离心压缩机培训基础知识罗文山.docx

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离心压缩机培训基础知识罗文山

离心压缩机

离心式压缩机是属于速度式透平压缩机的一种。

在早期，离心压缩机是用来压缩空气的，并且只适用于低、中压力和气量很大的场合。

但随着石油化工工业的迅速发展，离心压缩机被用来压缩和输送各种石油化工生产过程中的气体，其应用范围有了很大提高。

尤其近十几年来，在离心压缩机设计、制造方面，不断采用新技术、新结构和新工艺，如采用高压浮环或干气密封结构，较好地解决了高压下的轴端密封，采用多油楔径向轴承及可倾瓦止推轴承．减少了油膜振荡，圆筒形机壳的使用解决了高压气缸的强度和密封性；电蚀加工使小流量下窄流道叶轮的加工得到解决。

所有这些，都使离心压缩机的使用范围日益扩大，在石油化工生产中得到广泛的应用。

一、离心压缩机的主要构件

图2－1是BI120－6.35／0.95型离心压缩机剖面图。

该机的设计参数是：

进口流量为125m3／min，排气压力为6.23*105Pa;工作转速达13900rpm，压缩机需用功率为660kw，用于输送空气或其他无腐蚀性工业气体。

由图上可看出．该机由一个带有六个叶轮的转子及与其相配合的固定元件所组成，其主要构件有：

（1）叶轮是离心压缩机中唯一的作功部件。

由于叶轮对气体作功，增加了气体的能量，因此气体流出叶轮时的压力和速度都有明显增加。

（2）扩压器是离心压缩机中的转能装置。

气体从叶轮流出时速度很大，为了将速度能有效的转变为压力能，便在叶轮出口后设置流通截面逐渐扩大的扩压器。

（3）弯道是设置于扩压器后的气流通道。

其作用是将扩压后的气体由离心方向改变为向心方向，以便引入下一级叶轮去继续进行压缩。

（4）回流器它的作用是为了使气流以一定方向均匀地进入下一级叶轮入口。

在回流器中一般都装有导向叶片。

（5）吸气室其作用是将进气管（或中间冷却器出口）中的气体均匀地导入叶轮。

（6）蜗壳其主要作用是将从扩压器（或直接从叶轮）出来的气体收集起来，并引出压缩机。

在蜗壳收集气体的过程中，由于蜗壳外径及通流截面的逐渐扩大，因此它也起着降速扩压的作用。

除了上述组件外，为减少气体向外泄漏在机壳两端还装有轴封（如干气密封）；为减少内部泄漏，在隔板内孔和叶轮轮盖进口外圆面上还分别装有密封装置（一般为梳齿密封,也叫迷宫密封）；为了平衡轴向力，在机器的一端装有平衡盘等。

在离心压缩机中，习惯将叶轮与轴的组件称为转子，吸气室和蜗壳等称为固定元件。

二、工作原理

离心压缩机的工作原理与离心泵有许多相似处。

但气体是可压缩的。

气体由吸气室l吸入，通过叶轮2对气体作功后，使气体的压力、速度、温度都得到提高，然后再进入扩压器3，将气体的速度能转变为压力能。

当通过一个叶轮对气体作功、扩压后不能满足输送要求时，就必须把气体引入下一级继续进行压缩。

为此，在扩压器后设置了弯道4、回流器5，使气体由离心方向变为向心方向、均匀地进入下一级叶轮进口。

至此，气体流过了一个“级”，再继续进入第二、第三级压缩后，经蜗壳6及排出管12被引出至中间冷却器。

冷却后的气体再经吸气室l进入第四级及以后各级继续压缩，最后由排出管12输出。

气体在离心压缩机中是沿着与压缩机轴线垂直的半径方向流动的。

由图2－l还可看出，该机的六个级都装在一个机壳15中，这就构成一个“缸”。

而中间冷却器把“缸”中全部级分成两个“段”。

故EI120－6.35／0.95型离心压缩机是一台“一缸、两段、六级”的压缩机，一至三级为第一段，四至六级为第二段。

当所要求的气体压力较高，需用叶轮数目较多时，往往制成多缸压缩机。

各缸的转速可以相同，也可以不同。

一台离心式压缩机总是由一个或几个级所组成的，所以“级”是离心压缩机的基本单元。

在级的分析和计算中，着重分析、计算级内几个关健截面上的参数。

这些关健截面的位置，如图2－2所示。

图2—2级的关键截面位置

S吸气室进口法兰截面，O叶轮进口截面，1叶轮叶道进口截面，2叶轮出口截面，3扩压器进口截面，4扩压器出口截面，5回流器进口截面，6回流器出口截面〔即级的出口截面d〕

