Chapter8

CompressorandTurbine

壓氣機與透平

ThermalEnergyEngineeringDepartment工程熱力學

EngineeringThermodynamicsSAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-2SAM本章主要討論壓氣機及透平的整體熱力特性，即討論氣體在壓縮及膨脹過程中能量轉換的規律及狀態變化的特點，并建立各種基本關系式。本章中，除了對整體熱力特性有明顯影響的結構因素外，都不予討論。8-1概述Outline8-2回轉式輪機的工作過程

Workprocessofrotaryturbine8-3活塞式壓氣機的工作過程

WorkprocessofreciprocatingcompressorSummary

ThermalEnergyEngineeringDepartment8-3SAM壓氣機Compressor是用來壓縮氣體、提高氣體壓力的耗功設備；8-1概述OutlineThermalEnergyEngineeringDepartment8-4SAM壓氣機的用途很廣，由于使用場合及工作壓力范圍的不同，壓氣機在結構形式及工作原理上也有很大差別。容積式壓縮機的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；速度式壓縮機的工作原理是在其中高速旋轉的葉片使通過它的氣體加速，并使氣體的動能轉化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。是回轉式連續氣流壓縮機。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-5SAM開啟式

半封閉全封閉1.曲軸連桿式/立式壓縮機crankcase/verticalcompressor活塞壓縮機一般由殼體、電動機、缸體、活塞、控制設備及冷卻系統組成。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-6SAM2.斜盤式壓縮機swashplatecompressor

斜盤式壓縮機是軸向往復式雙向活塞結構，又稱雙向斜盤式，主要應用于汽車空調、空調及小型制冷工程領域，曾經是汽車空調的典型機型。

ThermalEnergyEngineeringDepartment8-7SAM搖擺式壓縮機是軸向往復式單向活塞結構，又稱單向斜盤式或搖板式。與斜盤式工作原理基本相同，上將靠在主軸上的搖板的搖擺運動變為單向活塞沿軸向的往復運動。3．搖擺式壓縮機swingcompressorThermalEnergyEngineeringDepartment8-8SAM4.刮片式壓縮機Doctorbladecompressor

(滑片式壓縮機slidingvanecompressor)ThermalEnergyEngineeringDepartment8-9SAM5.三角轉子式壓縮機triangularpistoncompressor

ThermalEnergyEngineeringDepartment8-10SAM6.螺桿式壓縮機ScrewcompressorThermalEnergyEngineeringDepartment8-11SAM7.渦旋式壓縮機scrollcompressorThermalEnergyEngineeringDepartment8-12SAM葉輪式壓氣機（impellercompressor）借助輸入的功率來帶動轉軸，利用高速旋轉的葉輪來推動氣體，然后再利用葉片之間空間所形成的變截面通道（起擴壓管的作用），使高速氣流降速增壓，實現對氣體的壓縮。分離心式（徑流式）與軸流式。8.離心式壓縮機centrifugalcompressor

由進氣系統、葉輪、擴壓器、集氣管等四部分組成。

在葉輪的中央(入口)吸入空氣，離心力使空氣以高速自徑向進入擴壓器通道，在擴壓器中，氣流被減速，獲得壓升。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-13SAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-14SAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-15SAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-16SAM

9.軸流式壓縮機axialcompressor軸流壓氣機廣泛用于燃氣輪機裝置、高爐鼓風、空氣分離、天然氣液化、重油催化等裝置中壓送空氣和其他氣體。氣體沿接近軸向流動的壓氣機，一般又稱為軸流鼓風機；動葉加速流體，靜葉起擴壓器作用，把速度轉化成壓升。近似于反動式渦輪機的逆過程。空氣通過軸流壓氣機不斷受到壓縮，空氣比容減小、密度增加。因而，軸流壓氣機的通道截面積逐級減小，呈收斂形，壓氣機出口截面積比進口截面積要小得多。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-17SAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-18SAM透平Turbine

