泵和压缩机 第二章离心压缩机1.8 离心压缩机的主要零部件

(1) 机械密封的组成及工作原理
组成
⑴ 主要密封件：动环（旋转）、静环（紧固静止） ⑵ 辅助密封件： 密封圈（O形、V形等 ⑶ 压 紧 元 件： 弹簧、推环等 ⑷ 传 动 元 件： 弹簧座、键、固定螺钉等
2. 机械密封
1-静环，2-动环，3-压盖，4-弹簧，5-弹簧座，6-固定螺钉，78-密封圈，9-防转销
1.8.2 扩压器
⑵ 叶片扩压器：叶 片引导气流，强制气 流按叶片方向运动
优点：扩压度大、流 道短，摩擦损失小
缺点：结构复杂、偏 离设计工况时，有冲击 损失，性能曲线陡、稳 定工况区窄。
1.8.2 扩压器
⑵ 叶片扩压器： c D3 3 sin 3 c3 D sin
1.8.2 扩压器
⑶ 直壁扩压器：叶片引导、直壁扩压 优点：速度、压力分布均匀，设计工况下不易
干气密封
干气密封
与机械密封相比，干气密封具有如下优点：
1.密封使用寿命长、运行稳定可靠； 2.密封功率消耗小，为接触式机械密封5%左右； 3.与其他非接触式密封相比，干气密封泄漏量小； 4.可实现介质的零逸出，是一种环保型密封； 5.密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护。
1.8.4 轴向推力的平衡
压缩机
--建筑环境与设备工程专业
（华东）化工装备与控制工程系
离心压缩机
1.1 离心压缩机的主要构件及基本工作原理 1.2 气体在级中流动的概念及基本方程 1.3 级中能量损失 1.4 级的性能曲线 1.5 多级离心压缩机的性能曲线 1.6 相似原理在离心压缩机中的应用 1.7 离心压缩机和管路联合工作及工况调节 1.8 离心压缩机的主要零部件
1. 迷宫密封
平滑行迷宫密封
曲折形迷宫密封
台阶形迷宫密封
径向排列的迷宫密封
蜂窝形迷宫密封
1. 迷宫密封
➢ 原理： ① 气流在齿缝中绝热膨胀，v↑、P↓、T↓； ② 气流在密封片之间，等压膨胀(涡流使动能消失)，T↑；
逐次重复气流、p越来越低，比容越来越大，最后压力趋 于背压pd，温度保持不变，达到密封目的。
1.8.1 叶轮
叶轮的主要设计参数：
叶
片
安
装
角1
A、
2
、
A
流
量
系
数
2
、
r
叶
轮
相
对
宽
度 b2 D2
轮径比 D1 、以及叶片数z等。 D2
要求：
① 单级叶轮使气体获得较大理论能头（压力增值）；
② 级有较高效率，稳定工况区宽；
③ 叶轮强度高，有较大的圆周速度，及大的单级压比。
1.8.1 叶轮
1、叶片弯曲形式： 2A 30 ~ 60 压缩机型
1. 迷宫密封
1. 迷宫密封
➢ 特点： 有一定漏气量，靠漏气造成的压降平衡密封前后压差。
密封效果应从3方面着手： ① 减小齿缝面积； ② 增加片数，减小每个密封片前后压差； ③ 增大局部阻力（曲折形），动能→热量
➢ 齿数 6<Z<35,齿数太多，轴向尺寸大，效果并不明显。
1、迷宫密封：
有关漏气量的计算公式：
3.浮环密封
➢ 适用：
高压、高速、密封要求高场合。可以做到零 泄露。
3.浮环密封
为了防止密封液从浮环与固定环间短路，在浮环与固定环接触的端 面处装有橡胶密封圈，这种浮环结构因密封圈摩擦力大，使浮环的 浮动性较差，在开车时容易损坏。高压侧的浮环，因流过的液量少， 环易发热，严重时会使浮环与轴套相互摩擦而烧坏。故有的在浮环 上开有许多轴向孔，同时使进液口偏置在高压侧，使密封液通过浮 环上的轴向孔以加强环的冷却也有在高压浮环上开若干条径向槽来 代替孔。
产生边界层分离和二次涡流，流动损失小
缺点：结构复杂、 易产生冲击损失， 性能曲线陡、稳 定工况区窄。
1.8.3 密封装置
主要型式：机械密封、迷宫密封、浮环密封、干气密封等。
1. 迷宫密封
又称梳齿密封，用于空气、氮气二氧化碳等无毒害气 体的轴封，另外轮盖、级间平衡盘上也常用。 ➢ 型式：
平滑形 曲折形 阶梯形
易生分离损失 不易分离损失
效率低 效率高
1.8.1 叶轮
速度分布不均匀程度： ➢ 前弯不均匀程度大 效率低； ➢ 后弯不均匀程度小 效率高。
叶片入口安装角β1A的确定是要尽量避免气体进入叶道 时的冲击损失。
1A 30 ~ 34 压缩机型 1A 25 ~ 30 水泵型
1.8.1 叶轮
