叶轮式压气机的流量与压力变化：径流式和轴流式区别

叶轮式压气机相对于活塞式压缩机的最大优点是流量大，气体能无间歇地连续流进流出。叶轮式压气机按气流的流向分为径流式（即离心式）和轴流式两种。图9-8为离心式压气机的构造简图，气流沿着轴向进入叶轮的叶片之间，在高速旋转的叶轮叶片推动下，依靠离心力作用而加速使其动能增加，然后高速气流在相当于扩压管的蜗壳形流道内，动能降低而使其压力增加。

叶轮式压气机与活塞式压缩机的工作原理不同：叶轮式压气机，它由外界功源输入机械能使气体压力增加经历二次能量转换（即通过叶片将机械能传给气流使其增加动能，然后通过扩压管动能降低而使其压力增加）；活塞式压缩机，则由外界功源输入机械能，通过活塞直接压缩气体使其压力增加。但据热力学观点，对这两种压气机的热力过程进行分析时，研究的目的和方法是一致的。

由于气流在叶轮式压气机中流速较大，流经的时间很短，可以认为其压缩过程是绝热的，通过计算可知其进、出口动能的变化与比技术功wt相比可略去不计，根据稳定流动方程式（3-23），压缩1kg工质所需的机械功，即比技术功为

上式对任意工质的可逆或不可逆绝热过程均适用。

图9-8 离心式压气机构造简图

图9-9 理想气体的T-s图

图9-9为工质是理想气体绝热压缩过程的T-s图，其中1—2为可逆绝热压缩过程，1—2′为不可逆压缩过程。可逆绝热压缩是叶轮式压气机的理想工作情况，这时所需的比机械功（比技术功）为

因为气体的焓是温度的单值函数，图中T1＝T3，所以h1＝h3，h1－h2＝h3－h2，又点3和点2在等压线上，而等压线下的面积正等于焓的改变量，故wc，s＝h1－h2＝h3－h2可用等压线2—3下的面积43254来表示，即

由于粘性流体的耗散效应，不可逆绝热压缩1—2′是叶轮式压气机的实际工作情况，这时所需的实际比机械功为

在相同的初态和相同的终压条件下，显然|w C，s|＜|w′c|，且

在压气机中，可以取可逆绝热压缩时所消耗的机械功wc，s与不可逆绝热压缩时压气机所消耗的机械w′c之比来衡量压气机中绝热压缩过程的不可逆程度，用符号ηc表示，称之为压气机的绝热效率，即

图9-10是工质为水蒸气绝热压缩过程的T-s图，其中1—2为理想的可逆绝热压缩过程， 1—2′为实际的不可逆绝热压缩过程。这时

例9-2 某大型低速柴油机的废气涡轮增压器压气机，空气流量为50000kg/s，吸入时的压力p1＝0.1MPa，温度t1＝20℃，进入时的流速wg1＝30m/s，出口流速wg2＝50 m/s，绝热压缩后空气的压力p2＝0.2MPa，压气机绝热效率ηC＝0.8，试求压气机绝热压缩终点温度和所消耗的功率。

解 可逆绝热压缩终点温度

压气机实际绝热压缩终点温度，可按式（9-18）求得，即

图9-10 水蒸气的T-s图

可逆绝热压缩1kg气体所消耗的机械功，可按式（3-23）求得，即

实际绝热压缩1kg气体所消耗的机械功，按式（9-18）求得

压气机每小时所消耗的机械功为

故，压气机所消耗的功率为

复习思考题

1.如果采用气缸冷却水套或其他冷却方法，气体在压缩机气缸中已经能够进行定温压缩，是否还需要采用分级压缩？为什么？(www.xing528.com)

