第二章 鼓风机设备及运转原理.docx
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第二章鼓风机设备及运转原理
第二章鼓风机设备及运转原理
从上一章节中，我们已提及鼓风机是反涡轮机械，其将从外界取得的能量转换成气体的压力能。
在国民经济的许多部门中，使用鼓风机服务于自己的工艺流程，因而是一种重要的动力机械。
本章节将简单介绍鼓风机设备及运转原理，作为设备运行的基本知识。
第一节轴流式压缩机的特点
压缩机通常分为离心式与轴流式两大类。
离心式压缩机中的气体从轴向进入动叶轮中，气流产生90°的转折，在动叶通道中，通过动叶与气流的相互作用，沿着弯曲的叶片通道从外圆流出，见图2—1。
随着风机容量的增大，叶轮直径也相应地增大，由于叶轮的旋转角速度ω（＝2πn/60）高，其圆周速度u＝R·ω也将提高。
对于金属材料来说，其承受的动应力将使材料强度受到威胁，危及机组的安全。
前苏联曾制造了世界上最大的离心式压缩机，出口风压为0.45MPa（A），出口风量为5500m3/min。
随着高炉向大型及特大型方向发展，采用高风压大风量的冶炼方式，离心式压缩机就远远不能适应要求了，取而代之的是轴流式压缩机。
对于轴流式压缩机而言，其转子为整锻的转鼓，动叶镶嵌在转鼓上，气流沿着轴向流动，气流的转折少，这为大容量的压缩机开拓了广阔的应用前景。
图2—1离心式压缩机的叶轮简图
和离心式压缩机相比，轴流式压缩机有如下优缺点。
优点：
1.特性曲线较为陡峻，适合于高炉的定风量运行；
2.气流转折少，效率高；
3.结构上适合于大流量。
缺点：
1.动叶对于尘埃较为敏感，即动叶积尘埃后效率下降较大；
2.高效区接近于喘振区；
3.安全要求高。
尽管有上述缺点，如在设施上加以考虑，轴流式压缩机仍十分广泛地应用在各大型及以上高炉上。
离心式与轴流式压缩机的特性曲线示于图2—2。
PP
Q
Q
a）离心式b）轴流式
图2—2离心式与轴流式压缩机的特性曲线
轴流式压缩机现有两种拖动方式，即汽轮机拖动和同步电机拖动。
同步电机拖动具有设备操作、维护简单、启动快等优点，但需要配置价格相对昂贵的变频启动装置，以及在电网中皆为大容量（30万千瓦以上）的发电机组时，其效率低的缺点方可弥补。
汽轮机拖动虽然效率较高，但其具有设备操作、维护复杂，而且启动时间长等缺点。
究竟取舍谁，这要进行综合比较而定。
第二节鼓风机本体设备
本站1、2＃鼓风机组是汽轮机拖动的从动机械，而3#机由同步电动机拖动，皆由西安陕鼓动力股份有限公司制造。
工艺流程见图2—3。
空气首先被吸入布袋式空气过滤器过滤，尔后进入鼓风机经压缩后，以一定风量、风压排出，经逆止阀、送风阀、配风阀送往高炉。
在逆止阀前的送风管上，接有两并联的放风阀，经消音器排入大气。
图2—3鼓风机简单工艺流程
一、技术参数
1.型号AV80—15
2.型式全静叶可调轴流式压缩机
3.级数15
4.静叶调节范围（≮）22～79
5.出口风压（MPa）0.3985
6.进口风量（m3/min）5300
7.功率（kw）23791
8.介质空气
9.大气温度（℃）16.5
10.进气压力（kPa）0.0994（A）
11.工作转速（r/min）4150
12.转向从汽轮机看顺时针方向
13.临界转速（r/min）
第一水平临界转速1100
第二水平临界转速2650
第一垂直临界转速1600
制造厂保证工况点的性能见下表。
项目
单位
主要参数
季节
夏季
冬季
平均
工况点
A
B
C
D
E
进口流量
m3/min
6000
5350
3550
4500
5300
进气温度
℃
27.9
27.9
5.2
5.2