三、离心压缩机的主要优缺点

（1）排量大如420万吨/年焦化气压机的排气量为910m3/min。

图2－3表示出活塞和离心压缩机等的应用范围。

图2—3活塞和离心压缩机等的应用范围

（2）结构紧凑、尺寸小机组占地面积及重量都比同排气量的活塞压缩机小得多。

（3）运转可靠机组连续运转时间在一年以上，运转平稳，操作可靠，因此它的运转可靠率高，而且易损件少，维修方便。

因此，目前长距离输气、石油化工企业用的离心压缩机多为单机运行。

（4）气体不与机器润滑系统的油接触在压缩气体过程中，可以做到绝对不带油，有利于气体进行化学反应。

（5）转速较高适宜用工业汽轮机或燃气轮机直接驱动，可以合理而充分利用石油化工厂的热能，节约能源。

离心压缩机的缺点：

（1）还不适用于气量太小及压力比过高的场合。

（2）离心压缩机的效率一般仍低于活塞式压缩机。

（3）离心压缩机的稳定工况区较窄。

四、离心压缩机的性能曲线

效率分析：

在设计工况下运行时，由于气体流动情况与叶片几何形状最协调，流动损失最小，这时效率最高。

当流量不等于设计流量时，随流量增大或减小，流动损失增大，效率下降。

因而性能曲线呈现出中间高，两头低的形状。

由于目前对离心压缩机中各元件的流动损失还处于研究阶段，要精确计算各种损失仍缺乏完整可靠的数据。

因此，离心压缩机级的性能曲线，还不能用理论计算的方法准确地得到，只能在一定转速、介质下，对压缩机的级逐点实际测试，得出性能曲线。

或者由已有的性能曲线利用相似理论进行换算。

图2-4离心压缩机的性能曲线

1喘振工况

离心压缩机的性能曲线不能达到流量等于零。

当流量减小到某值（称为最小流量Qmin）时，离心压缩机就不能稳定工作，发生强烈振动及噪音，这种不稳定工况称为“喘振工况”，与之对应的流量称为“喘振流量”。

压缩机的喘振是一个很复杂的物理现象，它既与气流边界层有关．又与压缩机所在的管网系统（容积和背压）有关。

压缩机决不允许在喘振工况下操作。

2堵塞工况

当级中流量不断增大时，气流冲角不断减小，以致变成较大的负值，在叶片的工作面上发生边界层分离，但不易扩展。

流量加大，摩擦损失及冲击损失都很大；当流量达到某最大值Qmax时，气体获得的理论能头全部消耗在流动损失上，使气体压力得不到提高。

或者，当流量增大到最大值Qmax时，叶道喉部截面上的气速达到音速，这时流量再也不可能增大了，称为级达到堵塞工况。

所以压缩机性能曲线右端只能到Qmax。

由性能曲线还可看出，在每一个转速下，曲线的左端是各自的喘振点，将这些点连接起来，形成性能曲线上的一条喘振界限，压缩机只能在喘振界限右边正常工作。

根据以上对压缩机性能曲线的分析，可得出以下结论：

（1）在一定转速下，增大流量，压缩机的压力比将下降，反之，则上升。

（2）在一定转速下，当流量为设计流量时，压缩机效率达最高值。

当流量大于或小于设计流量时效率都将下降。

（3）压缩机的性能曲线左端受到喘振工况（Qmin）的限制，右端受到堵塞工况（Qmax）的限制，在这两者之间的区域为压缩机稳定工况区。

稳定工况区的宽窄，是衡量压缩机性能好坏的重要指标之一。

（4）压缩机级数越多，则气体密度变化影响越大，性能曲线越陡，稳定工况区越窄。

（5）转速越高，压力比越大，但性能曲线越陡，稳定工况区越窄。

随着转速的升高，压缩机的性能曲线向大流量、高压力方向移动。

此外，在一般情况下，只作出压缩机稳定工况区内的性能曲线。

喘振区内的性能曲线，只有在专门做喘振试验时才表示出来。

喘振点大多发生在压比流量性能曲线的最高点左边的下降线上，有时下降段也画在图上．但经常仍是以最高点作为喘振点，因为这样偏差不大，且更安全。

图2-5不同的转速下离心压缩机的性能曲线综合图

六、离心压缩机的主要零部件

离心压缩机由很多零件组成，我们通常把工作时转动的零部件称为转子，主要包括轴、叶轮、平衡盘、推力盘等；把不转动的零部件称为定子，它包括吸入室、机壳、隔板、密封和轴承等。