透平是英文turbine的音譯，源于拉丁文turbo一詞，意為旋轉物體。回轉式壓縮機、汽輪機、渦輪機、煙氣輪機、膨脹機都可以叫透平機。

透平結構型式多種多樣,無論是徑向的或是軸向的，最主要的部件是旋轉元件（轉子或稱葉輪），被安裝在透平軸上，具有沿圓周均勻排列的葉片。

透平大都是先使氣流通過變截面通道，經過噴管時壓力下降流速增大，即流體所具有的能量轉換成動能，然后再利用高速氣流推動葉輪，從而驅動透平軸旋轉、透平軸直接或經傳動機構帶動其他機械，輸出機械功。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-19SAM透平按所用流體介質不同可分為水輪機、汽輪機、燃氣透平和空氣透平等。水輪機--水從高水位水庫沿通道流向處于低水位的水輪機的過程中，高水位水的勢能變成動能，推動水輪機旋轉。現代水輪機的主要用途是作為水電站的動力源，帶動發電機發電。汽輪機—steamturbine，高溫高壓蒸汽來自燃用礦物燃料的鍋爐，或來自核動力裝置加熱的蒸汽發生器，以高速度經噴管送到蒸汽透平，驅動轉子旋轉，將蒸汽的能量轉換成為機械能，該旋轉式動力機械又稱蒸汽透平。蒸汽流速很高，透平轉子尺寸較小,所以轉速可達10000轉／分。汽輪機主要用于火力發電廠，驅動發電機發電；也可直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽滿足生產和生活上的供熱需要。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-21SAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-19SAM

燃氣透平—燃氣輪機，它與壓氣機、燃燒室成為燃氣輪機裝置的三大主要部件。空氣供入壓氣機，壓縮成較高壓力和溫度的壓縮空氣，流入燃燒室與燃料混合、燃燒，形成高溫、高壓、高速的燃氣流，流入燃氣透平并推動燃氣透平旋轉，經透平軸輸出機械功。燃氣透平轉速高達每分鐘數萬轉。現代燃氣透平應用最廣泛的是作為噴氣式飛機的推進動力，有的用作艦船動力、發電廠、尖峰負荷用小型電站，也作為遠距離輸送天然氣的氣泵的動力。用作機車、汽車動力的燃氣透平還在研制試驗中。還有一種燃氣透平用于火箭發動機，它作為壓送火箭推進劑（燃料和氧化劑）的輸送泵的動力，由一個氣體發生器利用化學作用產生所需要的高溫氣體，吹動透平旋轉，帶動輸送泵運轉。

空氣透平--以壓縮空氣為工質推動透平旋轉，只能作為微小動力用。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-22SAM最早的渦輪增壓器用于跑車或方程式賽車上的，使發動機獲得更大功率。發動機是靠燃料在汽缸內燃燒作功來產生功率的，由于輸入的燃料量受到吸入汽缸內空氣量的限制，因此發動機所產生的功率也會受到限制，如果發動機的運行性能已處于最佳狀態，再增加輸出功率只能通過壓縮更多的空氣進入汽缸來增加燃料量，從而提高燃燒作功能力。因此在目前的技術條件下，渦輪增壓器是唯一能使發動機在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機械裝置。

渦輪增壓裝置其實就是一種空氣壓縮機，利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使空氣密度和壓力增加后進入汽缸，來增加發動機的進氣量，就可以燃燒更多的燃料。為此，相應增加燃料量和調整一下發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率了。渦輪增壓器turbocharger工作原理ThermalEnergyEngineeringDepartment8-23SAM一、回轉式輪機的理想過程對回轉式輪機，散熱量相對較小，一般都不必采用冷卻措施。可以看作是絕熱壓縮過程；理想可逆時則為定熵過程。在回轉式輪機進、出口界面上的動、位能變化，可忽略不計。

1.能量方程

0SSSF0絕熱有

壓氣機，忽略動、位能的變化消耗的的軸功使質量流的焓值增大。氣輪機，輸出的軸功是由質量流焓值的減小轉換而來的。8-2回轉式輪機的工作過程

WorkprocessofrotaryturbineThermalEnergyEngineeringDepartment8-24SAM2.熵方程

在可逆絕熱條件下回轉式輪機進、出口截面上的熵值必然相等。0SSSF00絕熱0可逆有ThermalEnergyEngineeringDepartment8-25SAM