16.5
进口压力
MPa（A）
0.09852
0.09852
0.10032
0.10032
0.09941
出口压力
MPa（A）
0.45
0.2325
0.229
0.38
0.3985
相对湿度
％
89
89
60
60
79
轴功率
kw
31405
21605
11883
18167
23791
工作转速
r/min
4150
二、轴流压缩机的本体结构
压缩机的本体结构剖视见图2—4。
图2—4压缩机的纵剖面图
由图可见，压缩机有三个缸，即外缸、中缸及内缸。
外缸外缸即机壳，其由上机壳和下机壳两部分组成，为水平剖分型，上、下机壳在中分面处用预紧力螺栓相联接，进、出气法兰均垂直向下。
机壳分四点支承在底座上，四个支承点设计在接近下机壳中分面处，分布在下机壳的两端，机组运行时，具有一定的稳定性，减少了由于热膨胀而引起的机组热变形。
四个支撑点其中一端（排气端）两点为固定点，另外两个点（进气端）为滑动点。
外缸的作用其一是使内缸承受较小的温差，减少热变形，其次是外界空气的尘埃不能进入内缸。
外缸的两端装有密封件，与转子上密封齿片一起组成密封装置，减少气体外泄。
中缸中缸即调节缸。
其作用在于调节压缩机的各级静叶角度，以满足变工况的需要。
安装在机壳两侧的油缸伺服活塞在电液伺服阀的控制下，通过连接平板带动调节缸再作轴向往复运动，缸体则又带动各级沟环和嵌在环内的滑动子一起运动，而滑动子带动曲柄杆使静叶产生转动，从而达到调节静叶角度的目的。
有关内容请参见图6—9。
调节缸由钢板焊接而成，水平剖分面，中分面用螺栓连接，分四点支撑在外缸上，安装在外缸与内缸之间。
内缸内缸又称叶片承缸，是压缩机的气流通道部分，在内缸内有导叶和15级静叶，在缸体上每一静（导）叶装有两个支承轴承，静叶及其附件静叶杆全部支承在轴承上。
静叶轴承是由DU合金和石墨材料制成的，属于无油润滑轴承，有很好的自润滑作用和密封作用。
为了防止气体从静叶轴承间隙中向外部泄漏，每个静叶的柄部都装有一个“O”型密封环。
平衡管和排气管压缩机的外部各有一根高压平衡管道和排气管道。
高压平衡管道的作用在于，将排气侧的高压气体引向进气侧的平衡活塞的一侧，而另一侧则为进气侧的空气，平衡活塞两侧的气体压力差，对转子产生由进气侧指向出气侧的作用力，以平衡机组运行时转子由出气侧指向进气侧的一部分轴向推力，减轻推力轴承承受的推力负荷。
压缩机因轴向推力不是很大，高压平衡管道仅作为备用。
在管道上设有一阀门，在开机时全关，运行时可根据推力轴承温度适当调节。
排气管道是将排气侧密封后的气体及内缸漏入机壳的空气一起排向大气。
进口管道压缩机的入口是一个渐缩通道，其作用是使气体加速，从而可使气流均匀地进入压缩机的进口导叶，使进口导叶栅引导气流进入第一级动叶，以改善进口处地气流流动特性。
出口管道空气经压缩机压缩后，其出口气流仍有一定的余速，在出口部分的扩压器中，经渐扩截面通道，气流进一步减速，压力升高。
转子压缩机的转子类同于汽轮机的转子，为转鼓式，15级动叶镶嵌在转鼓上。
压缩机的工作过程与汽轮机正相反，是一个压缩减速的过程。
当压缩机转子被汽轮机拖动旋转时，空气从动叶通道中获得能量，速度增加，压力升高，流出动叶后，在静叶通道中，速度降低，压力进一步得到提高，尔后再流入下一级动、静叶升压，逐级被压缩后最后进入扩压器再升压，最后由排气管以一定压力、流量送往高炉。
在第一章节中，我们曾规定动叶+静叶为一基本作功单元，称为一级，这和汽轮机的正好相反，转子的旋转方向是由凸弧指向凹弧，也和汽轮机中的相反，见图1—4。
前后轴承箱前轴承箱位于进气侧，内有椭圆型的支承轴承，和汽轮机一样也有顶轴油导入。
在壳体转子穿出的两侧设有挡油环，防止油向外界泄漏。
