化工单元操作过程-气体输送机械(NXPowerLite).ppt

气体输送机械,化工单元操作过程,Senior engineer,前言 压缩机是输送气体并提高气体压力能的机器。在 石油化工厂中，压缩机主要压缩原料气、空气或 中间过程的介质气体，以满足石油化工生产工艺 的需要。压缩机按其工作原理可分为速度型和容 积型两种。 速度型压缩机靠气体在高速旋转的叶轮的作用 下，得到巨大的动能，随后在扩压器中急剧降 低，使气体的动能转变为势能，也就是压力能。 容积型压缩机靠在气缸内作往复或回转运动的活 塞，使容积缩小而提高气体压力。,往复压缩机,2012-5-29,气体输送机械,共性：气体和液体同为流体，输送机械工作原理基本相似。 特性：气体密度远较液体小且可压缩。,(1) 一定质量流量下气体体积流量大，输送机械的体积较大； (2) 气体输送管路的常用流速要比液体大得多(一般约10倍)。 而通常流体流动阻力正比于流速的平方，因此输送相同 的质量流量，气体输送要求提供的压头相应也更高；,(3) 由于气体的可压缩性，在输送机械内部气体压强变化时，,其体积和温度随之而变。气体输送机械结构设计更为复 杂，选用上必须考虑的影响因素也更多。,通风机（Fan）,工业上常用通风机按其结构形式有轴流式和离心式两类。 轴流式通风机排风量大而风压很小，一般仅用于通风换气， 而不用于气体输送。,离心式通风机的应用十分广泛，按其产生风压可分为：,低压离心通风机：出口风压小于1.0 kPa（表压） 中压离心通风机：出口风压1.03.0 k Pa（表压） 高压离心通风机：出口风压3.015.0 k Pa（表压）,离心通风机 （Centrifugal Fan ）,1机壳 2叶轮,3吸入口 4排出口,结构和工作原理：与离心泵基本相同，主要由蜗壳形机壳和 叶轮组成。差异在于离心通风机为多叶片叶轮，且因输送流 体体积大（密度小），叶轮直径一般较大而叶片较短。 叶片有平直、前弯和后弯几种形式。平直叶片一般用于低压 通风机；前弯叶片的通风机送风量大，但效率低；高效通风 机的叶片通常是后弯叶片。蜗壳的气体通道截面有矩形和圆 形两种，一般低、中压通风机多为矩形。, , (u2 u1 ),离心通风机 （Centrifugal Fan ）,离心通风机的特性曲线,主要性能参数：,风量V：气体通过体积流量（按 通风机进口状态计）。 风压HT（也称全风压）：单位体 积气体所获得的能量(N/m2) 。 轴功率和效率： N、,HT,Hp ,N,HT V,V,Hp V V N,空气直接由大气吸入时 u1 0，且（z2-z1）可忽略，则：,测定通风机特性曲线的依据,V 以通风机进口、出口为 1、2 截面列柏努利方程：,2 2,HT = ( z2 z1 ) g + ( p 2 p1 ) +,u22 2,HT = ( p 2 p1) +,= H p + H k,离心通风机 （Centrifugal Fan ） 全风压（压头）由静风压 Hp 和动风压 HK 两项组成。风压与 气体的密度成正比。 通风机特性曲线中的两条曲线分别代表全风压、静风压与风 量的关系（ HTV ，HpV）。 性能表上风压的空气条件为 20、0.1MPa。若实际输送气体 与上述条件不同时，应加以换算：,1.2 , ,= H T,H T = H T,轴功率与风压、风量和效率的关系为,当所输送的气体条件与上述试验条 件不同时，应换算为,H T V ,N =, 1.2,N = N ,离心通风机 （Centrifugal Fan ）,9-19D,高压离心通风机,GY4-73 型锅炉,离心通、引风机,DKT-2系列低噪声离心通风机,B30 防爆轴流通风机,高温离心通风机,鼓风机 （Blower）,罗茨鼓风机（容积式风机、正位移类型）,工业上常用的鼓风机主要有旋转式和离心式两种类型。