透平压缩机培训资料

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一、基本工作原理
透平式压缩机也叫蜗轮式压缩机。

通常分为离心式压缩机和轴流式压缩机两种。

在全低压空分装置中，透平式压缩机得到广泛的应用。

离心压缩机，对于气体做功，是通过装在转子上的叶轮来实现的，叶轮在驱动机的带动下旋转，把所得到的机械能通过叶片传递给流过叶轮的气体。

因此气体在叶轮内的流动过程中，一方面加了气体本身的压力，另一方面又得到了很大的速度能（动能），气体离开叶轮后，这部分速度能，在功过叶轮后的扩压气，回流器弯道的过程中转变成为压力能，进一步使气体压力提高。

但是，在离心压缩机中，一个叶轮所能实现的压力的提高是有限的，一般压力比仅为1·3～2。

因此，为了得到某一个一定的压力，压缩机有许多级组成，级的固定元件，除了吸气室，扩压器，蜗壳外还有弯道和回流器。

现在我们介绍一下级中的工作轮与其相配的固定元件的的作用与原理。

（1）吸气室
吸气室是用来把所需压缩的气体由进气管或中间冷却器的出口均匀的吸入工作轮去进行增压。

因此，在每段压缩机的第一级进口都设置了吸气室。

（2）工作轮
工作轮也称为叶轮，它是压缩机中的一个最主要的部件。

气体在工作轮叶片的作用下，随着工作轮做高速旋转。

气体由于受旋转离心力的作用，以及在工作轮的扩压流动，使气体通过工作轮后的压力增高，此外，气体的速度也能同样在工作轮里得到提高。

因此，可以认为工作轮是气体提高能量的唯一部件。

（3）扩压器
气体从工作轮流出时，具有较高的流动速度。

为了充分利用这部分速度能，常在工作轮后设置了通流截面逐渐扩大的扩压器，用以把速度能转化为压力能，以提高气体压力。

（4）弯道与回流器
为了把扩压器后的气体引导到下一级工作轮去继续提高压力，在扩压器后常
设置了使气体拐弯的弯道，以及把气体均匀的引入下一级工作轮进口的回流器。

（5）蜗壳
蜗壳的主要目的是把扩压器后面的气体汇集起来，把气体引到压缩机的外面去，使它流向气体的输送管道或流到冷却器中进行冷却。

此外在汇集气体的过程中，在大多数的情况下，由于蜗壳外径的逐渐扩大，也使气体起到一定的降速扩压作用。

任何离心压缩机，都由级组成。

由于与工作轮相配合的固定元件不同，级的型式也很多，但从基本结构来看，它区分为中间级与末级两种。

中间级是由工作轮，扩压器，弯道，回流器组成。

末级时有工作轮，扩压器，蜗壳组成，气体经过这一级后，增压排出机外。

当压缩机要获得较高的压力，为了节省功率的消耗，避免压缩终了时气体温度过高，以及使压缩机后面的几级压力不致过分降低，常将气体压到某一压力后，先引到冷却器中进行冷却，降低气温之后再继续压缩。

这样依冷却次数多少可将压缩机分成几个段，一个段可以包括几个级，也可仅有一个级。

在段中的最后一级即属于上述的末级型式。

气体在压缩机中逐级提高压力。

为了减少气体在压缩机中的外部和内部的泄漏，在压缩机中必须设置各种密封，它是压缩机中的一个主要组成部分。

一般在机壳的前后设了前后轴封以减少外泄漏。

此外，在有些压缩机中，为了减少工作轮作用到止推轴承上的轴向推力，常设置了平衡盘。

二．工作轮叶片对气体的做功是提高气体的压力根源。

由于叶轮对气体做功，气体从进叶轮到离开叶轮的运动速度是有变化的，因此，在研究叶轮做功大小时，首先讨论，气体在叶轮中的运动速度，主要是气体在工作轮进口和出口的速度。

图一
图一给出了气体在叶轮进口和出口处的速度变化情况，这就是我们常说的，进、出口速度三角形，组成叶轮进出口速度三角形的气流速度有：圆周速度U，相对速度W，绝对速度C。

速度三角形的改变λ反映了气体通过叶轮后压力能和速度能得到了提高。

三．离心式压缩机的结构
离心式压缩机机组是由主机，驱动机，润滑油系统，密封系统和防喘振系统，冷却系统组成。

压缩机由气缸（壳体），固定元件，转子，密封元件，和轴承所组成，现介绍如下。

（一）·机壳：
机壳又称气缸，机壳的结构形式很多，但对机壳的基本要求，要有足够的强度以承受压力，要有足够的刚性以免变形，要有良好的严密性以免气体外泄。

壳体结构基本上分为水平剖分式和垂直剖分式两种。

水平剖分式就是将壳体分离成上下两部分，上盖可以打开，这种结构多用低压。

垂直剖分就是筒型结构，有筒型本体和端盖组成。

（二）·固定元件：
1．扩压器
气体经过工作轮提高了压力同时增加了速度，在工作轮出口处气体的绝对速度是很大的，因此为了使这部分动能转变为压力能，在工作轮后面设扩压器。