再往前，轴端装有联轴器挡，与汽轮机的联轴器挡采用膜片式联轴器连接。
后轴承箱位于排气侧，内有支承—推力轴承，支承轴承也为椭圆型轴承，而推力轴承则为转子上推力盘两侧各设十块推力瓦块，以承受转子在运行中产生的由排气侧指向进气侧的一部分推力，转子的热膨胀也是以推力盘为支点，向进气侧膨胀。
支承轴承下部也有顶轴油进入，与前轴承一起由一台顶轴油泵供油。
壳体在近排气侧一端，同样设有挡油环，防止油泄漏。
鼓风机除本体设备外，还有空气过滤器，动力油站、两台放风阀及调节保护系统等附属设备，前者见第三章节内容，而后者内容见第六章节。
第三节级的工作原理
同样，空气在压缩机的通流部分，即动、静中的工作过程，是一个十分复杂的课题，因而不是本章所能讨论的。
本章节只是简单地说明一下其工作原理。
在汽轮机中，蒸汽在静、动叶中，即在级中的工作过程，是一个膨胀特性，而在鼓风机中，呈现的则是压缩的特性。
因而其通道是不同的。
根据上节的介绍，在鼓风机的气流通道中，进口部分、静叶及出口扩压器均为静止的部件，既不向外输出功，也不接受机械功，只是气体本身的压力能和速度能（动能）之间的转换，因而他们的流动规律，符合伯努利的能量守恒方程式：
C12+P1=C22＋P2
2gγ12gγ2。
从式中可以看出，在通道中流动的气体其总能量保持不变（忽略位差和流动损失）。
当出口处的C2升高时，其压力P2将下降，反之，亦然。
P究竟是升高还是下降，这要取决于通道的特性。
a）b）
图2—5气体在渐扩通道中的流动
图2—5显示的是截面渐扩通道。
由图可见，气体以P1及C1进入通道，由于截面不断扩大，其流速C将逐步下降，最后以C2、P2流出通道，由于C2↓,导致P2↑,这时速度能转换成了压力能。
同样由图b）可见，由于是减速气流，由于气体之间的摩擦力，以及气体与通道壁之间的摩擦力，在通道壁附近的气流可能会产生停滞，基至产生回流，这在汽轮机的加速渐缩通道中是不会发生的。
而在动叶通道中，气体接受了机械功，其情况就要复杂得很多。
图2—6即为鼓风机的一个基元级叶栅图。
图2—6基元级叶栅图
在级中，其工作过程如下。
从图可知，动叶栅以圆周速度u旋转，上一级的静叶栅出口气流以速度C1流入本级的动叶栅，而进口气流相对动叶栅的速度为w1，气流经动叶栅作功后，以w2、C2流出动叶栅，压力由P1升至P2。
尔后，气流以P2、C2进入本级静叶栅，在静叶栅中，速度C2降至C3，压力由P2升至P3，再流入下一级动叶栅中，继续压缩。
我们把气流相对于静叶栅的速度C称为绝对速度，气流相对于动叶栅的速度w称作相对速度，而u则为牵连速度。
C、w、u各自在动叶栅的进、出口组成速度三角形，应使用平行四边形法则进行合成，即c＝w+u，见图2—7。
在图中，我们将动叶栅的顶点和叶尾各自的连线称谓叶缘，绝对速度C1与叶缘的夹角α1叫做进气角，而相对速度w1与叶缘的夹角ß1称作进口角（冲角），同理α2、ß2分别叫做出气角和出口角。
根据动量定理可知，气流在绕流动叶时，其速度的大小和方向均发生了变化，则动叶对气流必有一个作用力存在，正是凭借此力使动叶获得的机械能转换成气体的压力能。
从图2—6中，动叶对气流的作用力为F，将其分解成圆周分量和轴向分量分别为Fu和Fa，根据牛顿第三定律可知，气流对动叶的反作用力为—Fu，则Fu和Fa也要反向。
Fu称为圆周力，Fa为轴向力。
—Fa并不作功，只产生轴向推力，而Fu将对气流作功。
图2—7动叶的进出口速度三角形
圆周力Fu对气流每秒钟所做的功为Ni，称为轮周功率，用Ni表示：
Ni=Fu•u
经变换后得，
Ni=qm/2[（w12-w22）+（C22-C12）]。
式中qm—每秒钟通过动叶通道的空气量，kg/s。