⑶ 静压能头：
3.浮环密封
➢ 原理 浮环与轴套之间充满液体，轴
转动时，类似于滑动轴承原理，在 环、套形成的偏心圆柱间隙内形成 油膜，产生流体动压力，将浮环托 起；油膜起到节流降压作用，阻止 了高压侧气体泄露。称油膜密封。
Q Dc 3p 1 3 2 12l 2
4 抽气密封
它是在两段迷宫密封之间，增加一段环形空间， 利用抽气器在环形空间造成低压，同时把泄漏气 体抽出，被抽出气体可以送至安全处排放。 若 抽气器工作介质与被压缩气体相同，混合气体， 可以再返回介质系统，降污节约介质。
•半开式：通常采用径向直叶片，强度好，允许圆周速度及
单级压力比较高。但是叶轮侧面泄露损失较大，级效率稍低。 以提高单级压力比、减轻重量和结构尺寸为目的，主要用于 运输式离心压缩机和鼓风机。
1.8.2 扩压器
作用：将部分速度能转化为静压能，同时收集及引出气 体。 包括：无叶扩压器、叶片扩压器和直壁扩压器
前弯叶轮理论能头大，但静压能头 小。
反作用度表示静压能头与理论能头 之比。
从提高级压力比的角度，在离心压 缩机中，一般用后弯和径向叶轮， 通风机中有时用前弯。
⑷ 级稳定工况范围
2
小，稳定工况范围宽
A
2.叶轮结构
叶轮常用型式：闭式、半开式。
•闭 式：由轮盘、叶片和轮盖三部分组成，轮盖开孔大、
强 度低，限制了圆周速度u2的提高。具有较高的级效率，主 要应用于离心式压缩机和鼓风机。
2. 机械密封
（2） 机械密封的结构型式 机械密封的结构型式很多，主要是根据摩擦副的对数、 弹簧的数量、介质和端面比压、以及介质的泄漏方向来 划分。
① 内装式和外装式
内装式：弹簧在 泵内（动环在内 ）
外装式：弹簧在 泵外（动环在外 ）
2. 机械密封
② 平衡型和非平衡型
载荷系数：
k
D22 D22
④单端面和双端面 单端面：只有一对摩擦副 双端面：两对摩擦副背靠背设置
2. 机械密封
机械密封的核心部件是摩擦副——静环和动 环。
材料选配时，通常是动、静二环采用一硬一 软配对，只有在特殊情况下(如介质含固体颗 粒)才以硬对硬材料配对使用。
国内常用摩擦副材料有石墨、硬质合金、陶 瓷及青铜等。石墨多用作静环。
2A 15 ~ 30 水泵型
（1） HT 分析 ：前弯 HT 大
后弯 HT 小
（2）级效率
径向 HT 中
反作用度
R
1 2
1 2
2r
ctg
2
A
，在 u2 , c2r 相同时
后弯 R 大，绝速小 损失小 效率高
前弯 R 小，绝速大 损失大 M 较高 效率低
叶轮
1.8.1 叶轮
扩压度及分离损失： ➢ 前弯：叶道短 当量扩张角大 ➢ 后弯：叶道长 当量扩张角小
7,8-前后轴封，9-级间密封，10-叶轮进口密封，11-平衡盘
1.8 离心压缩机的主要零部件
转子：工作时转动的零部件 主要包括：轴、叶轮、平衡盘、推力盘等。
定子：工作时不转动的零部件 主要包括：吸入室、机壳(气缸)、隔板、密封和平衡盘等。
气缸
气缸是压缩机的壳体，又称为机壳。由壳体和进 排气室组成，内装有隔板、密封体、轴承等零部 件。对它的主要要求是：有足够的强度以承受气 体的压力，法兰结合面应严密，主要由铸钢组成。
干气密封最初是为解决高速离心压 缩机轴封问题而出现的，由于密封非接 触运行，因此密封摩擦副材料基本不受 PV值的限制，特别适合作为高速、高 压设备的轴封。随着干气密封技术的日 益成熟，其应用范围也越来越宽广，目 前，干气密封正逐渐在离心泵及搅拌器 上得到应用。总之，凡使用机械密封的 场合均可采用干气密封。
筒型
垂直剖分型〔筒型):
垂直剖分型汽缸适用于中、高压压缩机。
优点: 第一，筒型缸体强度高; 第二，筒型缸体泄漏面小，气密性好; 第三，筒型缸休的刚性比水平剖分型好，在 相同条件下变形小。 筒型缸体的最大缺点是拆装困难，检修不便 。
隔板
隔板是形成固定元件的气体通道。进气隔板和气 缸形成进气室，将气体导流到第一级叶轮入口。 中间的隔板用处有2个，一是形成扩压室，使气体 流出后具有的动能减少，转变成压强的增高：二 是形成弯道流向中心，流到下级叶轮入口。排气 隔板除了与末级叶轮前隔板形成末级扩压式之外， 还要形成排气室。
齿缝间隙中气速小于音速时
m1 Ds
pa pb pa pb a
zpa
齿缝中气流为音速时
m1cr Ds
pa a
