压缩机仿真学习：影响离心压缩机特性曲线的参数，你了解过吗?

在理想状态下，由能量守恒定律可知，叶轮产生的全部能量都转化成被压缩气体压力的提高。但是实际状况并非如此，压缩气体压力的提高和各部分的能量传递以及能量损失密切相关，其中对压缩机特性起重要影响的是冲击损失和摩擦损失，它们的共同作用决定了压缩机的特性曲线，因而，我们要从以下多个方面进行研究分析。

气体进入压缩机叶轮后，在叶轮高速旋转的作用下，能量得到提高。在这个做功过程中，气体的速度会发生变化，计算叶轮对气体的做功大小和计算冲击损失时，就必须研究压缩气体速度的变化规律，而叶轮出气口气流速度的分析也与进气口的分析相同。

离心压缩机的气体压缩过程主要存在两种损失，即在叶轮和扩压器上的冲击损失和在叶轮和扩压器上的摩擦损失。两者在判断压缩机的稳定工作区中，扮演了重要的角色。当然也存在其它的损失，如进气损失、混合损失和漏气损失，由于这些损失很小，在计算和实际应用中会被忽略。

由于流体冲击在转子和叶片扩压器上造成的冲击损失在塑造压缩机特性曲线时至关重要，目前应用最广泛的理论，一种是基于在切线方向上的动能损失，另一种模型假设在叶道内的气体流动是一个稳压过程。对于离心压缩机来说，这两种方法建立的冲击损失模型的预测结果差异很小，主要的不同在于零损失发生时流体的入射角。

第一个模型，零损失发生在流体的入射角和叶片的安装角相等的情况下。第二个模型并不是这样。用第一种方法建立的模型可以使得冲击损失曲线对称于设计流量点，且随着质量流量的平方变化而变化。当质量流量低于设计流量时，冲击损失会比在质量高于设计流量时大得多。这使得当流量低于设计流量时，压缩机的性能曲线比高于设计流量时的曲线形状更陡峭一些。

离心压缩机效率与理想状态下的损失与涡轮损失、回流损失及扩压器将流体动能转化为压力的能力有关。

涡轮损失发生的主要原因是流体不能利用径向动能流出扩压器。回流损失的发生是由于压力梯度存在于叶轮尖端区域，流体不得不重新进入叶轮，导致压缩机对回流的流体进行重新压缩。一般来说，对于有叶轮扩压器的压缩机，涡流损失会比无叶扩压器的损失大一些，因为在有叶扩压器的出口，有更大部分的动能是径向的。在扩压器中的减速升压过程是否有效，主要取决于扩压器的物理结构。

另外，离心压缩机效率还要考虑运行过程中的能量传递。离心压缩机的级对有效气体所消耗的总功，可以认为是由叶轮对气体做功，内漏气损失，轮阻损失三部分组成。叶轮对气体做功换成气体的能量，应注意到能量守恒是在质量守恒的前提下得到的，即要满足连续条件，同时，要考虑对黏性气体都是适用的。而在离心压缩机中，从外面加入的热量，以及向外界放出的热量，通常可忽略不计。

对于叶轮来说，原动机传给叶轮的总功有理论能量头、内漏气损失和轮阻损失，理论能量头主要是以机械能的形式传给气体的。这些能量及损失在级内不断地进行循环运动，不断地被压缩和膨胀而需要一定的外功，这部分外功变成了热量传给气体。

离心压缩机效率与理想状态下的损失与涡轮损失、回流损失及扩压器将流体动能转化为压力的能力有关。

涡轮损失发生的主要原因是流体不能利用径向动能流出扩压器。回流损失的发生是由于压力梯度存在于叶轮尖端区域，流体不得不重新进入叶轮，导致压缩机对回流的流体进行重新压缩。一般来说，对于有叶轮扩压器的压缩机，涡流损失会比无叶扩压器的损失大一些，因为在有叶扩压器的出口，有更大部分的动能是径向的。在扩压器中的减速升压过程是否有效，主要取决于扩压器的物理结构。

另外，离心压缩机效率还要考虑运行过程中的能量传递。离心压缩机的级对有效气体所消耗的总功，可以认为是由叶轮对气体做功，内漏气损失，轮阻损失三部分组成。叶轮对气体做功换成气体的能量，应注意到能量守恒是在质量守恒的前提下得到的，即要满足连续条件，同时，要考虑对黏性气体都是适用的。而在离心压缩机中，从外面加入的热量，以及向外界放出的热量，通常可忽略不计。

对于叶轮来说，原动机传给叶轮的总功有理论能量头、内漏气损失和轮阻损失，理论能量头主要是以机械能的形式传给气体的。这些能量及损失在级内不断地进行循环运动，不断地被压缩和膨胀而需要一定的外功，这部分外功变成了热量传给气体。

当流体在压缩机系统中的某个横断面上达到声速时，流体就会发生阻滞现象。阻滞流量取决于转子转速，叶轮在转子转速提高时，所能承受的极限流量也会变大。

由于流体的能量与质量流量成正比，压缩机压力升高时，通过能量传递会对进口温度，比热容等多个因素产生影响。为了建立流量压力升高的模型，也要考虑喘振工况，其值决定了旋转叶片在反方向提供给流体的阻力。在流量为负时，压缩机可以认作是偏正压力的节流装置。在压缩机实际工作中，为了生产安全的需要，应当尽量避免进入喘振区，同时，负流量在实际中无法测量，在工程上只需要画出正流量时的出口特性曲线。

离心压缩机通过叶轮的高速旋转对气体做功，使气体的压力得到提高，同时气体的温度也随之提高。如果在转速一定，入口条件也一定的情况下，压缩机的温度比是一个定值。

反映离心压缩机级的主要参数为压力比、效率及流量。为了便于把级性能清晰地表示出来，常常在一定的进口气体状态及某个转速下，用不同流量时的级压力或出口压力、级效率与进口流量表示出来。若忽略动能的变化，叶轮对气体所做的功主要用来提高气体的压力和克服流动损失。所以，要知道不同流量下压力提高的情况，还要知道不同流量下流动损失的大小。

在设计工况下，气流方向基本上和叶片方向一致，分离冲击损失小；当流量增大或减小时，分离冲击损失增大。离心压缩机机理模型在仿真时，压缩机的温度、压力、流量以及其它成分均来自现场DCS读取的过程数据。一般在设计工况附近，压缩机有最高效率，流动情况最完善；当流量增大时，由于摩擦损失和冲击损失明显增大，级效率将下降；当流量减小时，分离冲击损失明显减小。

此外，由于流量减小，相对的漏气损失和轮阻损失也增大，所以也使级效率降低。压缩机性能不仅反映了级压比、效率等与流量的关系外，也反映了级的稳定工况范围的大小。