流體動(dòng)力過(guò)程10

離心壓縮機(jī)離心壓縮機(jī)的工作原理與離心泵相同，它們都是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使流體得到動(dòng)能，而后在蝸形的通道中使動(dòng)能轉(zhuǎn)變成靜壓能。但是，一個(gè)單級(jí)離心壓縮機(jī)的壓縮比（即出口氣體壓力與進(jìn)口氣體壓力之比）很有限，約1.1～1.3。這是因?yàn)闅怏w經(jīng)過(guò)一次壓縮后，壓頭可以增加很多，但是由于氣體的密度很小，所以氣體的壓力不會(huì)增加很大。因此要使出口氣體具有一定壓力，一般都采取多級(jí)離心壓縮機(jī)，在第一級(jí)中由切線(xiàn)方向排出的壓縮氣體，再?gòu)妮S向進(jìn)入下一級(jí)離心壓縮。目前，高壓離心壓縮機(jī)一般都在十級(jí)以上。離心壓縮機(jī)與離心泵的不同之處是，氣體被壓縮以后，體積變小，密度增加，有放熱的現(xiàn)象，出口氣體溫度升高。因此，在多級(jí)離心壓縮機(jī)中，氣體經(jīng)過(guò)幾級(jí)壓縮后，要經(jīng)中間冷卻器使其溫度降下來(lái)，然后再繼續(xù)進(jìn)行壓縮。5-2其他常用流體輸送設(shè)備簡(jiǎn)介

往復(fù)泵和往復(fù)壓縮機(jī)

往復(fù)式流體輸送機(jī)械就是利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)流體直接施加壓力。圖1-36是往復(fù)式流體輸送機(jī)械的工作原理圖。圖1-36中，活塞由一端移至另一端的距離稱(chēng)為沖程?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)至兩端時(shí)，都不能與氣缸蓋直接相撞，留有一定的空隙，稱(chēng)之為余隙。每一個(gè)工作循環(huán)包括吸入和排出兩個(gè)沖程。由于液體的可壓縮性很小，所以輸送液體的往復(fù)泵，只要設(shè)備能耐住高壓，具有足夠的動(dòng)力，是可以一次將液體壓到很高壓力的。對(duì)于輸送氣體的往復(fù)式壓縮機(jī)，若將氣體一次壓縮就壓到很高的壓力（即所謂“壓縮比”很高的時(shí)候），會(huì)產(chǎn)生下面一系列的問(wèn)題：（1）“余隙”中的高壓氣體在下一個(gè)吸入沖程中會(huì)在氣缸內(nèi)膨脹，占據(jù)氣缸一定的體積，影響吸入氣體的量。壓縮比越大，這個(gè)影響就越嚴(yán)重。壓縮比超過(guò)一定限度，甚至?xí)箽怏w的吸入量為零，此時(shí)壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力也就是零。例如在圖1-37所示的一個(gè)吸入沖程中，若余隙體積V2為氣缸體積V1的1/10，在吸入壓力為P1的氣體時(shí)，余隙中的高壓氣體積膨脹至，則壓縮比越高，在吸入氣體時(shí)語(yǔ)系中高壓氣體膨脹后所占的體積越大。因此對(duì)上述的氣缸，若壓縮比為10，則此時(shí)余隙中氣體膨脹后充滿(mǎn)氣缸，壓縮機(jī)吸入的氣體為零，所以壓縮比不能太大。（2）由于氣體的壓縮過(guò)程進(jìn)行地很快，實(shí)際上可以把它認(rèn)為是一個(gè)絕熱過(guò)程，由氣體的熱力學(xué)可以知道，在絕熱壓縮時(shí)，氣體的溫度要升高，而且需要外界做的功要比等溫過(guò)程大的多。例如，把20[℃]、1.05[大氣壓]（絕壓）的石油裂解氣一次壓縮至36[大氣壓]（絕壓），即壓縮比為36/1.05，裂解氣的出口溫度將是293[℃]。這樣高的溫度，裂解氣要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且設(shè)備材料和潤(rùn)滑油等也很難符合這樣的要求；同時(shí)，這個(gè)絕熱壓縮過(guò)程需要外界做的功也要比等溫過(guò)程增加40％。因此，在往復(fù)式的氣體壓縮機(jī)中，單級(jí)的壓縮比不能過(guò)高，一般在2～3左右。若要將氣體壓縮至很高的壓力，都是采取多級(jí)（段）壓縮的辦法，即經(jīng)第一級(jí)壓縮的氣體再進(jìn)入下一級(jí)壓縮，級(jí)與級(jí)之間有中間冷卻器，使氣體的溫度降低，整個(gè)壓縮過(guò)程接近等溫過(guò)程。燃?xì)廨啓C(jī)基本工作原理：