,工作原理：与齿轮泵相似。,结构：由机壳和腰形转子组成。,两转子之间、转子与机壳之间间隙 很小，无过多泄漏。,改变两转子的旋转方向，则吸入与 排出口互换。,特点：风量与转速成正比而与出口压强无关，故出口阀不可 完全关闭，流量用旁路调节。应安装稳压气罐和安全阀。工 作温度不能超过 85，以防转子因热膨胀而卡住。,罗茨鼓风机的出口压强一般不超过 80 kPa（表压）。出口压 强过高，泄漏量增加，效率降低。,罗茨鼓风机,L4LD 系列 L10WDA 系列,3R5WD 系列 L6LD 系列,离心鼓风机 （透平鼓风机 Turboblower ） 工作原理：与离心泵相同。 单级风机的风压较低，风压较高的离心鼓风机采用多级，其 结构也与多级离心泵类似。 离心鼓风机的送气量大，但出口压强仍不高，一般不超过 0.3 MPa（表压），即压缩比不大，因而无需冷却装置，各级叶 轮的直径大小也大致相同。,结构示意图,多级低速离心鼓风机,离心鼓风机 （透平鼓风机 Turboblower ）,2012-5-29,往复压缩机,压缩机,速度型,离心式 混流式,回转式,滑片式 螺杆式,转子式 容积型 膜式 往复式 活塞式,压缩机按结构型式不同，分类如下： 轴流式,离心式压缩机,离心式压缩机概述,级内的各种流量损失 3.4 多级压缩,3.5 功率与效率 3.6 性能与调节,3.7 相似理论的应用,3.8 主要零部件及辅助系统 3.9 安全可靠性 3.10 选型,3.1 离心式压缩机概述,3.1.1 发展概况 3.1.2 工作原理,3.1.3 工作过程与典型结构 3.1.4 级的结构与关键截面 3.1.5 离心压缩机特点 3.1.6 适用范围,3.1.2 工作原理,一般说来，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间的距离。达到 这个目标可采用的方法有：,1、用挤压元件来挤压气体的容积式压缩方法(如活塞式)； 2、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，随后在扩压流道中流动时这部分动能又转 变成静压能，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。,3.1.3 工作过程与典型结构,1吸入室； 2轴；,3叶轮；,4固定部件； 5机壳；,6轴端密封； 7轴承；,8排气蜗室；,离心压缩机,定子：气缸，其上的各种隔板以及轴承等,驱动机,转子高速回转,叶轮入口产生负压（吸气）,气体在流道中扩压,气体连续从排气口排出,零部件，如扩压器、弯道、回流器、蜗壳、 吸气室。 气体的流动过程是：,组成 转子：转轴，固定在轴上的叶轮、 轴套、联轴节及平衡盘等。,离心式压缩机常用术语：,级： 由一个叶轮与其相配合的固定元件所构成,段： 以中间冷却器作为分段的标志，如前所述，气流在,第三级后被引出冷却，故它为二段压缩。,缸： 一个机壳称为一缸，多机壳称为多缸（在叶轮数较,多时采用）,列： 指压缩机缸的排列方式，一列可由一至几个缸组成,叶轮、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、吸气室,主要部件的功用：,三、叶轮的典型结构 1、离心式叶轮,闭式叶轮 半开式叶轮,双面进气叶轮,2、按叶片弯曲形式,后弯叶片：弯曲方向与叶轮旋转方向相反，级效率高，,2A90,径向叶片：2A90，工作稳定范围宽，常用,前弯叶片：弯曲方向与叶轮旋转方向相同， 2A90，,效率低，稳定工作范围较窄，多用于一部分通风机。,3、叶轮的速度三角形,在讨论其工作原理时，常常会用到叶轮进、出口处的三角 形,优点：,（1）排气量大，气体流经离心压缩机是连续的，其流通截面 积较大，且叶轮转速很高，故气流速度很大，因而流量很大。 （2）结构紧凑、尺寸小。它比同气量的活塞式小得多； （3）运转平稳可靠，连续运转时间长，维护费用省，操作人 员少；,（4）不污染被压缩的气体，这对化工生产是很重要的； （5）转速较高，适宜用蒸汽轮机或燃气轮机直接拖动。 缺点：,（1）单级压力比不高，不适用于较小的流量；,（2）稳定工况区较窄，尽管气量调节较方便，但经济性较差,离心式压缩机的特点,适用范围,1.化工及石油化工工艺用,2.动力工程用,3.制冷工程和气体分离用,4.气体输送用,漏气损失,（1） 产生漏气损失原因,（2） 密封件的结构形式及漏气量的计算,（3） 轮盖密封的漏气量及漏气损失系数,（1） 产生漏气损失的原因,从右图中可以看出，由于叶 轮出口压力大于进口压力，级出 口压力大于叶轮出口压力，在叶 轮两侧与固定部件之间的间隙中 会产生漏气，而所漏气体又随主 流流动，造成膨胀与压缩的循 环，每次循环都会有能量损失。 该能量损失不可逆的转化为热能 为主流气体所吸收。,（2） 密封件的结构形式,3.4 多级压缩,（1） 采用多级串联和多缸串联的必要性,（2） 分段与中间冷却以减少耗功,（1）采用多级串联和多缸串联的必要性,离心压缩机的压力比一般都在3以上，有的高 达150，甚至更高。离心压缩机的单级压力比，较 活塞式的低，所以一般离心压缩机多为多级串联 式的结构。考虑到结构的紧凑性与机器的安全可 靠性，一般主轴不能过长。对于要求高增压比或 输送轻气体的机器需要两缸或多缸离心压缩机串 联起来形成机组。,(2)分段与中间冷却以减少耗功,为了降低气体温度，节省功率，在离心压缩机中往 往采用分段中间冷却的结构，而不采用汽缸套冷却。各 段由一级或若干级组成，段与段之间在机器之外由管道 连接中间冷却器。应当指出，分段与中间冷却不能仅考 虑省功，还要考虑下列因素：,1）被压缩介质的特性属于易燃、易爆则段出口的温 度低一些，对于某些化工气体，因在高温下气体发生不 必要的分解或化合变化，或会产生并加速对机器材料的 腐蚀，这样的压缩机冷却次数必需多一些。,2）用户要求排出的气体温度高，以利于化,学反应(由氮、氢化合为氮)或燃烧，则不必采用 中间冷却，或尽量减少冷却次数。,3）考虑压缩机的具体结构、冷却器的布置、 输送冷却水的泵耗功、设备成本与环境条件等综 合因素。,4） 段数确定后，每一段的最佳压力比，可,根据总耗功最小的原则来确定。,3.6 性能与调节,3.6.1 离心压缩机的性能,3.6.2 压缩机与管网联合工作 3.6.3 压缩机的串联与并联,3.6.4 压缩机的调节方法及特点,3.6.1 离心压缩机的性能,3.6.1.1 性能曲线,3.6.1.2 喘振工况,3.6.1.3 堵塞工况,3.6.1.4 性能曲线的变化规律,3.6.1.1 性能曲线,（1）性能曲线的形成,（2) 性能曲线的特点,（3）性能曲线的特点,（4）最佳工况,（5）稳定工作范围,（1）性能曲线的形成,（2) 性能曲线的特点,（3）性能曲线的特点,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。,离心压缩机有最大流量和最小流量两种极限流,量；排除压力也有最大值和最小值。,效率曲线有最高效率点，离开该点的工况效率,下降的较快。,功率N与Qj 。大致成正比，所以功率曲线一般 随Qj增加而向上倾斜，但当-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。,（4）最佳工况,工况的定义：性能曲线,上的某一点即为压缩机的某 一运行工作状态(简称工况)。,最佳工况点：通常将曲,线上效率最高点称为最佳工 况点，一般应是该机器设计 计算的工况点。如图所示， 在最佳工况点左右两边的各 工况点，其效率均有所降低。