压气机的原理和特性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,燃气轮机各部件的工作原理（压气机原理与特性）,1,主要内容,压气机的类型及特点,压气机级的工作原理,压气机的特性,压气机的不稳定工况,压气机的结构,2,（一）压气机的类型及特点,1.,压气机的作用,向燃气轮机的燃烧室连续不断地供应高压空气。,2.,压气机的类型,轴流式：,Axial-flow Type Air Compressor,离心式,:,Centrifugal-flow Type Air Compressor,3,按,机内气体总体流向,分类,4,轴流式,5,离心式,通风机（,110 kPa),鼓风机（,110,400 kPa),压气机（,400 kPa),6,按工作原理和构造分类,活塞式压气机,叶轮式压气机,特殊引射式压缩器,按压缩气体压力范围分类,轴流式压气机和离心式压气机性能比较,比较项,轴流式压气机,离心式压气机,气流总体流向,轴向,径向,优 点,流量大、效率高,（,80%,92%,）,级的增压能力高,（单级压缩比高达,4,4.5,）,缺 点,级的增压能力低,（单级压缩比,1.15,1.35,）,流量小、效率低（,75%,85%,）,应用场合,大中型燃气轮机,小功率燃气轮机,7,3.,轴流式压气机结构,转子,动叶片,叶轮或转鼓,主轴,静子,静叶片（导流叶片、静叶）,气缸,(,机匣,),轴承,89,轴流式压气机的结构,压气机的级,由一列动叶片和紧跟其后的一列静叶片构成的压气机的基本工作单元。,第一级,世界各大燃气轮机公司采用的压气机,制造厂,GE,发电,ABB-Alstom,Siemens,三菱重工,燃机型号（系列号）,MS9001FA,MS9001G/H,GT26,V94.3A,M701F,M701G,压气机型式、级数,轴流,18,级,轴流,18,级,轴流,22,级,轴流,15,级,轴流,17,级,轴流,14,级,压比,15.4,23.2,30,17,17,21,10,压气机的发展趋势,提高压比：单台已达,30,以上,提高通流量,大功率,提高效率,提高经济性,11,（二）压气机级的工作原理,1.,轴流式压气机的基元级,用假想的同轴圆柱面切割级的叶片排所到的高度无穷小的级。,12,三个特征截面：,级前,1,、级间,2,和级后,3,2.,叶型与叶栅的几何和气动参数,叶型的几何参数,叶型,型线,中弧线,弦长,b,前后缘方向角,叶型的弯曲角,13,叶型：叶片横截面形状。,型线：叶型轮廓线，包括背弧型线、内弧型线及二者的连接圆弧线。,中弧线：叶型型线所有内切圆圆心的连线。,弦长：型线在弦线方向的投影长度。,外弦长,b,内弦长,中弧线两端点的连线。,前后缘方向角：叶型前、后缘点处中弧线的切线与外弦线间的夹角。,叶型的弯曲角,：表征叶型弯曲程度的角度。,=,1,+,2,叶栅的几何参数,叶栅前后额线,叶型安装角,p,栅距,t,入口安装角,1j,出口安装角,2j,14,叶栅前后额线：叶型前、后缘点的连线。,叶型安装角,p,：外弦线与圆周方向的夹角。,栅距,t,：两个相邻叶型上同位点在圆周方向上的距离。,入口安装角和出口安装角,：叶型中弧线在前缘点和后缘点的切线与叶栅前、后额线的夹角。,主要气动参数,进出气角,1,和,2,进口冲角,i,=,1j,-,1,出口落后角,=,1j,-,1,气流转折角,=,2,-,1,15,进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、后额线的夹角。,进口冲角：叶栅的入口安装角与气流进气角之差。,出口落后角：叶栅的出口安装角与气流出气角之差。,气流转折角：气流出气角与进气角之差。,3.,压气机基元级的速度三角形,16,气流的绝对速度、相对速度和圆周速度的矢量关系：,17,扭速：相对速度的圆周分量变化量。,(,反映外界对气体做功量的大小。