燃?xì)廨啓C(jī)是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃?xì)馔苿?dòng)渦輪機(jī)械連續(xù)做功的大功率、高性能動(dòng)力機(jī)械。它主要是由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進(jìn)氣、排氣、控制、傳動(dòng)和其他輔助系統(tǒng)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組起動(dòng)成功后，燃?xì)廨啓C(jī)就會(huì)開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定的熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程。壓氣機(jī)連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，這個(gè)過(guò)程可以認(rèn)為是壓氣機(jī)動(dòng)能向空氣熱能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進(jìn)行更猛烈的化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)速度和程度與溫度成正比），更大的膨脹比也有利于壓縮空氣燃燒后釋放更大的能量。壓縮空氣從壓氣機(jī)出來(lái)后即進(jìn)入燃燒室，首先會(huì)在燃燒室進(jìn)口被噴入燃料進(jìn)行摻混，然后就會(huì)點(diǎn)火燃燒。這個(gè)過(guò)程可以認(rèn)為是燃料化學(xué)能向空氣熱能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，在短短幾十厘米的距離內(nèi)空氣的溫度上升數(shù)百甚至上千度，壓力也會(huì)激增。高溫高壓的燃?xì)鈴娜紵页隹趪姵?，就開(kāi)始膨脹，在膨脹的同時(shí)推動(dòng)渦輪葉片做功。這個(gè)過(guò)程就是燃?xì)鉄崮芎蛣?shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。渦輪將燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)化為動(dòng)能后，一方面用于壓氣機(jī)壓縮空氣持續(xù)進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)，另外一方面由主軸將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出，經(jīng)過(guò)減速器減速以后用于推動(dòng)軍艦。整個(gè)熱力學(xué)循環(huán)完成使得燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)了燃料化學(xué)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的最終目的。旋渦泵旋渦泵是一種特殊類(lèi)型的離心泵（見(jiàn)圖1-39）。泵殼成圓形，吸入口不在泵的軸向，而在泵頂部與排出口并列，它的葉輪是一個(gè)圓盤(pán)，四周銑出凹槽，葉片成輻射狀排列，如圖1-39(a)所示，泵內(nèi)部的情況如圖-39(b)所示，葉輪1上有葉片2，葉輪在泵殼3內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，其間有環(huán)形通道4，吸入口和排出口之間有間隔隔開(kāi)，間壁和葉輪之間只有很小的間隙，以防液體倒流。旋渦泵的葉輪在充滿(mǎn)液體的泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，將凹槽內(nèi)的液體向切線(xiàn)方向拋出，在凹槽近軸的一方造成低壓，使通道4內(nèi)的高壓液體又一次進(jìn)入凹槽，再度受葉輪旋轉(zhuǎn)的離心作用。泵內(nèi)液體在隨葉輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，在通道4與葉片2間反復(fù)做旋渦狀運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槎啻芜M(jìn)行了動(dòng)能和靜壓能的轉(zhuǎn)換，所以有較高的揚(yáng)程。旋渦泵的特點(diǎn)：(1)在小流量時(shí)可以有較高的揚(yáng)程。同樣的流量條件下，旋渦泵的揚(yáng)程可以比離心泵高2～4倍；(2)流量減小時(shí)消耗的功率增加得很快。所以旋渦泵不能像離心泵那樣，在出口管上直接安裝閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，而要在出口管路上安裝支路閥門(mén)，泵的排液量總是一定的，由控制“放空”的量來(lái)調(diào)節(jié)管路上的流量（見(jiàn)圖1-40）。旋渦泵的這些特點(diǎn)很像一個(gè)正位移式的泵（例如往復(fù)泵），但是它的結(jié)構(gòu)卻比往復(fù)泵簡(jiǎn)單的多。齒輪泵齒輪泵如圖1-41所示。它是由兩個(gè)相向旋轉(zhuǎn)又相互嚙合的齒輪所組成，其中一個(gè)齒輪與電動(dòng)機(jī)相連，是主動(dòng)輪，另一個(gè)是被動(dòng)輪。當(dāng)兩齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒與齒分來(lái)的一側(cè)可以吸入液體。被吸入的液體分兩路在齒輪與泵殼的空隙中被齒輪推著前進(jìn)。當(dāng)齒與齒重新嚙合時(shí)，液體被擠出，由排液口排出。齒輪泵的特點(diǎn)是流量小，壓頭大，可以輸送高粘度的液體（如潤(rùn)滑油、石蠟等等）。由于齒輪間相互嚙合及齒輪與泵殼將的縫隙很小，齒輪泵不適于輸送含固體顆粒的液體。齒輪泵的流量的調(diào)節(jié)應(yīng)與正位移式的泵相同，由支路閥門(mén)調(diào)節(jié)。螺桿泵螺桿泵是靠旋轉(zhuǎn)著的螺紋斜面直接對(duì)液體施加壓力，是一種“正位移式”的泵。螺桿泵的結(jié)構(gòu)如圖1-42所示，主動(dòng)螺桿伸出泵殼與電機(jī)相連。主動(dòng)螺桿（轉(zhuǎn)子）與從動(dòng)螺桿具有不同型式的螺紋，如果前者具有右螺紋，則后者具有左螺紋。從動(dòng)螺桿是通過(guò)齒輪由主動(dòng)螺桿帶動(dòng)。