,（5）稳定工作范围,压缩机性能曲线的左边受到喘振工况的限,制，右边受到堵塞工况限制，在这两个工况之间 的区域称为压缩机的稳定工作范围。压缩机变工 况的稳定工作范围越宽越好。,3.6.1.2 喘振工况,（1）压缩机喘振的机理,（2）喘振的危害,（3）防喘振的措施,（1）压缩机喘振的机理,旋转脱离,压缩机的喘振,（2）喘振的危害,喘振造成的后果是很严重的，它不仅使压缩 机的性能恶化，压力和效率显著降低，机器出现 异常的噪声、吼叫和爆音，而且使机器出现强烈 的振动，致使压缩机的轴承、密封遭到损坏，甚 至发生转子和固定部件的碰撞，造成机器的严重 破坏。,（3）防喘振的措施,操作者应具备标注喘振线的压缩机性能曲线，随时了解压缩 机工况点处在性能曲线图上的位置。为偏于运行安全，可在 比喘振线的流量大出510的地方加注一条防喘振线，以 提醒操作者注意。,降低运行转速，可使流量减少而不致进人喘振状态，但出口,压力随之降低。,在首级或各级设置导叶转动机构以调节导叶角度，使流量减,少时的进气冲角不致太大，从而避免发生喘振。,在压缩机出口设置旁通管道，如生产中必须减少压缩机的输 送流量时，让多余的气体放空，或经降压后仍回进气管，宁 肯多消耗流量与功率，也要让压缩机通过足够的流量，以防 进入喘振状态。,（3）防喘振的措施（续）,在压缩机进口安置温度、流量监视仪表，出口安置 压力监视仪表，一旦出现异常或端振及时报警，最好 还能与防喘振控制操作联功d4与紧急停车联动。 运行操作人员应了解压缩机的工作原理，随时注意 机器所在的工况位置，熟悉各种监测系统和调节控制 系统的操作，尽量使机器不致迅人喘损状态。一日进 人喘振应立即加大流量退出喘振或市即停机。停机 后，应经开缸检查确无隐患，方可再开动机器。,3.6.1.3 堵塞工况,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，这种情况称为 “阻塞”工况。另一种情况是流道内并未达到临界状 态，即未出现“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，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。,由制造厂商提供的离心式压缩机的性能曲线图上一般 都注明该压缩机的设计条件，例如气体介质名称、密度 (或分子量)、进气压力及进气温度等。因为如果运转时的 气体介质、进气条件与设计条件不符，那么压缩机的运转 性能就有别于所提供的性能曲线图。以如图形式表示的性 能曲线与气体的性质和进气状态密切相关。如图所示，如 果进气温度Ti不变，在相同容积流量Qi下，压缩重的气体 所得到的压力比较大；反之，压缩轻的气体，所得的压力 比较小。同样，假设压缩的是同一种气体介质，但进气温 度Ti不同，进气温度较高的气体，共性能曲线在下方，进 气温度较低的气体的性能曲线在上方。,3.6.1.4 性能曲线的变化规律,3.6.2 压缩机与管网联合,3.6.2.1 管网特性曲线,3.6.2.2 压缩机与管网联合工作,3.6.2.3 平衡工况的稳定性,e r rp + ,2 2c c,所谓管网，一般是指与压缩机连接的进气管路、 排气管路以及这些管路上的附件及设备的总称。但 对于离心式压缩机来说，管网只是指压缩机后面的 管路及全部装置。管网终端的压力应为：,式中P包括管网中的摩擦损失和局部阻力损,失，A为总阻力损失的计算系数。,l 2 2,= p + p = p + = pr + AQ 2,3.6.2.1 管网特性曲线,3.6.2.2 压缩机与管网联合工作,某压缩机原来进气温度为30度，工作点在A点(见图)， 因生产中冷却器出了故障，使气温剧增到70度，这时压缩 机突然出现了喘振，究其原因，就是因为进气温度升高， 使压缩机的性能曲线下降，由线1下降为l，而管网性能 曲线未变，压缩机的工作点变到A，此点如果落在喘振限 上，就会出现喘振。