。

这个扩压器就像一个变形金刚，空气在这里被慢慢放大、减速。

原本飞快的空气变得温柔起来，压力也随之上升，变成了可以用来驱动其他设备的强大力量。

简直就是把风变成了能量的超级英雄。

这一步特别重要，因为它保证了我们得到的是高压气体，而不是一团乱七八糟的气流。

说到这里，不得不提到压气机的用途。

离心式压气机在航空航天、制冷、空调等领域可是大显身手。

想想看，飞机飞上天的那一刻，压气机的功劳有多大。

要不是它，飞机里的乘客可就得体验到“坐火箭”的感觉，哈哈！还有那些冰箱里的冷风，压气机也在背后默默付出，给你带来一丝清凉。

在家里，开空调时，你可能从来没想过，这一股凉风的背后有多少的科技支持。

离心式压气机的工作过程就像是一个小小的舞台剧，每一个环节都缺一不可。

首先是吸气，这个过程充满了期待，就像是我们每个人在夏天渴望喝冰饮料的那种心情。

然后是加速，这一瞬间就像是在体验过山车的刺激，空气们在叶轮里翻滚、欢呼。

最后是释放，气体飞出，压力升高，犹如小鸟翱翔，带着满满的能量。

离心式压气机的效率也是相当高的。