陕西鼓风机厂轴流压缩机培训教材.docx

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陕西鼓风机厂轴流压缩机培训教材

一、轴流压缩机的发展概况

二、轴流压缩机的基本工作原理

三、机组的自动调节及保安系统

四、轴流压缩机选型

五、轴流压缩机与管网联合工作

六、轴流压缩机配套辅机设备

七、其他

一、

轴流压缩机的发展概况

在十九世纪，轴流式鼓风机已应用于矿山通风和冶金工业的鼓风。

但限于当时的理论研究和工业水平还比较落后，这种风机的全压只有10～30mmH2O，效率仅达15～25%。

1853年都纳尔（Tournaire）向法国科学院提出了多级轴流式压缩机的概念。

1884年英国C.A.帕森斯（Parsons）将多级反动式透平反向旋转，得出了第一台实验用轴流式压缩机，但效率很低。

二十世纪初期，帕森斯制造了第一台轴流式压缩机，19级，流量85m3/min，压力12.1kPa·G，转速4000r/min，效率约60%。

由于效率低，故轴流式压缩机未能成功地推广应用。

从二十世纪三十年代开始，由于航空事业发展的需要，对航空燃气轮机进行了大量的理论和试验研究，特别是对轴流式压缩机的气体动力学的理论研究和平面叶栅吹风的实验研究，使轴流压缩机的理论和设计法不断完善，效率提高到80～85%。

从四十年代开始，轴流式压缩机已广泛应用于航空燃气轮机中，迄今仍占有很重要的地位。

现代轴流式压缩机的效率可高达89～91%，甚至更高。

瑞士尔寿（SULZER）公司是世界上轴流压缩机设计制造技术的先进代表。

1932年尔寿公司制造了世界上第一台增压锅炉使用的工业轴流压缩机，1945年尔寿公司制造了第一台轴流式高炉鼓风机，其流量为1200～1800m3/min，压力为78775～142179Pa（G），转速为5200r/min，功率为3900kW，由电动机驱动。

此后轴流式高炉鼓风机逐渐被采用，多为固定静叶式，由汽轮机驱动，通过改变汽轮机的转速来调节高炉使用工况。

这种压缩机的缺点是稳定工作区较窄，而且在部分负荷时压缩机的效率比较低。

为了改善变工况时压缩机性能，瑞士BBC公司（尔寿公司前成员之一）研制了静叶可调机构，并于1960年制造出第一台静叶可调轴流式高炉鼓风机。

其优点是在压力不变的情况下，流量围较宽而且变工况运行时效率降低不多，因而在大型高炉鼓风机中得到广泛应用。

静叶可调机构的主要问题是解决静叶支承轴承的可靠性和耐用性。

BBC公司采用了特殊的墨轴承，在200℃的条件下进行了5×106次转动试验，轴承磨损只有18微米。

按每小时转动25次计算，轴承寿命可达20万小时，如果每年工作时间按8000小时计算，可使用25年以上，故可认为是足够可靠耐用的。

随着世界各国氧气炼钢的飞跃发展，轴流压缩机在大型空气分离装置中亦获得了广泛应用。

六十年代初期，日本日立公司在10000Nm3/h的制氧机装置中采用了轴流压缩机，其空气流量为1083Nm3/min，出口压力为6.03bar（G），功率为6300kW，压缩机为双缸，气缸间设有中间冷却器。

近代制氧机装置中的空气压缩机多采用轴流式加离心式的复合式机型，如瑞士尔寿公司的等温压缩机ARI型和德国GHH公司的AGR、AKF型。

静叶可调轴流压缩机具有效率高、适于大中流量和工况调节围宽等特点，除了高炉、空分装置、炼油厂催化裂化装置、大型风源风洞、各种燃气轮机等传统用途外，随着油、化工等行业的发展而不断扩大新的应用领域，如热压缩装置、液化天然气装置、制药及动力装置等。

在能源日益紧缺的今天，世界各国把节能做为一项重要工作来不断开发新技术和新工艺，其中电站增压流化床燃气/蒸汽联合循环发电装置（PFBC-CC）已从试验进入实用阶段，轴流压缩机做为增压锅炉主风机得到推广应用。

大型钢铁厂为提高综合热效率，也成功地研制了高炉煤气单燃气燃烧综合循环发电装置（CCPP），其中的煤气压缩机采用了轴流压缩机。

另外，以前300～700m3高炉鼓风机多采用效率较低和工况调节围较窄的离心式鼓风机，由于轴流压缩机效率高、能耗低，以及没有放风损失，没有进口节流调节时压力损失等优点，现已开始广泛推广应用取代离心式压缩机。