在上述公式中，相对速度w1下降为w2，在动叶渐扩通道中转换成压力能，气流从进口处的P1至出口上升至P2，而流速从C1上升至C2，尔后在静叶的渐扩通道中减速至C3，使压力从P2进一步上升至P3，完成了一级的作功过程。
这也就是说，气流在级中的升压过程，一部分在动叶中完成，另一部分在静叶中完成，为此引入反速度ρ的概念。
我们将在动叶中升压占整个级升压的份额称为级的反速度ρ，即
ρ＝动叶中的升压/整级的升压。
一般来说，采用ρ＝0.5，即动、静叶中的升压各占一半，它具有效率高的优点。
对于一级来说，我们所关心的工作参数为压比ε、效率η、功率Ni及流量qm等。
压比ε：
定义为级出口压力与进口压力之比，
ε＝P3/P1。
效率η：
为气体所获得的有效功与实际功耗的比值，
η＝气体所获得的有效功/实际耗功。
功率Ni：
用于提高气体压力和克服各项内损失所消耗的功率，单位为kw。
流量qm：
单位时间内通过级的气体量，单位为kg/s或m3/s。
第四节多级压缩机
由于单级叶栅的升压有限，为了获得一定的出口压力，压缩机通常采用多级压缩，各级之间是串联连接，沿着轴向一级一级按顺序通过气流，直至出口，如图2—8所示。
图2—8压缩机中的压缩过程
压缩机的压缩过程，从本质上来说，是一个多变压缩过程，其热力学公式如下：
Pvm=Const（常数）。
式中m—多变指数；
v—气体的比容，m3/kg。
由于在压缩的过程中，气体的压力P不断增高，其比容v随着下降，这就要求级的动、静叶通道截面减小，所以动、静叶的叶高逐级在减小。
对于多级压缩机来说，最关心的运行参数大致和单级叶栅的一样。
1．压缩比ε
ε＝P2/P1。
式中P1—压缩机进口处的压力，MPa；
P2—压缩机出口处的压力，MPa。
2．气体流量Q
单位时间内压缩机输出流量，通常用m3/min表示。
按国家规定，都应折算成标准状态下计算。
3、效率η
气体获得的有效功与压缩机轴端所获得的实际耗功之比，它反映了压缩机性能的优劣程度，寻求高效的优良机组，一直是人类追求的目标。
4．功率N
用于提高气体压力和克服压缩机各项损失所消耗的功率，单位为kw。
功率的计算公式比较复杂，除与压比ε及流量Q有很大关系外，还与其它一些因素有关，其中进气温度对功率的影响也较大。
进气温度越高，分子之间的运动越激烈，对其压缩需要耗更多的功，因而冬季与夏季压缩机在同一工况时其消耗的功率是不等的，冬季要好些。
除上述主要运行参数外，压缩机还存在一个安全运行区域问题，见图2—9所示，压缩机应在制造厂规定的有效使用区域运行。
由于压缩机的通道为减速渐扩通道，因而当压缩机运行在某些工况点时，会产生只有在压缩机中才会发生的如下一些现象。
图2—9轴流压缩机的有效使用区
1．失速
当压缩机的流量小于一定值时，动叶背弧严重脱离，直至通道受到堵塞，气流产生强烈的脉动，出气管内的气流噪音异常，出口压力和进口流量激烈波动，吸风口的温度突然上升，机组强烈振动等，这就是失速，也就是所谓的喘振现象。
喘振对机组的危害极大，因而应极力避免之，见第六章节内容。
2．阻塞
压缩机在低压区运行时，在某一工况点，再降低风压，流量不再增加，此时在动叶的凹弧区产生气流的停滞，动叶将受到一个稳定的应力作用，使机组的振动加大，这就是阻塞现象。
在发生阻塞现象时，对动叶并无大碍，但长期在此工况下运行也是不利的。
如风压过低，可适当关闭送风阀，抬高压缩机的出口风压。
制造厂并无这方面的规定，也许此问题在设计制造方面解决得较好而致。
对压缩机的运行等问题如有兴趣，请参看有关书籍。
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