,),4.,压气机级中的能量转换关系,级中能量转换计算,动叶栅加功量,(,对单位质量气体,),18,静叶栅（能量守恒）,19,级中增压过程,外界通过工作叶轮上的动叶栅将压缩轴功传递给流过动叶栅的空气，一方面使气流的绝对速度升高，另一方面使气流的相对速度降低；,气流在流过动叶栅时的相对速度降低所释放的动能，除一部分转换为摩擦热并为气体吸收外，其余都转换成气体的压力势能，使气体的压力升高；,气流在流过静叶栅时相对速度降低所释放的动能，除一部分转换为摩擦热并为气体吸收外，其余都转换成气体的压力势能，使气体的压力升高。,20,影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）,叶片材料许用应力（强度）的限制,圆周速度,u,不能过大,叶栅气动性能的限制,气流转折角,不宜过大,21,5.,轴流式压气机的效率和能量损失,22,理想压缩功,输入的机械功,能量损失,压气机效率：,23,内部损失,型阻损失（影响因素：叶型）,a,、叶栅表面附面层中产生的摩擦和脱离现象引起；,b,、叶片表出口尾迹中的涡流以及与主流的掺混；,c,、在超音速气流中发生的激波现象等引起的能量损失。,端部损失（影响因素：叶片高度）,端部摩擦,二次流损失,径向间隙的漏气损失（影响因素：动静间隙大小、前后压差和直径大小等）,外部损失,支持轴承和止推轴承上的机械摩擦损失；,（相应的减损措施：采用高效轴承、适当润滑等措施）,经过,高压转子轴端与机匣之间的间隙泄漏到外界去的漏气损失。,（相应的减损措施：增设气封装置）,压气机的能量损失,（三）压气机的特性,1.,压气机的特性与特性线,流量特性：,在转速、进气压力和进气温度一定时，压比和等熵效率随流量变化的关系，称为压气机的流量特性。,压气机的流量特性线：,通过实验测定并作出的压气机流量特性曲线。,压气机的特性线组：,不同转速下的压气机特性线绘在一起，所得到的曲线组，称为压气机的特性线组。,24,2.,单级轴流式压气机的特性线,25,特点,每一转速下的压比均有一最大值（最大压比点：左、右两支）；,压气机的喘振,转速不变，流量降低到一定值后，压气机内的气流轴向脉动引起的整台机器的剧烈振动。,喘振边界点：压比不稳定无法绘出时对应的流量点。,喘振边界线：各转速下喘振工况点的连线。,26,特点,压气机的阻塞,转速不变，流量增大到一定值后，压比急剧下降，流量无法继续增大的现象。,不同转速下的压比特性线形状稍有不同，转速越高，特性线越陡。,注,:,效率随流量变化的曲线组与压比随流量变化的曲线组特点大致相同。,27,压比随流量的变化情况（转速不变）,无损失时：级的压比随流量的增大而减小,考虑摩擦损失时：单位质量气体的损失随流量的增大而增大,考虑考虑漩涡损失时：存在使压比最大的最佳流量,28,3.,多级压气机的特性线,特点,压比随流量变化一般不存在左支，喘振点出现在右支上；,压比和效率随流量变化的特性线较单级陡峭，高转速下几乎成垂线，导致其工作范围变窄。,4.,压气机的通用特性线,流量特性线的缺陷：,流量为自变量、转速为参变量绘制的压气机流量特性线只适用于一定几何尺寸和进气条件的压气机，若压气机尺寸或进气条件改变，需通过重新实验获得特性线，应用不便。,通用特性线：,用压气机对应的,定性准则数,为自变量绘制出压气机的通用的压比特性线和效率特性线。,29,“,通用的,”,内涵：,无论压气机的尺寸（几何相似进气量和进气条件如何变化，该特性线都适用。,“,通用的,”,根据：,根据,相似原理,，若对应的,定性准则数,彼此相等，则对应的所有无因次参数都彼此相等。,30,压气机的定性准则数,第一级动叶栅的进口速度马赫数和圆周速度马赫数是压气机的两个基本定性准则数，其他任何与之成比例且相互独立的无因次参数都可代替成为定性准则数。,某压气机通用特性线,代替进口速度马赫数的定性准则数,代替圆周速度马赫数的定性准则数,（四）压气机的不稳定工况,31,典型的,不稳定工况,失速,喘振,阻塞,1.,压气机的失速,32,(a),流量大于设计值,(b),流量小于设计值,叶背的边界层分离区易扩大,叶栅的失速,叶栅中体积流量减小时，叶栅背面边界层发生严重脱离，以致脱离区占据大部分流道并引起流动损失急剧增大的现象，称为,叶栅的失速,。