我国的轴流压缩机发展起步较晚，也是从燃气轮机中的压缩机研究开始起步的，到20世纪六十年代未期第一台试制成功，1970年开始投运。

该轴流压缩机为全部静叶固定，效率约为85～86%。

1979年鼓风机（集团）有限公司从已有五十多年轴流压缩机生产历史、具有世界先进水平的瑞士尔寿兄弟有限公司引进了轴流压缩机的专利和技术秘密，包括试验研究、气动设计、结构设计、强度计算、产品图纸、工艺文件、工装图纸、质量控制、检验文件、技术标准和设计与工艺等的全新计算机软件，为中国的轴流压缩机设计制造技术的发展揭开了新篇章。

通过对尔寿轴流压缩机技术的消化、吸收、掌握、改进，到1986年完全实现国产化，设计、制造、加工水平完全符合国际有关通用标准以及用户的技术规，实现了替代进口的目标并销往国外，先后为冶金、油及化工、电站、制药和风洞试验等行业设计制造了140多台套轴流压缩机产品。

目前，陕鼓集团已成为国唯一独立设计、制造全静叶可调轴流压缩机的企业，其轴流压缩机技术处于国际先进水平，并为我国轴流压缩机的发展和设计应用起到了巨大推动作用。

二、轴流压缩机的基本工作原理

1、典型结构

一台全静叶可调轴流压缩机主要由机壳、转子、叶片承缸、调节缸、进口圈、扩压器、轴承等组成。

a、机壳：

又称外缸，即为支承部件（如叶片承缸、调节缸等）之用，又辅助作为进气、排气蜗室。

b、调节缸：

又称中缸，通过轴向移动改变静叶角度，从而改变压缩机的工作工况。

若为静叶固定型轴流压缩机，则无调节缸。

c、叶片承缸：

又称缸，支承静叶，又作为气体在压缩过程中气流通道。

d、转子：

是压缩机的最重要部件，转子上装有多级动叶。

通过转子的高速旋转来提高气体压力。

e、进口圈：

又称收敛器，它使气流逐渐均匀和适当加速。

f、扩压器：

它将压缩气体中一部分动能进一步有效转达化为压力能。

g、轴承：

支撑压缩机转子用。

包含支承轴向（径向）和轴向推力轴承。

图2-1轴流压缩机典型示意图

2、轴流压缩机的工作过程

一级动叶与紧跟其后的一级静叶构成轴流压缩机的一个级。

这种首尾相接、串联而成的各个级构成轴流压缩机最主要的工作部分，既压缩机的通流部分。

轴流压缩机的整个流道由进气管、进气蜗室、进口圈、进口导流叶片、通流部分、扩压器、排气蜗室、排气管组成。

其过程是：

①气流首先通过进气管进入进气蜗室。

气体在进气蜗室中的流动不均匀。

②由进气蜗室进一步流入进口圈（又称收敛器），气流逐渐轴向均匀流动，并适当加速。

③进口圈后是第0级进口导叶（又称进气导流器），气流经过导叶后更加均匀并以一定的速度和向进入第一级动叶和后面的通流部分。

④当气流通过最后一级动叶和最后一级静叶后进入扩压器。

扩压器的作用为将大部分动能进一步转化为压力能，提升压力。

⑤从扩压器出来的高压气体进入排气蜗室，改变向流至排气管处。

⑥通过与排气法兰连接的管道送入工艺系统供风。

气体流经高速旋转的动叶时，动叶将机械能转变为气体的压力能和动能，从而提高了气体的压力和速度。

在能量转变过程中有少部分机械能通过其它损失式转变为热能，故压缩过程中气体温度会逐渐提高。

气流流经静叶时，一面将部分动能进一步转化为压力能，起到扩压作用，另一面将气体以一定速度和向引入下一级动叶。

通过一级气体的压力提高了。

对于一般固定式轴流压缩机叶栅，其单级压比通常为1.1～1.25。

故一台轴流压缩机往往是通过多级的串联工作达到所需要的压力。

轴流式压缩机的命名缘于气体在逐级压缩过程中基本是沿轴向向流动的

三、机组的自动调节及保安系统

为了满足工艺系统的要求和保证机组安全可靠运行，机组设置了以下调节及自动保护系统。

1、轴流压缩机的防喘振调节

压缩机工作时，如果工艺系统管网阻力增加，使压缩机出口压力增高，流量下降，叶片气流冲角增大，这样在叶片背面产生气体分离，形成脱离区，使压缩机出口压力突然下降，一般随着压力下降分离消失，压力再升时这种分离反复发生形成喘振。