扩压器实质就是一个扩压通道，他的流动截面逐渐扩大。

当工作轮出口气体速度愈大，扩压所起的作用就愈大。

按结构可分为无叶扩压器和有叶扩压器、直壁扩压器。

无叶扩压器是一种最简单的扩压器，它是由两个平行的壁面构成的等宽度环形流道所形成的。

环形的内圆周面小于外圆周面，气体从内圆周面流向外圆周面时，速度逐渐降低，气体压力逐渐升高。

其优点是，结构简单，造价低，因为不存在叶片进口冲击损失，它在变动工况条件下具有较好的适应性。

其缺点是，气体按自由流动输送轨迹，做对数螺旋运动，路程较长，外径大，流动损失大，效率低些。

叶片扩大器内设有等厚度或不等厚度叶片。

气体在这种扩压器中受到叶片的导引，流动方向是按叶片的型线流动，改变了气体的方向角，缩短了流动的路线，因而获得更快的降速和增加。

它的优点是，相比之下，扩压器小，流动损失小，效率相应的增高。

它的缺点是：气体在流动时，气流对叶片进口产生冲击而使损失增加，当压缩机处于工况变化的情况下，适应性较差。

2．弯道和回流器：从扩压器出来的气流，通过弯道和回流器进入下一级叶轮。

弯道的作用是气体转弯，引导到回流器中去，在回流器中装有叶片，回流器叶片的进口角，是按照从弯道来的气流的气流角决定的。

气体应该是90度角离开回流器叶片，以使气流能轴向均匀的进入下一级叶轮进口。

一般在回流器中，仅引导气流流动，而不具有扩压作用，但在高圆周速度的压缩机中，往往要特殊设计回流器，使其具有一定的降速升压作用。

3．蜗壳：
为了把扩压器后面的气体引到压缩机外面，使它流向压缩机的输送管道或流到冷却器中进行冷却，都须要在压缩机各段的末级设置蜗壳。

蜗壳截面沿气流流动方向逐渐增大，而截面形式多种多样，有梯形，等宽梯形，半梯形，半等梯形，矩形和圆形，在一般情况下，梯形和圆形采用最多。

（三）转子
在压缩机中，汽缸内的转动部件称为转子，转子是由轴、叶轮、定位套筒、推力盘、平衡盘和联轴节组成。

（1）叶轮
外界的机械功是通过叶轮传给气体的，因此叶轮结构的好坏，对效率影响很大。

叶轮按叶片弯曲形式可分为径向型、径向出口型、前弯型和后弯型等四种。

从叶轮对气体做功的大小来看，前弯型做功最大，后弯型叶片做功最小。

径向型叶片介于两者之间。

从效率的角度来看，后弯型叶片效率最高。

由于效率是个很重要的经济指标，所以在大型的离心式压缩机中，都采用后弯型叶片的叶轮。

后弯型出口角在30度-60度之间，成为正常后弯型或压缩机型叶轮。

离心压缩机的叶轮是由叶盘，叶片，和轮盖三者组合而成，轮盘有闭式叶轮和半开式叶轮，闭式叶轮受轮盖强度的限制，叶轮的圆周速度一般在300米/秒以下。

从效率的角度来看，闭式叶轮比半开式叶轮效率高，所以大型离心压缩机采用闭式叶轮。

每个转子上叶轮数目一般为5～10个最多。

有的配置有两种，一种是单向排列，另一种是对置排列，这种排列轴向力平衡比较好。

（2）主轴
离心压缩机的主轴一般为没有台阶的光轴，有时也会在主轴向上铣出凹槽。

止推轴承放在径向轴承里边的主轴比较长一些。

主轴的刚性较差，第一临界转数也较低，但第二临街转数较高。

（3）推力及平衡盘
气体流过工作轮提高了压力，因此工作轮前后承受的气体压力不同。

对于工作轮按同一方向安装在主轴上的转子，由于每个工作轮轴向推力的迭加会使止推轴承的轴向推力过大，常采用平衡盘来解决。

利用平衡盘两侧的压力差产生于转子轴向力方向相反的力来进行平衡。

为了使压缩机转子始终维持一定的方向不变的轴向推力，除了采用平衡盘外，经常还采用双进气工作轮及将工作轮相对装套置的方法来减弱转子的轴向推力。

（四）密封
离心压缩机上采用的轴密封，主要有两类，一是迷宫式密封，二是浮环油膜
密封。

用于防止级间串气的为普通的迷宫密封；用于防止平衡盘两侧串气的为蜂窝式迷宫密封。

而浮环油膜密封则用来防止机内与机外在轴端处的漏气。

这里主要谈一下迷宫式密封，迷宫式密封的原理是，使气体通过缝道而获得很高的速度，同时它的压力就大大的降低，从能量观点上来说，就是使气体的压力能转化为速度能，而当气体流过缝道进入密封片间空腔时，由于截面积突然扩大，气流形成很强烈的漩涡，使它的速度能转化为热能，这样在次一密封室中的气体压力就比前一室低了许多，经过若干级减压，室后气体泄漏就很微小了。