3.方程0SSSF0絕熱0可逆可逆絕熱條件下回轉式輪機的軸功等于進出口質量流的焓之差。壓氣機，氣輪機，輸出的軸功是由質量流焓的減小轉換而來的。消耗的的軸功使質量流的焓增大。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-26SAM

三、回轉式輪機的實際過程回轉式輪機的實際過程并不是可逆絕熱過程，存在熵產與損。

0SSSF00絕熱ThermalEnergyEngineeringDepartment8-27SAM

回轉式輪機的絕熱效率adiabaticefficiencyofrotaryturbine

：實際絕熱過程12，可逆絕熱過程12s，回轉式壓氣機的絕熱效率adiabaticefficiencyofrotarycompressor

：在相同的初態及終壓的條件下，可逆絕熱壓縮過程的軸功與不可逆絕熱壓縮的軸功之比值。理想氣體，定比熱在相同初態及相同終壓下，回轉式輪機實際過程的軸功與理想過程的軸功之間偏離程度的物理量。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-28SAM在相同的初態及終壓的條件下，實際絕熱膨脹過程的軸功與可逆絕熱膨脹過程的軸功之比值。回轉式氣輪機的絕熱效率adiabaticefficiencyofrotaryturbine

：

理想氣體，定比熱ThermalEnergyEngineeringDepartment8-29SAM實際過程的功損與損（p181）功損及損都是表示實際過程相對于理想過程，其作功能力下降程度的物理量，它們的大小都可以作為實際過程與理想過程偏離程度的度量。是對同一個實際過程的作功能力的兩種不同的度量方法。實際過程的功損：

在相同的初態及終壓的條件下，定熵過程的軸功與實際絕熱過程的軸功之差值，稱為該實際過程的功損。功損在數值上就等于定壓下提高工質出口溫度所需的熱量。顯然，如果加以利用的話，這部分熱量在理論上仍有一定的作功能力。功損并非全是無法作功的無用能。實際過程的損:

在初、終兩態相同的條件下，最大有用功與實際絕熱過程的軸功之差值.

損就是功損中不可能再作功的那一部分無用能.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-29SAM例8-1

（p181）有一臺回轉式壓氣機每分鐘生產的壓縮空氣量為20kg。壓氣機從壓力為0.1MPa，溫度為17℃的周圍環境中吸入空氣，壓氣機的出口壓力為0.6MPa，壓縮過程可看作是絕熱的。如果壓氣機的絕熱效率為0.85,試計算驅動該壓氣機所需的功率以及實際壓氣過程的功損率及損率。分析：或①②ThermalEnergyEngineeringDepartment8-30SAM8-3活塞式壓氣機的工作過程

Workprocessofreciprocatingcompressor從熱力學觀點來看，各種形式的壓氣機并無本質區別，都包括：進氣→壓縮→排氣三個階段。一、壓氣機的壓氣過程compressingprocessofcompressor

壓氣過程可作為穩定流動過程，若忽略進氣和排氣的流動動能和重力位能，由有0SSSF

壓氣過程的兩種極限情況：可逆定熵壓縮過程reversibleisentropiccompress可逆定溫壓縮過程reversibleisothermalcompress

工程上壓氣機的實際壓縮過程介于兩種極限情況之間，若過程可逆，則為多變過程，n∈(1,k)

。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-31SAM可見因而，在壓縮過程中應力求使工質得到充分冷卻，使之趨于定溫壓縮。壓氣機的排氣溫度一般不超過160～180

