离心式压缩机

一、离心式压缩机的发展概况

离心式压缩机是透平式压缩机的一种，具有处理气量大，体积小，结构简单，运转平稳，维修方便以及气体不受污染等特点。随着气体动力学研究的成就使离心压缩机的效率不断提高，又由于高压密封，小流量窄叶轮的加工，多油楔轴承等技术关键的研制成功，解决了离心压缩机向高压力，宽流量范围发展的一系列问题，使离心压缩机的应用范围大为扩展，以致在很多场合可取代往复活塞式压缩机。

二、离心压缩机的工作原理和基本结构

1、工作原理

一般说，提高气体压力的主要目标就是增加单位容积内气体分子的数量，也就是缩短气体分子与分子之间的距离。为了达到这个目标，除了采用挤压元件来挤压气体的容积式压缩方法以外，还有一种用气体动力学的方法，即利用机器的作功元件（高速回转的叶轮）对气体作功，使气体在离心力场中压力得到提高，同时动能也大为增加，随后在扩流道中流动时这部分功能又转变为静压能，而使气体压力进一步提高，这就是离心式压缩机的工作原理或增压原理。

2、基础结构

下面分别叙述压缩机流道中各组成部分（或称为通流元件）的作用。

吸气室：压缩机每段的第1级入口都设有吸气室，其作用是将气体从进气管均匀地导入叶轮的入口以减小气体进入时的流动损失。

叶轮：叶轮是离心压缩机中最重要的一个部件，驱动机的机械即通过此高速回转的叶轮叶片对气体作功而使气体获得能量，它是压缩机中唯一的作动部件，故亦称工作轮。叶轮一般是由轮盖、轮盘和叶片组成的闭式叶轮，也没有轮盖的半开式叶轮。

扩压器：气体从叶轮流出时，具有很高的速度，为了使这部分速度能尽可能地转化为压力能，在叶轮外缘的周围设置了流通截面逐渐扩大的流通空间，这就是扩压器。扩压器是由前后隔板组成的环形通道。其中不装叶片的称为无叶扩压器，装有叶片的称为叶片扩压器。

弯道：为了把从扩压器流出来的气体引导到下一级去进行再压缩，在扩压器外围设置了使气体由离心方向改变为向心方向的环形通道，称为弯道。弯道是由隔板和气缸内壁组成的环形空间。

回流器：为了使气流以一定方向（一般是轴向）均匀地进入下一级的叶轮入口，又在弯道的出口设置了回流器，使气体依靠回流器中的叶片的导流作用均匀地向心流动，然后流入下一级叶轮。回流器是由两块隔板和装在隔板之间的叶片构成的。

蜗壳：蜗壳的作用是将由扩压器（或由叶轮）出来的气流有序地汇集起来而引出压缩机。在有些情况下，由于蜗壳中的气流速度有所下降，这时蜗壳也可起一定的扩压作用。

压缩机中间各级一般是由叶轮、扩压器、弯道及回流器组成；第1级还带有吸气室、末级则有蜗壳，但没有回流器，末级也可能没有扩压器。

△如图为某公司的压缩机组合，EHNKS50/80/16型汽轮机、增压机型号为EBZ56-7(2+2+3)、空气压缩机为EIZ-4为等温压缩机，采用了轴向进气，其转子由四级三元流叶轮构成

除了以上所述直接使气体得到压缩的通流元件以外，离心压缩机还具有以下几个重要零部件：

1、密封件：为了减少机内的气体从高压处向低压处泄漏，在各级叶轮的进口圈外径处均设有轮盖密封，在级与级之间则有级间密封，这种密封通常是用非接触式的迷宫式密封（或称梳齿式密封）。此外，在转轴伸出机外之处也有密封，称为轴端密封，简称轴封。轴封的型式对于低压密封也常用边宫式的密封，对于高压密封则大多用浮环油膜密封或机械密封。

2、平衡盘：为了减少或平衡掉离心压缩机转子受到机内气体压力的作用而产生的不平衡轴向力，通常在轴上靠近最后一级叶轮处装有一旋转圆盘，即为平衡盘。平衡盘的外缘和气缸壳体之间也设有迷宫密封。使平衡盘的内侧和高压气体相通，另一侧则与低压（或压缩机进气口）相通。转子受到的未被平衡盘完全平衡的残余轴向力则由止推轴承加以承担。

3、轴承：离心压缩机是高速回转机械，除了小型压缩机有采用流动轴承的以外。绝大多数采用特殊型式的动压滑动轴承，有支撑轴承（或称径向轴承）及止推轴承两种。支持轴承承受压缩机转子的重力与其他径向力，止推轴承则主要承担转子所受的不平衡轴向力，并且保证转子的轴向定位，避免在机器运行时发生转子与定子相碰。离心压缩机转子属于高速轻载转子，为了保证其在轴承中能形成理想的油膜，并防止轴承油膜振荡的不正常现象出现，一般都采用多块可倾瓦轴承或椭圆形等特殊滑动轴承。多块可倾瓦轴承是利用几千瓦块在其支点附近作轻微摇摆以形成多油楔，使高速转轴轴颈得到及时的足够的油润滑，并且运转稳定。

