[发明专利]一种压缩空气的单级叶轮机械

说明书

技术领域

本发明涉及压缩空气的轴流／径流／混流式通风机、鼓风机、压缩机中的单级叶轮机械，以及内燃机增压技术领域内涡轮增压器中的单级离心压气机和质子交换膜燃料电池空气供应系统中的单级离心压气机。

背景技术

压缩空气的多级鼓风机和透平压缩机，在空气压缩的热力过程中，广泛采用冷却技术。冷却的主要任务——减少压缩过程中空气的温度，从而减少达到给定增压压力时所耗用的压缩功，实现节约能耗。冷却方法可以分为下面几种：外部冷却(引出的冷却)、内部冷却、预先冷却、喷水或其它液体的冷却，以及上述几种方法的联合使用。相关内容参阅[苏联]B.Φ.里斯著(董孝强等译)《离心压缩机械》·第三章·第84～144页·北京·中国工业出版社·1965年1月。

依叶轮机械气动热力学原理知：在每一单级叶轮机械级的空气压缩热力过程中，外界机械功与单级叶轮机械级内气体能量间的交换只能在旋转叶轮内进行。因此，只有在叶轮这一转动元件内的空气冷却才能减少原动机(譬如电机)驱动该压气机级转动消耗的功率，其它固定元件(如扩压器、迴流器、蜗壳)内的气体冷却则均不会对该级耗功的节省有所贡献。

现有上述叶轮机械采用的所有冷却技术中，均无对单级或多级中的第一级(首级)叶轮内的空气压缩热力过程实施冷却节省耗功的应用先例，造成了巨大的能量浪费。为了改进现有技术的这一缺点和不足，本发明公开了一种新的改进方案。

发明内容

本发明的目的在于为压缩空气的单级(或多级叶轮机械中的首级)叶轮机械内的压缩热力过程的耗功节省提供一个实用性很强、技术成熟、结构简单、使用安全可靠、节能效果显著、技改成本低的技术方案。

本发明为实现上述目的采用的核心技术是往流入单级或多级中的首级叶轮机械的旋转叶轮进口的空气气流中喷水雾化加湿。

与现有技术采用的单级叶轮机械喷水冷却方式——在叶轮出口后加湿的情况不同，本发明在空气流入叶轮前的叶轮进口部位的气流中喷水加湿，实质上是对叶轮内部气体流动的压缩过程实施冷却。因为在一般大气环境条件下，水的定压比热约为空气定压比热的4倍；水的汽化潜热更是高达空气定压比热的2400倍。这样，由水和空气在叶轮进口由于喷水雾化加湿形成的混合气体——潮湿空气(含有较多水量的未饱和／饱和／超饱和潮湿空气)，在叶轮内的压缩热力过程中所产生的温升会因其中所含水份的吸热受到显著抑制，从而获得冷却的明显结果。

由热力学的分析可知：

●喷水加湿，增加流入叶轮内潮湿空气中的含水量，即使在喷入很少量水的情况下(例如在每公斤干空气中喷入10克水)，也能使轮内压缩过程的温度增升明显得到抑制，使整个压缩热力过程更接近等温压缩过程，显著减少了压缩过程耗用的功率。

●喷水冷却，即使在很小压缩比(π_c≈2)的情况，也能产生很好的节能效果，可节省功率5％左右。

●喷水冷却产生的耗功节省效果，随压缩空气的流量与压缩比的增加而提高。对于低压缩比，轮内压缩热力过程使空气的增温达不到水在该压力下的沸点时，则潮湿空气中所含雾化水滴的吸热量只是与含水量等同质量空气的吸热量的四倍；但对高压缩比，当轮内压缩空气的温升达到沸点温度时，比空气等压比热高达2400倍的水的汽化潜热吸热能力，就能强烈抑制空气在级内的温升，得到很好的耗功节省效果。

●空气在叶轮内的压缩热力过程，自叶轮进口至叶轮出口是一个压力和温度不断增升的过程。这一状况，可保证被压缩的轮内潮湿空气中的水蒸汽不会达到露点(相对湿度100％，低于该压力下的露点，水蒸汽就开始凝结)，轮内加湿雾化补入的水份可一直作为吸热剂对抑制级内空气温升发挥作用，同时也不致为因水蒸汽凝结放热和产生凝结水滴形成的“气水二相流动”内部附加流动损失对级内空气的压缩热力过程造成的不利负面影响而耽心。

●耗功节省部分在T～S(温～熵)图上的显示

喷水轮内冷却压气机级压缩实际热力过程1→2在T～S图上的显示如附图1所示。图中，诸热当量面积的含义如下：

曲边多边形122″ab1的面积——喷水轮内冷却压气机级耗用的多变压缩功；

曲边梯形13cb1的面积——级内气体流动摩擦、分离、泄漏和轮盘摩阻等造成的损失；

曲边多边形12dbc31的面积——冷却时传至外界的总热量，它等于过程1→2冷却传出的热量(曲边梯形12db1面积)与损失转化的热量(曲边梯形13cb1面积)之和，即面积12dbc31=面积12db1+面积13cb1。

参与对比的诸标准压缩热力过程的耗功热当量面积分别为：