z 1 1 2
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40
2. 机械密封
机械密封： 端面密封 动密封
由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压 力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及 辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构 成的防止流体泄漏的装置。
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（1） 闭式叶轮轴向推力的计算
后一页图为闭式叶轮侧面的受力情况。向右的轴
向力由F0和F1组成，其中
F0
p1
4
( D12
d
2 j
)
qmC1Z
向左的轴向力为F2，故叶轮总的向左的轴向推力为
F F2 F1 F0
4
(D12
d
2 m
)
p2
u2
32
(
D12
d
2 m
)
1 2D22
(D14
水平剖分型
水平剖分型:
水平剖分型汽缸有一个中分面，将汽缸分为 上、下两半，分别称为上、下汽缸，在中分 面处用螺栓把上、下两半机壳连接在一起。 机壳法兰结合面具有良好的密封性能，并在 安装时将上、下两半机壳法兰结合面淦上密 封胶，保证不漏气。一般进、排气接管或其 他气体接管都装在下汽缸，以便起吊上汽缸 方便。当上、下两半汽缸拆分开后，可对下 汽缸内的零件如转子、隔板、密封等进行检 查和拆装。
dm4
)
4
(D12
d
2 j
)
p1
qmC1Z
(2) 半开式叶轮轴向推力的计算
F2
D2
2 dm
2
pr2 2 dr
4
(D22
dm2 ) p2
u2
32
(
D22
d
2 m
)
1 2D22
( D22
d
2 m
)
假定在D1到D2之间Pr1的分布为
1 转子承受的轴向力
(1)闭式叶轮轴向推力的计算 (2)半开式叶轮轴向推力的计算
2 轴向推力的平衡措施
(1)叶轮对排 (2)叶轮背面加筋 (3)采用平衡盘(亦称平衡活塞)
一、 轴向力的产生
a、叶轮两边压力分布不均匀；
方向指向叶轮入口。（A1 ） b、液体流动动反力； 方向指向轮盘侧。（A2）
＠CUPC
5 干气密封
干气密封是二十世纪六十年代末期从 气体动压轴承的基础上发展起来的一种新 型非接触式密封。该密封利用流体动力学 原理，通过在密封端面上开设动压槽而实 现密封端面的非接触运行。经过数年的研 究，英国的约翰克兰公司于七十年代末期 率先将干气密封应用到海洋平台的气体输 送设备上，并获得成功。
干气密封
D02 D12
K≤0时： 完全平衡型； 介质压力对密封面不起作用
0<K<1时： 部分平衡型； 介质压力影响变小
K≥1时： 非平衡型；
全部介质压力都加在密封端 面上
2. 机械密封
③单弹簧和多弹簧
单弹簧：又称大弹簧，密封装置中只有一个大弹簧套在轴上. 多弹簧：又称小弹簧，密封装置中多个小弹簧沿泵轴圆周均匀分布。
连续性定理
m D3b3 3c3r Dbcr
cr
D3 D
b3 b
3 压器
⑴ 无叶扩压器：
c cr2 cu2
为常数。
c
D3 D
c3r
2
D3 D
c3u
2
D3 D
c3
无叶扩压器的扩压（降速）能力主要是依靠直径D的增大 来达到的，这就是扩压器的扩压原理。
2. 机械密封
四个可能泄漏点：
A：动密封点。
动环与静环之间的接触面上，
主要依靠泵内液体压力及弹簧力 将动环压贴在静环上防止泄漏。 B、C、D：静密封点。较容易通过垫片、O形圈等实现密
封效果。
机械密封的特点：
将容易泄漏的轴封改为较难泄漏的静密封和端面径向接触的动密封。 与填料密封相比，机械密封具有泄漏量小、能耗低、寿命长等优点。 同时也存在造价高、制造安装要求高等缺点。
⑴ 无叶扩压器：平行板 环形通道
优点：结构简单；工况 适应性好、稳定工况区较宽， 不会形成激波。
缺点：扩压度低、气流 方向角不变，流动路程长， 摩擦损失大、设计工况下级 效率较低。
1.8.2 扩压器
⑴ 无叶扩压器：
动量矩守恒定律
cu
D 2
c3u
D3 2
cu
c3u
D3 D
1.8.2 扩压器
⑴ 无叶扩压器：