,当压气机的某一级或某列叶栅失速时，压气机就进入失速状态。,叶栅失速的特征,一般先发生在叶栅的若干局部区域；,局部失速区不是静止不动的，而是围绕压气机叶轮的轴线，以低于叶轮的速度与叶轮同向旋转；,失速区的圆周速度一般为叶轮圆周速度的,20%,80%,，对多级轴流式压气机为,40%60%,。,在相对坐标系中，失速区以相对速度,u,朝叶栅运动的相反方向传播。,33,34,叶栅失速区旋转的机理,右侧：,冲角减小，流动改善，失速消除。,左侧：,冲角增大，气流分离，失速区逆叶栅运动方向传播。当流量减小时，若叶片,2,的背部先出现气流分离，叶片,2,与,3,之间的流道将被部分堵塞，于是该流道前方将形成低速气流区（停滞区），导致该停滞区附近的气流改变流向。,35,旋转失速的危害,旋转失速出现后，叶片将受到周期性气流激振力作用。当激振力频率等于叶片自振频率时，叶片发生共振，严重时会使叶片表面出现裂纹甚至断裂。,叶栅失速的种类,渐进型失速,a,、随流量减小，失速先在一个或几个叶片的叶尖处产生，然后沿径向和周向扩展；,b,、压比、效率随流量的减小而连续变化；,c,、叶圈中可有一个或多个对称的失速区，多个失速区相互干扰，不稳定性增加，常发生于叶片较长的级中。,36,突变型失速,a,、当流量减小到一定值时，沿着叶片的整个高度几乎同时出现失速，而后迅速向周向扩展；,b,、压气机特性线上表现为：压比随流量发生突跃性变化；,c,、叶圈中只有,1,2,个失速区，常发生于叶片较短的级中；,d,、突变型失速的出现和消失具有一定的滞后性；受到的激振力比渐进型失速时大得多，也更危险。,37,压气机喘振的特征,压气机的流量时增时减；,压力忽高忽低；,整个机组剧烈振动并伴随特有轰鸣声。,压气机喘振的原因,内因（根本原因和必要条件）,压气机失速；,外因,压气机下游存在容积较大的管网部件。,2.,压气机的喘振,38,喘振与失速的区别,比较项,失速,喘振,稳定性问题,压气机本身,的气动稳定性问题,压气机与其管网组成的,整个系统,的稳定性问题,压气机总流量,不变,时增时减,气流脉动作用,有一个或几个低速区围绕压气机轴线旋转，叶栅周向各处叶片轮流受到气流,周向,脉动作用,叶栅周向各处叶片同时受到气流,轴向,脉动作用,气流脉动的影响因素,气流,周向,脉动的频率和振幅与叶栅本身几何参数和转速相关,气流,轴向,脉动的频率和振幅与管网容量大小相关,3.,压气机的阻塞,39,阻塞的特征,压气机流量无法进一步增加；,压比及效率大幅度降低。,阻塞的产生原因,单级压气机阻塞的原因,高转速下的声速阻塞,即气流流速达到声速，流量达到最大临界值，形成气流阻塞。,低转速下的边界层脱离阻塞,即由于气流负冲角较大，动叶栅腹面上出现严重的气流分离，使出口通流面积减小而发生阻塞。,40,多级压气机阻塞的原因,高转速下的声速阻塞,（阻塞机理同单级压气机的阻塞机理）。,低转速下的声速阻塞,末几级由于受流量增大和前几级压比降低、气流密度减小的双重影响，气流速度仍然增加较大并可能达到声速，从而导致声速阻塞。,常用的防喘措施：,(1),中间放气,(2),旋转导叶,(3),分轴压气机,41,4.,压气机的防喘,出发点：,减小非设计工况下的冲角。,42,多级压气机的中间放气机构,中间放气,在多级压气机通流部分的一个或几个截面处将一部分气体放到大气中或者重新引回压气机进口，以防止压气机在低速运行时发生喘振的一种方法。,43,中间放气的防喘机理,从压气机中间放掉部分气体，放气口前流量相对增大，放气口后流量相对减小，使首、末级的气流冲角均可以调整到接近设计值，从而消除喘振。,中间放气措施的优缺点,优点：简单易行，压比低于,10,以下时效果较理想。,缺点：经济性差，因放掉,10,15,经过压缩的空气。,放气口位置对放气效果的影响,(1),过分靠近压气机进口，放气效果不太明显；,(2),过分靠近压气机出口，经济性太差；,(3),大功率燃气轮机根据转速高低分别采用不同的放气口或不同数量的放气口放气，以此改善放气效果和经济性。