,例1 性能变化造成的喘振情况,例2 性能变化造成的喘振情况,某压缩机原在上图所示的A点正常运转，后来由于某 种原因，进气管被异物堵塞而出现了喘振。分析其原因 就是因为进气管被堵，压缩机进气压力从pi一下降为 pi。使机器性能曲线下降到l线，管网性能曲线无变 化，于是工作点变到A，落入喘振限所致。,例3 性能变化造成的喘振情况,某压缩机原在转速为n下正常运转，工况点为A 点(见上图)。后因生产中高压蒸汽供应不足，作为 驱动机的蒸汽轮机的转速下降到n2，这时压缩机的 工作点A落到喘振区，因此产生了喘振。,压缩机串联工作可增大气流的排出压力，压缩机并 联工作可增大气流的输送流量。但在两台压缩机串联或 并联工作时，两台压缩机的特性和管网特性在相互匹配 中有可能出现不能很好协调工作的情况，例如使总的性 能曲线变陡，变工况时某台压缩机实际上没起作用，却 自自耗功，或者某台压缩机发生喘振等。,3.6.3 压缩机的串联与并联,3.6.4 压缩机的调节方法及特点 压缩机与管网联合工作时，应尽量运行在最高效率工 况点附近。在实际运行中，为满足用户对输送气流的流量 或压力增减的需要，就必需设法改变压缩机的运行工况点。 实施改变压缩机运行工况点的操作称为调节。下面讨论几 种压缩机的调节方法。,1 2 3 4 5 6,压缩机出口节流调节 压缩机进口节流调节 采用可转动的进口导叶调节(又称进气预旋调节) 采用可转动的扩压器叶片调节 改变压缩机转速的调节 三种调节方法的经济性比较及联合采用两种调节,3.6.4.1 压缩机出口节流调节,3.6.4.2 压缩机进口节流调节,调节压缩机进 口管道中阀门开度 是又一种简便且可 节省功率的调节方 法。如图所示，改 变进气管道中的阀 门开度，可以改变 压缩机性能曲线的 位置，从而达到改 变输送气流的流量 或压力。,3.6.4.3 采用可转动的进口导叶调节,3.6.4.4 采用可转动的扩压器叶片调节,3.6.4.5 改变压缩机转速的调节,图为用户要,求压力p，不变,而流量增大为qms 或减小为qms，,调节转速到n 或n”，使性能 曲线移动即可满 足要求。,3.6.4.6 三种调节方法的经济性比较及联合采用两种调节,左图表示了进口节 流、进气预旋和改变转 速的经济性对比。其中 以进口节流为标准。曲 线1表示进口预旋比进 口节流所节省的功率。 曲线2表示改变转速比,进口节流所节省的功率。 显然改变转速的经济性 最佳。,3.8 主要零部件及辅助系统,3.8.1 叶轮,3.8.2 密封结构,3.8.1 叶轮,3.8.1.1 对叶轮的要求,3.8.1.2 叶轮的结构形式,叶轮是离心压缩机中唯一对气体作功的部件， 且是高速回转件，所以对叶轮的设计、材料和制造 要求都很高，对叶轮的要求主要是：,提供尽可能大的能量头；,叶轮以及与之匹配的整个级的效率要比较高； 所设计的叶轮型式能使级及整机的性能稳定工,况区较宽；,强度及制造质量符合要求。,3.8.1.1 对叶轮的要求,3.8.1.2 叶轮的结构形式,(1) 按叶轮的弯曲形式分,(2) 按叶轮结构形式分,(3) 按制造工艺分,(1) 按叶轮的弯曲形式分,前弯叶片式叶轮,(2) 叶轮的结构形式分,可分为闭式、半开式和开式叶轮三种类型。,离心压缩机大多数采用闭式叶轮。,(3) 按制造工艺分,叶轮有铆接、焊接、精密铸造、钎焊,和电蚀加工等制造方法。,3.8.2 密封结构,3.8.2.1 压缩机中常用的密封形式,3.8.2.2 迷宫密封,3.8.2.3 浮环油膜密封,流体机械既有静密封又有动密封。动密封是防 止机器在运转期间和停转期间流体向外或向内泄露 的构件。