當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體被擠壓在兩個(gè)螺桿的螺紋嚙合所形成的空隙里，并且沿著螺紋斜面向前推進(jìn)，直至排出口。這種泵適用于輸送粘度極高的液體，隨著高分子工業(yè)的發(fā)展，這種類(lèi)型的泵使用地越來(lái)越多。螺桿泵與齒輪泵相比，螺桿泵的壓頭可以更高，可以達(dá)到175[大氣壓]，但流量可以比齒輪泵大得多。另外，螺桿泵的效率比齒輪泵高，其效率可達(dá)80-90％。水環(huán)泵水環(huán)真空泵簡(jiǎn)圖如圖1-43所示。外殼1中偏心地裝有葉輪，葉輪上有輻射狀的葉板2。泵內(nèi)充有一半容器的水，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成了水環(huán)。水環(huán)具有液封的作用，使葉板和殼體之間形成許多大小不同的空室。當(dāng)空室逐漸增大時(shí)，氣體被吸入，當(dāng)空室逐漸縮小時(shí)，氣體被壓出。噴射泵噴射泵的工作原理是：工作流體（如高壓蒸汽、高壓水等等）在經(jīng)過(guò)直徑很小的噴嘴時(shí)，流速增加很多，工作流體的靜壓能大部分都轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，造成了負(fù)壓，從而把系統(tǒng)中的流體吸入，被吸入的流體又被高速的工作流體夾帶著，很快地排出系統(tǒng)以外。噴射泵地特點(diǎn)是沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部分，不易損壞。圖1-44為蒸汽噴射泵示意圖。

單級(jí)蒸汽噴射泵僅可以達(dá)到90％的真空，如果要獲得95％以上的真空，則需采用多級(jí)蒸汽噴射泵。多級(jí)蒸汽噴射泵的余壓范圍如下：?jiǎn)渭?jí)蒸汽噴射泵～100[毫米汞柱]

二級(jí)蒸汽噴射泵120～20[毫米汞柱]

三級(jí)蒸汽噴射泵25～4[毫米汞柱]

四級(jí)蒸汽噴射泵6～0.3[毫米汞柱]

五級(jí)蒸汽噴射泵1～0.05[毫米汞柱]

蒸汽噴射泵的蒸汽消耗量大，效率較低，只有在要求真空系統(tǒng)余壓小于30～40[毫米汞柱]時(shí)使用才較為經(jīng)濟(jì)。實(shí)驗(yàn)室用滑板式真空泵

實(shí)驗(yàn)室用的滑板式真空泵如圖1-45所示，其主要部件式一個(gè)旋轉(zhuǎn)的偏心輪（或叫做轉(zhuǎn)子）和一個(gè)用彈簧壓緊的可以上下滑動(dòng)的滑板?；鍖⒈脷づc轉(zhuǎn)子間的空隙分成兩部分。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，吸入端的空隙逐漸擴(kuò)大，將真空系統(tǒng)中的氣體吸入；壓出端的空隙逐漸減小，將吸入的氣體排出。實(shí)驗(yàn)室用的二級(jí)滑板式真空泵，一般可使真空系統(tǒng)達(dá)到10-3[毫米汞柱]的余壓。在使用時(shí)要注意，在真空泵和真空系統(tǒng)之間要有氣體的凈化裝置，以防止腐蝕性氣體或蒸汽進(jìn)入真空泵中，這些腐蝕性氣體會(huì)腐蝕泵的零件或破壞真空油的性能。另外，在操作時(shí)要經(jīng)常檢查油面，并及時(shí)更換真空油。補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)：真空技術(shù)（選自許小紅、武海順編著《壓電薄膜的制備、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用》，科學(xué)出版社，2002年）

真空分類(lèi)：粗真空（1×105～1×102Pa）低真空（1×102～1×10-1Pa）高真空（1×10-1～1×10-6Pa）超高真空（＜1×10-6Pa）種類(lèi)原理工作壓強(qiáng)范圍機(jī)械泵油封機(jī)械泵（單級(jí)）油封機(jī)械泵（雙級(jí)）分子泵羅茨泵利用機(jī)械力壓縮排除氣體大氣壓～1Pa大氣壓～10-2Pa10-1

～10-7Pa103

～10-3Pa蒸氣噴射泵水銀擴(kuò)散泵油擴(kuò)散泵油噴射泵靠蒸氣噴射的動(dòng)量把氣體帶走1