流體動力過程10

離心壓縮機離心壓縮機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能，而后在蝸形的通道中使動能轉(zhuǎn)變成靜壓能。但是，一個單級離心壓縮機的壓縮比（即出口氣體壓力與進口氣體壓力之比）很有限，約1.1～1.3。這是因為氣體經(jīng)過一次壓縮后，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，一般都采取多級離心壓縮機，在第一級中由切線方向排出的壓縮氣體，再從軸向進入下一級離心壓縮。目前，高壓離心壓縮機一般都在十級以上。離心壓縮機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，在多級離心壓縮機中，氣體經(jīng)過幾級壓縮后，要經(jīng)中間冷卻器使其溫度降下來，然后再繼續(xù)進行壓縮。5-2其他常用流體輸送設備簡介

往復泵和往復壓縮機

往復式流體輸送機械就是利用活塞的往復運動對流體直接施加壓力。圖1-36是往復式流體輸送機械的工作原理圖。圖1-36中，活塞由一端移至另一端的距離稱為沖程。活塞往復運動至兩端時，都不能與氣缸蓋直接相撞，留有一定的空隙，稱之為余隙。每一個工作循環(huán)包括吸入和排出兩個沖程。由于液體的可壓縮性很小，所以輸送液體的往復泵，只要設備能耐住高壓，具有足夠的動力，是可以一次將液體壓到很高壓力的。對于輸送氣體的往復式壓縮機，若將氣體一次壓縮就壓到很高的壓力（即所謂“壓縮比”很高的時候），會產(chǎn)生下面一系列的問題：（1）“余隙”中的高壓氣體在下一個吸入沖程中會在氣缸內(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，這個影響就越嚴重。壓縮比超過一定限度，甚至會使氣體的吸入量為零，此時壓縮機的生產(chǎn)能力也就是零。例如在圖1-37所示的一個吸入沖程中，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，余隙中的高壓氣體積膨脹至，則壓縮比越高，在吸入氣體時語系中高壓氣體膨脹后所占的體積越大。因此對上述的氣缸，若壓縮比為10，則此時余隙中氣體膨脹后充滿氣缸，壓縮機吸入的氣體為零，所以壓縮比不能太大。（2）由于氣體的壓縮過程進行地很快，實際上可以把它認為是一個絕熱過程，由氣體的熱力學可以知道，在絕熱壓縮時，氣體的溫度要升高，而且需要外界做的功要比等溫過程大的多。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)生化學反應，而且設備材料和潤滑油等也很難符合這樣的要求；同時，這個絕熱壓縮過程需要外界做的功也要比等溫過程增加40％。因此，在往復式的氣體壓縮機中，單級的壓縮比不能過高，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（段）壓縮的辦法，即經(jīng)第一級壓縮的氣體再進入下一級壓縮，級與級之間有中間冷卻器，使氣體的溫度降低，整個壓縮過程接近等溫過程。燃氣輪機基本工作原理：

燃氣輪機是以空氣為介質(zhì)，靠高溫燃氣推動渦輪機械連續(xù)做功的大功率、高性能動力機械。它主要是由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，再配以進氣、排氣、控制、傳動和其他輔助系統(tǒng)。當燃氣輪機機組起動成功后，燃氣輪機就會開始進入穩(wěn)定的熱力學循環(huán)過程。壓氣機連續(xù)不斷地從外界大氣中吸入空氣并增壓，這個過程可以認為是壓氣機動能向空氣熱能和勢能的轉(zhuǎn)換，被壓縮后的空氣溫度升高有利于與燃料進行更猛烈的化學反應（化學反應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。壓縮空氣從壓氣機出來后即進入燃燒室，首先會在燃燒室進口被噴入燃料進行摻混，然后就會點火燃燒。這個過程可以認為是燃料化學能向空氣熱能和勢能的轉(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，壓力也會激增。高溫高壓的燃氣從燃燒室出口噴出，就開始膨脹，在膨脹的同時推動渦輪葉片做功。這個過程就是燃氣熱能和勢能向動能的轉(zhuǎn)化。渦輪將燃氣的能量轉(zhuǎn)化為動能后，一方面用于壓氣機壓縮空氣持續(xù)進行熱力學循環(huán)，另外一方面由主軸將轉(zhuǎn)子的扭矩輸出，經(jīng)過減速器減速以后用于推動軍艦。整個熱力學循環(huán)完成使得燃氣輪機實現(xiàn)了燃料化學能向機械能轉(zhuǎn)換的最終目的。旋渦泵旋渦泵是一種特殊類型的離心泵（見圖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，它的葉輪是一個圓盤，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，其間有環(huán)形通道4，吸入口和排出口之間有間隔隔開，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液體的泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，將凹槽內(nèi)的液體向切線方向拋出，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，在通道4與葉片2間反復做旋渦狀運動。因為多次進行了動能和靜壓能的轉(zhuǎn)換，所以有較高的揚程。旋渦泵的特點：(1)在小流量時可以有較高的揚程。同樣的流量條件下，旋渦泵的揚程可以比離心泵高2～4倍；(2)流量減小時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來調(diào)節(jié)流量，而要在出口管路上安裝支路閥門，泵的排液量總是一定的，由控制“放空”的量來調(diào)節(jié)管路上的流量（見圖1-40）。旋渦泵的這些特點很像一個正位移式的泵（例如往復泵），但是它的結構卻比往復泵簡單的多。齒輪泵齒輪泵如圖1-41所示。它是由兩個相向旋轉(zhuǎn)又相互嚙合的齒輪所組成，其中一個齒輪與電動機相連，是主動輪，另一個是被動輪。當兩齒輪轉(zhuǎn)動時，齒與齒分來的一側(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。當齒與齒重新嚙合時，液體被擠出，由排液口排出。齒輪泵的特點是流量小，壓頭大，可以輸送高粘度的液體（如潤滑油、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)應與正位移式的泵相同，由支路閥門調(diào)節(jié)。螺桿泵螺桿泵是靠旋轉(zhuǎn)著的螺紋斜面直接對液體施加壓力，是一種“正位移式”的泵。螺桿泵的結構如圖1-42所示，主動螺桿伸出泵殼與電機相連。主動螺桿（轉(zhuǎn)子）與從動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。從動螺桿是通過齒輪由主動螺桿帶動。

當螺桿旋轉(zhuǎn)時，液體被擠壓在兩個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，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，這種類型的泵使用地越來越多。螺桿泵與齒輪泵相比，螺桿泵的壓頭可以更高，可以達到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