动密封主要是旋转轴的密封。旋转轴密封 又有面接触密封和非接触密封两种主要类型。,3.8.2.1 压缩机中常用的密封形式,3.8.2.2 迷宫密封,（1） 迷宫密封的结构形式,（2） 密封原理,（3） 迷宫密封设计及使用中应注意的问题,迷宫密封的结构形式 迷宫密封也称为梳齿型密封，是一种非接触型 密封。主要用于离心压缩机级内轮盖密封、级问密 封和平衡盘密封上。在压力较低，且允许流体少量 流出时，也可作为轴密封(轴与壳体问的密封)使用。 迷宫密封的结构用的较多的是以下几种：,平滑形 曲折形,台阶形,径向排利的迷宫密封,还有一种新型的迷宫密封叫蜂窝形迷宫密封,平滑行迷宫密封,曲折形迷宫密封,台阶形迷宫密封,径向排列的迷宫密封,蜂窝形迷宫密封,密封原理,迷宫密封是利 用节流原理使气体 每经过一个齿片， 压力就下降一次， 经过一定数量的齿 片后就形成较大的 压降，实质上迷宫 密封就是给气体的 流动以压差阻力， 从而减小气体的通 过量。,设计及使用中应注意的问题,梳齿密封除了轮盖密封齿数较少外，一般密封结构中z不少,于6片，也不多于35片；,为提高节流降压效果，梳齿的径向间隙s应尽可能的小，一 般为O.4mm左右。相邻齿片问的距离和间隙的比应足够大，一 般齿距与间隙的比值为6（如图）；,梳齿顶端朝向来流一边作成尖角形，以加强气流旋涡，提,高密封效果；,梳齿材料一般采用青铜、铜锑锡合金及铝合金等较软的金 属制作，避免划伤轴或轴套。对于易燃、易爆气体，还应采 用不会产生火花的材料；,如果被密封的气体有毒或易燃易爆，不允许漏至机外仍采 用迷宫密封的话，则必须在梳齿的中间某部位，设计成抽气 (或冲气)的密封型式。,3.8.2.3 浮环油膜密封,1一浮环 2一L型固定环 3一销钉 4一弹簧 5一轴套 6一挡油环 7一甩油环 8一轴,9一高压侧预密封梳齿 10一梳齿座 11一高压侧回油孔 12一空腔 13一进油孔 14一低压侧回油空腔,3.9 安全可靠性,3.9.1 叶轮强度,3.9.2 转子临界速速度 3.9.3 轴向推力的平衡 3.9.4 抑振轴承,3.9.5 机械故障诊断,由于离心叶轮高速旋转所产生的离心力及与轴过盈配合 所产生的压紧力等，会使叶轮内部产生很大的应力，为保 证安全运转，需要进行叶轮强度计算。,闭式叶轮由轮盘、轮盖和叶片构成，从强度观点看，轮 盖可视为轮盘的一个特例。而沿周向分散的叶片，可假定 为沿周向均匀分布的由特定材料制成的盘形夹层。故叶轮 强度计算主要是轮盘应力计算。目前轮盘应力计算有二次 法、递推一代人法和有限元法。,应当指出，由于叶轮的重要作用和特殊地位，通常均选 用优质的材料，考究的制造工艺和偏于安全的圆周速度 uz，故叶轮的安全可靠性，一般是可以有所保证的。,3.9.1 叶轮强度,3.9.2 转子临界速度,n2nc1,为了确保机器运行的安全性，要求工作转速远离,第1、2阶临界转速，其校核条件是,对于刚性转子,为了防止可能出现的轴承油膜振荡，工作转速应,低于二倍的第一阶临界转速，即,n0.75nc1,对于柔性转子 1.3nc1n0.7nc2,a,b,c,3.9.3.2 轴向推力的平衡措施 (1) 叶轮对排 叶轮的各种排列方式如下图所示，图(a)是叶轮 顺排，转子上各叶轮轴向力相加；图(b)和带有中间 冷却器酌图(c)是叶轮对排，可使转子上的轴向力相 互抵消，总轴向力大大降低。,在轮盘背面加几条径向 筋片，如图所示，相当于增 加一个半开式叶轮。使间隙 中的流体旋转角速度增加一 倍，从而使离心力增加压 力减小图中eij线为无筋时的 压力分布，而eih为有筋时的 压力分布。可见靠内径处的 压力显著下降，故使叶轮轴 向力减少，这种措施对流体 密度大的高压压缩机减小叶 轮轴向力有效。,（2） 叶轮背面加筋,如左图所示， 在末级叶轮之后的 轴上安装一个平衡 盘。