重时还会出现气体的倒流。

喘振使叶片产生强烈振动，并使压缩机机壳温度急剧升高，持续下去就会使压缩机损坏。

为了防止喘振的发生，在压缩机出口设置了两个防喘振调节阀，根据实测的喘振线标定防喘振阀的放风线进行防喘控制。

实际操作中根据压缩机喉部压差确定的流量和出口压力，在接近排放线时，使防喘振阀打开，增加风机出口流量，从而保证压缩机在安全区域运行。

2、压缩机的逆流保护

逆流保护是压缩机喘振的第二道保护措施，如果防喘振系统失灵，逆流保护可使压缩机迅速进入安全运行。

如逆流继续存在机组则紧急停机。

3、机组的监测保护

为了保证机组的安全运行，机组设置了润滑油压力、动力油压力、机组振动、轴位移等一系列监测保护。

另外机组还设置了整套的逻辑程序控制系统，完全由计算机程序控制来保证机组的安全运行。

4、润滑油系统

润滑油站为三机组，提供润滑油。

油站采用两台电动油泵互为主辅油泵。

采用双联冷油器和过滤器，均为一台工作，一台备用。

5、动力油系统

动力油站是为轴流压缩机静叶可调装置中的伺服马达提供所需的动力油。

油站是选用两台恒压变量轴向柱塞泵，两台泵互为备用。

油站配有两台滤油器和一台冷油器。

油站选用两个蓄能器并配备一套充氮工具，以便在突然停电时，将静叶关小到最小角度。

油站中油箱和油管路均采用不锈钢材料。

油站配有一个就地检测仪表盘。

四、轴流压缩机选型

1、轴流压缩机与离心压缩机的比较

由于轴流压缩机气体压缩过程的流道短且简单，气体转向变化小，基本是沿轴向流动，离心压缩机压缩气体的流道长且有较多的急剧转弯，因而轴流压缩机损失小，效率高。

另外，轴流压缩机的叶栅在空气动力学面的理论研究和试验工作相对比较充分，试验数据和设计法比较成熟，所以轴流压缩机效率通常比离心压缩机高8%～10%。

压缩相同容积的气体时，具有复杂流道的多级离心压缩机机器尺寸比轴流压缩机大的多，重量重成本高。

因而离心压缩机适合于中、小流量的场合，轴流压缩机适合于中、大流量的场合。

轴流式压缩机：

适合于大、中流量，中等压力围，流量在950m3/min以上，一般流量越大越好，但一般受压缩机结构限制，单台最大流量一般小于17500m3/min；压比一般适合于2.5～7.2。

当流量较大时，可采用两台轴流并联式；当压力较低可采用特殊结构；当压力更高时，可采用一台轴流与一台离心或一台轴流串联式。

采用全静叶可调式轴流压缩机，调节工况围宽，不用放风运行，效率高，比离心式压缩机效率高10%左右，省功节能，噪音低。

离心式压缩机：

适合于1000m3/min以下流量，单缸离心压缩机一般允压比小于9，压比再大可采用一台多缸串联式离心式压缩机。

离心压缩机效率低，能耗大；调节工况围窄，在较多情况下存在放风损失；采用进口节流调节，存在压力损失，噪音大，但技术简单，造价低。

我国在50～80年代由于轴流压缩机技术落后，在流量1000m3/min到3000m3/min或4000m3/min以下多采用离心式压缩机，如K3250、K4250、0-2700、AK1300等。

图3-1全静叶可调轴流压缩机与进口节流离心压缩机工况调节范围比较

现今由于轴流压缩机技术日益成熟，流量在1000m3/min以上，已广泛采用效率高、节能效果较好的轴流压缩机。

全静叶可调轴流压缩机流量调节围（非等力工况调节）可达约50%～115%以上，进口节流调节离心式压缩机的流量调节围（非等力工况调节）约为85%～105%，而若为排气管网自调的离心压缩机只能沿其一条性能曲线调节，调节围更小。

离心式与全静叶可调轴流式压缩机工况调节围的比较见图3-1。

依一台450m3高炉鼓风机为例，轴流压缩机与相应的离心式压缩机相比，由于效率高和没放风损失等每年节能约275.6万元。

功率对照如和表3-1。

流量越大，节能越明显。

表3-1轴流、离心式压缩机在各工况点效率、耗功对比表

压缩机型式

单位

A

B

C

D

E

进口压力

Bar（A）

0.941

0.941