2.压缩机按定温压缩时，气体要对外放出热量，当按绝热压缩时，不向外放热，为什么定温压缩反而比绝热压缩所消耗的功少呢？

3.通常柴油机船均用双级压缩机压缩的空气来起动主机。压缩机的气缸和中间冷却器均用海水冷却，若在起动压缩机之前忘记开海水阀，试问这时将产生什么后果？

4.如果在检修压缩机时由于不小心而使压缩机的余隙容积发生了变化，如比正常的小，则会产生什么后果？如比正常的大，又会产生什么后果（用p-V图进行分析）？

5.叶轮式压气机与活塞式压缩机在能量转换方式上有何不同？当叶轮式压气机转速降低时，出口压力是增加还是降低？

6.如图所示的过程1—2，若是可逆的，则这一过程是什么过程？它与不可逆绝热过程1—2的区别何在？两者之中哪一过程消耗的技术功大？大多少？

7.理想气体从同一初态出发，经可逆或不可逆绝热压缩过程，设耗功相同，试问它们的终态温度、压力和熵是否都不相同？

8.理想气体从同一初态绝热压缩到相同的比体积，如一为可逆过程，一为不可逆过程，试问两过程的热力学能变化量的大小关系。

图9-11 思考题6用图

习 题

1.有一台单级活塞式压缩机，每小时吸入600m3的空气，其初态p1＝0.1MPa，t1＝20℃，终点压力p2＝0.65MPa。设过程都是可逆的，试分别按下列情况求压缩机每小时所需要的功和所放出的热量：（1）按定温压缩；（2）按绝热压缩；（3）按n＝1.3多变过程压缩。

2.有一台单级活塞式压缩机，其余隙比为0.05，初温为t1＝27℃，若压缩过程为n＝1.25的多变过程，试求增压比分别为4.8，16时的容积效率和压缩终点温度。

3.一台二级活塞式压缩机的转速为300r/min，每小时吸入的空气体积V1＝800m3，压力p1＝0.1MPa，温度t1＝27℃，压缩后的压力p3＝3MPa，压缩过程的多变指数n＝1.3，两气缸的增压比相同，经第一级压缩后，空气经中间冷却器冷却到27℃后再进入第二级压缩机。试求：（1）空气在低压缸中被压缩后的压力p2和终温t2；（2）压缩机每小时所消耗的功和放出的热量（包括在中间冷却器中所放出的热量）。

4.空气在某压缩机中被绝热压缩。压缩前空气的参数为p1＝0.098MPa，t1＝25℃，压缩后空气的参数为p2＝0.588MPa，t2＝240℃，设比热容为定值。求：

（1）此压缩过程是否可逆？为什么？

（2）压缩1kg空气所消耗的轴功。

（3）如压缩为可逆等温的，求压缩1kg空气所消耗的轴功。

5.轴流式压气机每分钟吸入p1＝0.1MPa，t1＝20℃的空气60kg，经绝热压缩到p2＝0.5MPa，该压气机的绝热效率为0.85，求出口处空气的温度及压气机所消耗的功率。

6.轴流式压气机从大气环境中吸入p1＝0.1MPa，t1＝27℃的空气，其体积流量为516.6 m3/min，经绝热压缩至p2＝1MPa。由于摩阻作用，使出口空气温度增加到350℃，若此不可逆绝热过程的初、终状态参数满足＝ ，求n、压气机的绝热效率、因摩擦引起的熵产及压气机所需的功率。

7.某活塞式压缩机从大气环境中吸入p1＝0.1MPa，t1＝20℃的空气，经多变压缩到p2＝28MPa。为使每级压缩终了空气的温度在保证气缸润滑的正常情况下不大于180℃，设各级气缸中多变压缩过程的多变指数都是1.3，试确定压缩机气缸应有的最少级数。

8.一台两级压缩中间冷却的往复式空气压缩机与一台中间冷却器组合成开口系统，此中间冷却器为水冷式，其冷却水也用于两压缩机气缸的冷却，进水温度为294K，出水温度为311 K，流量为136.1kg/h，比热容为4.19kJ/（kg·K）；压缩机空气流量816.43kg/h，进气温度为944.25K，排气温度为1273K。求压缩机所需的功率（比热容为定值）。