在平衡盘与工作轮都进行了密封。

四．压缩机在使用中的异常现象：
1．喘振
喘振是离心压缩机本身固有的特性。

喘振的产生：任何离心压缩机按其结构尺寸，在某一固定的转速下，都有一个最高的工作压力，在此压力下，相应的有一个最低的流量。

当离心压缩机出口压力高于此数值时，就会产生喘振。

压力
原因：从图中可以看出，OB为喘振线，A点为正常工作时的工作点，此时通过压缩机的流量Q1。

由于某一个因素使工作点A沿着操作曲线向左移动到超过B点时，则压力超过了离心压缩机的最高压力，流量小于最低的流量Q2，这时工作点就移入压缩机的不移定区域，即喘振范围，压缩机不能产生与排出管线
中预先确定的相同压力，在短时间里产生了气体以相反方向通过压缩机的现象。

这时，压缩机的操作点将迅速移至左端操作线A1点，使流量变成了负值。

由于气体以相反的方向流动，使排气端的压力迅速下降，而出口压力降低后，又可能恢复到正常供气量，因此操作点A’，迅速移至右端正常工作点A，如果操作状态不能迅速改变，操作点A又会左移经过B点进入不移定区，这样反复的过程，就是压缩机的喘振过程。

现象：
发生喘振时，机组开始强烈震动，伴随发生异常的吼叫声，这种振动和叫声是周期性的，机身相连的出口管线也强烈的震动。

入口管线上的压力表指针大幅度的摆动，出口单向伐处发出周期性的开和关的撞击声，主电机的电流表指针大幅度摆动，流量表也大幅度摆动。

后果：
①迷宫密封损坏较大，使润滑油串入通道。

②严重的喘振使压缩机转子轴向窜动，烧坏止推轴瓦，叶轮又可能被打碎。

③更严重时，压缩机遭到破坏。

2．临界转数：
水平放置的轴都存在一定的临界转数，它是轴本身的一种特性。

轴的刚度转动惯量不同，临界转数也不同。

当轴还没有转动时，由于重力作用，轴是向下弯曲的，虽然弯曲量很小。

弯曲转过来后仍然是弯曲的，
由于轴在转动，弯曲也不断出现，表现出来就是震动称为自振。

自振频率和轴的刚度几何尺寸等特性有关。

轴本身和轴上安装的零件，由于制造和安装的原因，轴的中心和转动中心不可能在同一中心线上重合，一般相差0·03～0·05毫米。

由于中心偏差，转动起来就有一个离心力，此离心力使轴发生振动，振动的次数决定于转子的转数，转动一次就振动一次，所以叫强迫振动。

当自振和强迫振动的频率相等时叫共振。

共振时压缩机的转数叫临界转数。

在临界转数下，机器振动最大，对机组的破坏最大。

对一台离心式压缩机来说，临界转数不止一个，转数最低的一个叫第一临界转数。

在第一与第二临界转数之间运转压缩机，应使：1·3第一临界转数《=工作
转数《=0·8第二临界转数
五．离心压缩机的性能指标
离心压缩机的使用条件不变，会引起压缩机性能的改变，为了解改变的情况，可以做以下的计算：
① 基本换算公式
G p p N N G 0
01
10⨯⨯= 1----1
N
P P N N N 001
12
0⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 1----2
E =()()1
10010
1100121111000--⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡
+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯--⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛M M
M M M M M P M P N N ερρ 1
---3 P P 12E = 1----4
② 只有入口温度的改变
V=V 0 1---5
G T T G 01
1
⨯= 1---6
N T T N 0
1
1= 1—7
11000
100
011--⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=E M M
M M T T ε
1--8
③ 改变入口压力
V V 0= 1---9
P P G 01
1=G 0
⨯ 1---10
N P P N 0
011= 1—11
E =E 0 1--12 ④ 只改变转数 V N N V 0
0⨯= 1----13
V N N G 0
01
⨯= 1---14
N
N N N 03
0⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛ 1—15 1102
00001101--⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡
+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=E ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛M M
M M N N ε
1—16
式中：
V -------压缩机的缩气量 分米3
G --------空气流量 时公斤 N -------功率 瓦 E -------压缩比 M ------ 多变指数 ρ------气体密度 米公斤
3。