C。

由于排氣溫度超過限定值，會引起潤滑油變質，從而影響潤滑效果，嚴重時還可能引起自燃甚至發生爆炸，所以不能用單級壓縮產生很高的壓力。實際上采用單級壓縮還是多級壓縮，要看壓縮終態溫度是否超過規定值。(1)1-2compressingprocess(2)2-3exhaustprocesswhen,theexhaustvalveopens.Statedoesnotchange,,themassofthegasintheclearancevolumeis,andThermalEnergyEngineeringDepartment8-32SAM(3)3-4expansionprocessPistonmovesright,thegasintheclearancevolumeexpands,thepressuredecreases,when,theintakevalveopens.stateofthegasinthecylinderdoesnotchange,themassrises,when,intakevalveisclose.(4)4-1intakeprocess二、單級活塞式壓氣機的壓氣過程及效率1.壓氣過程ThermalEnergyEngineeringDepartment8-33SAM余隙比clearanceratio氣缸的最大容積余隙容積clearancevolume

工作容積(排量)

workingvolumeofthecylinder有效吸氣容積effectiveaspiratoryvolumeThermalEnergyEngineeringDepartment8-34SAMAssumptions:thenatureofprocessisthesameinthecompressprocess1-2andexpansionprocess3-4.或ThermalEnergyEngineeringDepartment8-34SAM討論:

余隙容積對活塞式壓氣機的影響?余隙容積的存在理論上不影響壓縮單位質量氣體所消耗的軸功，但實際上由于存在膨脹和壓縮過程的不可逆損失，壓氣機耗功會增加。余隙容積的存在使氣缸有效吸氣容積減少，使總輸氣量減少。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-35SAM其中，增壓比2.容積效率volumetricefficiency則單級活塞式壓氣機的增壓比不宜過高，一般不超過12。設膨脹與壓縮過程的多變指數相同.increasedpressureratioThermalEnergyEngineeringDepartment8-36SAM如何用圖定性地表示容積效率隨增壓比及多變指數的變化情況？討論:ThermalEnergyEngineeringDepartment8-37SAM3.壓縮機等溫效率

isothermal

efficiencyof

compressor實際過程的功損：

在相同的初態及終壓的條件下，可逆定溫壓縮過程的軸功與實際壓縮過程的軸功之差值，稱為該壓縮過程的功損。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-38SAM例8-2（p185）有一臺活塞式壓氣機，其余隙比為0.05。若進氣壓力為0.1MPa，溫度為17℃，壓縮后的壓力為0.6MPa。假定壓縮過程的多變指數為1.25，試求壓氣機的容積效率。如果壓縮終了的壓力為1.6MPa，則容積效率又為多少？耗功是多少？解當終壓p2＝1.6MPa時，有

可見，增壓比提高，容積效率明顯下降。或ThermalEnergyEngineeringDepartment8-46SAM

例8-3（P187）有一臺活塞式空氣壓縮機，其氣缸有水套冷卻。若把空氣由0.1MPa及17℃的初態壓縮到0.6MPa的終壓，并已知壓縮過程的多變指數為n＝1.3，試確定該壓縮機生產每公斤壓縮空氣所消耗的功量及放出的熱量。如果在相同初態及終壓的條件下，可逆的絕熱壓縮及可逆的定溫壓縮，則結果又將如何？ThermalEnergyEngineeringDepartment8-46SAM例8-4

（P188）在初態及終壓保持不變的情況下，對上例中的活塞式壓氣機的冷卻條件加以改進。在穩定工況下測得出口溫度T2＝410K，生產每公斤壓縮空氣所需的功量為w12＝-170kJ/kg。試計算實際壓縮過程的放熱量，并確定實際過程的定溫效率、功損及損。分析：①由熱一律，有②④③⑤利用上方程求出熵產與損。三、多級壓縮

MultilevelcompressCharacteristicofmultilevelcompress：(1)gettinghigherpressure;(2)clearanceratioismorereasonable;(3)Intercoolerisused,temperatureofcompressisnothigh,exhaustingworkissmall.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-39SAMtwo-stagecompress為什么要采用多級壓縮？question：Solution：Assumptions:(1)gasisidealgas;(2),andtheprocessisreversible;(3);ThermalEnergyEngineeringDepartment8-41SAMWhentheworkinputisminimum?

question：，thenThermalEnergyEngineeringDepartment8-42SAMIf當壓氣機的各級多變指數相同、各級增壓比相同、且采用中間冷卻措施，