,44,旋转导叶,将多级压气机某些级的导叶做成可以绕自身轴线旋转的结构，使导叶安装角可根据需要进行调整。,45,46,旋转导叶的防喘机理,压气机在低转速下靠近喘振边界运行时，若导叶不动，前几级将出现大的正冲角；转动导叶，改变安装角，可消除气流冲角，避免喘振。,导叶固定和旋转时气流速度三角形的变化,47,旋转导叶防喘的不足,旋转导叶不能在叶片的全部高度上同时消除正冲角，若保证平均高度上的冲角接近设计值，则叶顶和叶根处的冲角将仍然偏离设计值。,旋转导叶防喘措施的优缺点,优点：经济性好；,缺点：操纵机构及系统复杂，重量增加。,48,分轴压气机,将多级压气机分成,2,个甚至,3,个转子，分别由相应的燃气透平拖动。高压比燃气轮机常采用分轴的方法防止压气机喘振。,1,低压转子,2,高压转子,双转子（分轴）燃气轮机的结构,分轴压气机的防喘原理,双转子压气机利用高压透平拖动高压压气机，低压透平拖动低压压气机，于是当转速降低时能够使高、低压压气机的首级和末级的圆周速度与气流轴向速度都协调变化，结果使低压压气机的正冲角和高压压气机的负冲角消失，从而消除压气机的喘振。,分轴压气机防喘措施的优缺点,优点：可实现压气机转速与流量的协调，高压比下可保证防喘的要求。,缺点：需采用复杂的同心套轴结构。,49,设计压比,防喘措施,4,4.5,可不采用,6,中间放气；中间放气旋转导叶,(10,12),多个截面放气旋转若干级导叶,总压比,9,16,双转子（分轴）压气机（高、低压压气机压比保持在,3,4,之间）,更高设计压比,双转子（分轴）压气机中间放气和旋转导叶；三转子（分轴）压气机,50,防喘措施小结,（五）压气机的结构,燃气轮机的压气机轴侧图,51,52,压气机通流部分型式,平均直径逐级增大、级数少、气缸平直易加工。,末级平均直径小而叶片高，效率高。,级数和效率介于上述二者之间。,大流量高压比的压气机中采用前三者混合。,压气机的静子,气缸,作用：,（,1,）固定其它静子件；,（,2,）是整台机组的承力骨架（机组重量、压缩空气的内压力以及其它作用力）。,技术要求（铸造件）：,（,1,）高的刚性；,（,2,）良好的气动特性（气流流动损失应小）。,（,3,）出口采用扩压型式的流道。,53,静叶,作用：,把气流在动叶中获得的动能转变为压力能，同时使气流转弯以适应下级动叶的气流进口方向。,受力：气流作用力（考虑共振）,型式：直叶片,固定方式：,直接装配：,T,型和单钩型,静叶环：焊接静叶环和装配式静叶环,可调静叶,54,55,压气机静叶片,56,可调静叶,静叶环,直接装配的静叶,静叶,气缸,T,形叶根槽,压气机的转子,作用：,转子把从透平传来的扭矩传给动叶以压缩空气。,组成部件：,高速旋转部件（轮盘、轴、动叶片）以及装在一起的其他零件。,工作要求：,高的强度。,57,转子的结构形式,58,鼓筒式转子,盘式转子,盘鼓混合式,组成,鼓筒和半轴,轮盘、轴,(,红套,),轮盘、鼓环（焊接、径向销钉、拉杆式）,优点,结构简单，转子刚性好,轮盘强度好,转子刚性好，,转子强度高,缺点,靠鼓筒来承受离心力载荷，强度差,主轴细长、刚性差、临界转速低（柔性轴）,焊接式：不可拆卸,径向销钉式：不可拆卸、销钉孔周围应力集中严重,拉杆式：装配复杂、需对中心,适用场合,级压比低、通流部分是等内径或接近等内径的压气机,圆周速度较高的转子,焊接式：,ABB,公司,中心拉杆式：中小机组以及,Siemens KWU,公司的大机组,外围拉杆式：压气机直径较大的大功率机组，如,GE,公司,59,动叶,作用：,将透平的机械功传给空气，是压缩空气的关键部件。,设计要求：,（,1,）良好的气动性能,高的压缩效率和压比；,（,2,）足够的机械强度,承受巨大的离心力及气动力；,（,3,）振动性能好,避开共振且具有良好的振动阻尼；,（,4,）加工容易，便于拆装等。,60,61,轴流式压气机,配套,叶根,叶根的型式：,T,型叶根或燕尾型叶根,叶根的装配型式,62,气封,气封的用途：,进气端防止轴承座油雾吸入进气管道污染叶片；,出口端减少高压空气漏出，控制流到透平去的冷却空气量。,气封的结构,63,