4、联轴器：由于离心压缩机具有高速回转，大功能以及运转时难免有一定振动的特点，所用的联轴器既要能够传递大扭矩，又要允许径向及轴向有少许位移，所以一般常用的是齿型联轴节，依靠齿型的啮合传递扭矩，这种联轴节需要润滑剂。近年来国外创造了一种鼓膜型联轴器，利用膜片传递扭矩，膜片还可有少许变形。这种联轴器不需要润滑剂，制造也容易，很受欢迎。

离心压缩机的驱动机除了中、小型压缩机有用电动机以外，一般是用汽轮机或燃气轮机直接驱动，这样既可以满足大功率、高转速的要求，又可以直接利用工厂的副产品——高压蒸汽或高温燃气作为动力，此外采用这类驱动机还可以使压缩机采用调节转速的方法来调节压缩机流量或压力，这种调节方法比较经济。

离心压缩机也有冷却水系统及要求很高的润滑油系统。有时还有增速箱以提高压缩机整机或某一转子的转速。离心压缩机的自控系统比活塞式压缩机的要求为高，除了常规的操作参数测量、显示以外，还有喘振控制系统、轴位移及振动的指示及报警、自动停车等安全设施。

三、离心式压缩机的性能及调节

反映离心式压缩机性能的主要参数有容积进气量Qj、压力比ε（或排气压力ㄗ，压力差△ㄗ，及能量头h）、功率N和效率η。随着进气量变化，其它各性能参数也将发生相应的变化，故常以曲线形式来表现压缩机的性能变化关系，例如压力比曲级ε—Qj（或ㄗ—Qj、△ㄗ—Qj及h—Qj曲线），功率曲线N—Qj及效率曲线η—Qj等。也有采用无因次参数表示的通用性能曲线例如：ψ—曲线（即能量头系数—流量系数）等。图4-49是某离心式压缩机的性能曲线图，它是压缩机运行工况的图象表示，是压缩机选择型式规格、操作运行以及进行性能调节的依据，所以弄清这些性能曲线的特点，了解影响压缩机性能的各种因素，从而灵活地掌握与运用它是十分重要的事情。

性能曲线中的Qj表示压缩机进气状态下的容积流量，η则常以多变效率ηpol???表示，N一般是指轴功率。

（1）离心式压缩机级的性能曲线一般具有以下特点

1、随着流量的减小，压缩机能提供的压力比将增大。在最小流量时，压力比达到最大。反过来说，如果压缩机的背压有所降低的话，其流量也将自动增加。离心压缩机流量和压力比的关系是一一对应的，流量与其它参数的关系也是对应的关系，表现在各条性能曲线上。

2、离心式压缩机有最大流量和最小流量两个极限流量；当然，排出压力也有最大值和最小值。

3、效率曲线有最高效率点，离开该点的工况效率下降较快；

4、功率N与Ghrh大致成正比，所以功率曲线一般是随Qj增加而向上倾斜，但当ε—Qj曲线向下倾斜很快时，功率曲线也可能先向上倾斜而后逐渐向下倾斜。

（2）最大流量工况及喘振工况

1、最大流量工况

如前所述流量达到最大时的工况即为最大流量工况。造成这种工况有两种可能：一是级中流道中某喉部处气流达到临界状态，这时气体的容积流量已是最大值，任凭压缩机背压再降低，流量也不可能再增加，这种情况特称为“阻塞”工况。另一种情况是流道内并未达到临界状态，即尚未出现“阻塞”工况，但压缩机在偌大的流量下，机内流动损失很大，所能提供的排气压力已很小，几乎接近零能头（ε≈1），仅够用来克服排气管的流动阻力以维持这样大的流量，这也是压缩机的最大流量工况。

2、喘振工况

离心式压缩机最小流量时的工况称为喘振工况。产生喘振的原因首先从级内的流动来考察。

出现喘振的根本原因是压缩机的流量过小，小于压缩机的最小流量（或者说由于压缩机的背压高于其最高排压）导致机内出现严重的气体旋转分离，外因则是管网的压力高于压缩机所能提供的排压，造成气体倒流，并产生大幅度的气流脉动。脉动的频率和脉动的振幅与管网的容量有关，管网的的容量愈大，脉动的频率就会愈低，脉动的振幅就愈大，反之，管网容量小，则脉动频率高而振幅小。

喘振的危害性极大，但至今还不能从机器的设计上予以消除，只能在运转中设法避免其发生。防喘振就是针对引起喘振的原因，在喘振将要发生时，立即设法把压缩机的流量加大，防喘振的具体方法有两种：

①部分气流放空法

当压缩机进气量降低到接近喘振工况时，流量传感器1传出讯号给伺服马达2号，使之产生动作操纵执行机构，即打开防喘振放空阀3。于是部分气流放空，压缩机背压立即降低，流量就自动增加，工况也就远离喘振工况了，采用这种方法将会浪费部分压缩功，而且白白损失了部分气体。