扩压器、弯道、回流器和蜗壳，实际上是机壳与隔板之间，或隔板与隔板之间形成的不同形状的气体通流空间。

在离心压缩机的主要零部件中，有些与离心泵的相类似，如吸入室、蜗壳、轴向力、平衡装置、机械密封等。

现对叶轮、扩压器及密封装置进行讨论。

1、叶轮

叶轮是离心压缩机的传能部件。

和离心泵一样，对叶轮的要求主要有：

单级叶轮能使气体获得较大的理论能头或压力增值；叶轮所组成的级有较高的级效率，且性能曲线的稳定工况区较宽；叶轮要有较高的强度，以使有较大的圆周速度，使气体获得较高的单级压力比。

若满足上述要求，则与叶轮的结构型式、几何参数和流动参数有关。

以下就结构型式方面进行分析。

图2-6不同叶片弯曲形式的叶轮

（a）前弯叶片型（b）径向（出口）叶片型；（c）径向直叶片型；（d）后弯叶片型

1.1叶片弯曲形式

叶轮通常分为前弯叶片型叶轮、径向叶片型叶轮和后弯叶片型叶轮。

径向叶片型叶轮又分两种形式，一种是气体径向进入叶道，具有弯曲叶片的径向（出口）叶片型叶轮，另一种是径向直叶片型叶轮，在叶轮入口处设有一个导风轮，气体是轴向进入叶轮的。

后弯叶片型叶轮通常将叶片出口角β2A为30~60度的叶轮称为压缩机型叶轮，β2A为15~30度的叶轮称为水泵型叶轮。

（1）从叶轮使气体获得理论能头HT大小分折

根据欧垃方程，

理论能头HT大小与β2A有关。

在其他条件相同时，前弯叶片型叶轮的HT最大，后弯叶片型叶轮的HT最小，径向叶片型叶轮的HT居中。

（2）从级效率方面分析

前弯叶片型叶轮的级效率最低，后弯叶片型叶轮的级效率最高，径向叶片型叶轮居中。

（3）叶轮使气体获得静压能头的大小分析

不仅希望叶轮有较高的级效率，还希望它能使气体获得较大的静压能头，以便有较高的级压力比。

从提高级压力比的角度出发，在离心压缩机中一般只用后弯型和径向叶片型叶轮。

只有在通风机中有时才用前弯叶片型叶轮。

（4）从级的稳定工况范围分析

试验证明由β2A小的后弯叶片型叶轮组成的级，具有较宽的稳定工况范围。

1.2叶轮结构

在离心压缩机中常采用的是闭式叶轮和半开式叶轮。

闭式叶轮是由轮盘、叶片和轮盖三部分组成，如图中a、b、d所示。

闭式叶轮的轮盖开孔大，强度低，这就限制了叶轮圆周速度的提高，一般都在320m/s以下。

提高级压力比，提高圆周速度的一个有效途径，就是采用半开式叶轮。

半开式叶轮没有轮盖，如图c所示。

通常采用径向直叶片，叶片直接连在轮毂上，工作时叶片本身不产生弯曲应力，叶片所受到的离心力也不完全要通过轮盘才传到轮毂上，相反，叶片本身会起到加强筋的作用，有利于轮盘的强度。

所以，这种叶轮的强度高，可采用较大的圆周速度来获得较高的单级压力比。

对于常用钢材，最大允许圆周速度可达450－540m/s单级压力比可达6．5。

但从级效率来看，由于没有轮盖，叶轮侧面间隙较大，内泄漏损失较大，故级效率比后弯闭式叶轮低一些。

径向直叶片半开式叶轮是由叶轮本体（直叶片部分）和导风轮部分（扭曲叶片部分）组成。

导风轮是叶轮的进气部分，气流在导风轮进口处的圆周速度是从叶片根部向顶部逐渐增加的，因此气流角的大小也是随半径的增加而减小。

为了减少气流进入叶道时的冲击损失，导风轮进口处的叶片做成空间扭曲形的。

从制造工艺来看．叶轮有铆接、焊接、精密铸造、钎焊及电蚀加工等结构形式。

精密铸造多用于铝合金叶轮；钢制的叶轮多采用铆接或焊接结构；对叶道宽度很小（2mm以下）的叶轮可用电蚀加工，且尺寸精度高，表面质量好。

综上所述，后弯叶片闭式叶轮具有较高的效率，是固定式离心压缩机和鼓风机叶轮的主要结构型式，其中水泵型叶轮具有较宽的稳定工况范围，可选用较小的流量系数来获得较宽的叶道，有利于减小流动损失，所以常用于小流量级和高压级。

径向直叶片半开式叶轮目前主要用于运输式离心压缩机和鼓风机上，因为这时把提