②部分气流回流法

作用原理与上述放空法相同，其区别只是在于通过防喘振阀的气体流回到机器进气管加以回收，这种方法适宜于处理有毒、易燃、易爆炸或经济价值较高而不宜放空的气体情况，这种方法也要浪费部分压缩功。

此外，防喘振还有其他方法，例如改变压缩机的转速等。

上述防喘振的措施虽然可以避免喘振的出现，以保护机器，但不应让压缩机长期处于开启防喘振阀的状态下操作，这将造成很大浪费。应该检查生产操作系统，找出影响压缩机喘振的外在原因并加以解决，这才是防喘振的治本方法。

以上论述了离心式压缩机的最小流量工况和最大流量工况，可知这两种极限工况之间才是稳定工况区域。衡量压缩机级的性能好坏除了要求具有较高的压力和较高的效率以外，还要求有较宽的稳定工况区。

四、高速转子的振动及隔振

离心机属于高速回转机械，工作时也难免出现振动，而且有时会产生剧烈的振动，所以振动也是离心机的重要问题之一。研究离心机的振动特性，目的就是减小离心机在运转中产生的振动，以保证其正常运转。

离心机振动的原因，主要来自回转部分的不平衡，不平衡质量大，振动就严重，反之振动量就小。为了避免和减小振动，设计时应使离心机的工作转速（即不平衡力和力矩的频率）远离其系统的临界转速；这是一方面的措施，另一方面是保证制造和装配质量。如果制造和装配达不到规定的技术条件，例如转子的平衡、加工精度、配合的要求及材料质量的均匀性等，也会引起和加剧离心机的振动。此外，在使用和操作上也应注意保证机器的平衡问题，如果布料不均、局部漏料、塌料、混入大块异物以及连接件构动等，也都会引起振动。

因此，对一台离心机的振动问题，要按具体情况具体分析。例如原来运转振动很小的离心机，在检修拆装其回转部分以后振动加剧，就应考虑是否是由于转子的平衡受到影响所致，必要时就需要重新进行一次转子的平衡试验，空转时振动不大而加料后振动变大。很多情况往往是新的机器使用时良好，而使用相当一段时间后振动愈来愈大，这就需要从转动部分的磨损和腐蚀、物料情况以及各连接零件（包括地脚螺栓）是否松动等方面的原因去加以分析和研究。

对于定型产品的离心机等，在没有经过仔细核算之前，不得随意改变其转速；更不许在高速回转的转子上任意补焊、拆除或添加零件和质量。

从制造和装配方面来说，避免振动的关键问题，仍是力求回转部分的平衡，以尽量减小引起振动的不平衡力和力矩。

离心机转子（包括转鼓和轴等），在零件加工组装完成后，必须进行平衡试验和校正，平衡试验包括静平衡和动平衡。

静平衡

静平衡装置有导轨式、天平式、滚柱式等，一般常用导轨式。导轨的截面有圆形、矩形、菱形和梯形。其中以圆形截面精度最高。但一般只用于平衡轻型零件。

检查转子静平衡的方法是：将转子整体置于水平的两根硬钢轨上，观察其是否能达到“随遇平衡”，即在任意位置时都能平衡。当质心偏移时，转子只能停留在当其质心处于最下边位置时，此时可以在质心对面，转子的上方，选择某一半径处加一质量，以达到“随遇平衡”，或在质心方向上减一质量的方法加以平衡。

一个零件是仅需作静平衡，还是需作动平衡，主要与其工作转速n及长径比L/D有关。一般可根据图10-1选取。图中a线下方为静平衡区，b线上方为动平衡区，两线之间的区域主要用于比较重要的零件，但对振动要求不大严格的场合。在实际生产时零件的静平衡，一般做到“随遇平衡”就可以了。

动平衡

对于轴向尺寸较长的样子，常常不仅存在离心惯性力G，而且还产生了离心惯性力矩，作静平衡时离心惯性力可以平衡，但旋转时会产生离心惯性力偶，M=ce，这种转子的不平衡情况称为动不平衡。

经过平衡后的转子，就在连接转鼓和轴的对应部位打上记号，一般不许随意拆开。如果必须拆开时，应按原记号装上，以免影响平衡。

五、常用机械密封材料

对摩擦副材料的要求

1、机械强度高、耐压、刚度大、变形小。

2、自润滑性好、耐干磨、耐高负荷。

3、材料配对性能好，改善密封端面的磨擦状态，无过大的磨损和对偶材料的腐蚀、自润滑性好。

4、耐磨性好，提高使用寿命。

5、导热性好，导热系数大，散热效果好。

6、耐热性好，提高动、静环的耐高温性能。

7、耐热冲击性好，提高抗热裂性能。

8、耐腐蚀性强、耐腐、耐冲蚀、提高使用寿命。

9、热胀系数小，耐热变形、尺寸稳定性好。

10、加工性能好，易加工切削、易成型。

11、密度小，气密性好。