并使平衡盘的 另一侧与吸气管相 通，靠近平衡盘端 面安装梳齿密封， 可使转子上的轴向,力大部分被平衡掉。 平衡盘是最常用的 平衡轴向推力的措 施。,（3） 采用平衡盘 （亦称平衡活塞）,3.9.4 抑振轴承,3.9.4.1 滑动轴承的基本工作原理,3.9.4.2 几种常用的抑振轴承,3.9.4.1 滑动轴承的基本工作原理,3.9.4.2 几种常用的抑振轴承,(1)普通的圆柱轴承 (2)椭圆轴承,(3)多油叶轴承 (4)多油楔轴承 (5)可倾瓦轴承,(6)垫块式止推轴承,这种轴承在低速重载时，轴颈处于较大 的偏心下工作，因而是稳定的，可是在高速 轻载下处于非常小的偏心下工作，因而很不 稳定，油膜振荡一旦发生很难抑制。所以对 于高速轻载转子，圆柱轴承很少采用。,(1)普通的圆柱轴承,（2）椭圆轴承,这种轴承由上下两段圆,弧所构成，图1所示，由于 加工方便，使用较广泛。其 特点是上、下两段圆弧都距 轴承中心有较大的偏心，并 产生两个油楔。其上瓦油楔 的油膜压力就会对前述的轴 颈失稳起到抑制作用，由于 几何的对称性，这种轴承允 许轴颈正反转。,这种轴承由几块圆 弧形瓦块组成，可以是 对称的，也可是不对称 的，它与椭圆轴承的性 能类似，每段都有较大 的偏心，且油楔数更 多，因轴颈受多方油 楔的作用，故抑振性能 优于椭圆轴承。,（3） 多油叶轴承,如图所示这 种轴承的抑振性 能与多油叶轴承 相似，但由于油 楔的不对称性， 故只允许轴颈单 向转动。,（4）多油楔轴承,(5) 可倾瓦轴承,这种轴承由多块可以绕 支点偏转的活动瓦块组成。 这是目前认为抑振性能最好 的轴承。它不仅油楔数多， 且当外部发生变化使轴颈中 心瞬时离开平衡位置时，由 于瓦块可以绕支点偏转能够 自动调整到平衡位置，使其 不存在维持振荡的因素，因 而稳定性很好.,止推轴承的工作原理与径向轴承类似，也是由转 子上转动的推力盘与轴承上几块扇形面形成的收敛油 楔动压力来平衡转子的轴向推力载荷。如图所示。,(6)垫块式止推轴承,3.9.5 机械故障诊断,3.9.5.1 机械故障诊断的必要性,3.9.5.2 故障诊断监测系统,3.9.5.3 故障监测技术,3.9.5.4 机械故障诊断方法,所谓故障是指机器丧失工作效能的程度，但通常,故障是能修复或排除。,长期以来采用的是定期预防性维修制度，即到一 定时间不出故障也要停机大修，解体检查，一些部件 还不到使用寿命就得更换，造成维修费用很大和停产 时间很长等损失。如采用机器故障诊断技术，则可改 为预防性维修制度，根据故障诊断结果，确定适时的 停机和局部维修，这样就大大延缓停机大修的时间， 甚至不必定期停机大修，从而节省了维修费用，增加 了持续生产的时间。,3.9.5.1 机械故障诊断的必要性,机器故障诊断的过程一般包括如下的主要环节 (1)机器状态参数的检测，即信号采集； (2)信号处理，提取故障特征信息； (3)确定故障的发生部位、类型和程度； (4)对确定的故障作防治处理与监控。,3.9.5.2,故障诊断监测系统,a振动信号的采集应用各类测振传 感器检测机器振动的位移、速度和 加速度，并转为电信号送入分析处 理器。 b振动信号的处理它是将传感器感 受到的各种激振力作用的复杂信号 加工处理，提取与故障有关的特征 信息，并从模拟量变化为数字量 ，然后送人数字运算电路或电子计 算机进行信号分析处理，最后获得 用于故障分析的数字或图形。,(1)机器振动检测技术 (2)热红外技术 (3)声发射技术 (4)噪声分析技术 (5)润滑油的光谱、铁 谱分析技术,3.9.5.3 故障监测技术,机器故障诊断中除了检测状态参数和信号处理之,外，更重要的是根据提取的特征信息进行故障识别与诊 断，以确定故障发生的部位、类别和程度，然而这是一 项相当复杂与艰巨的工作。现今，故障诊断方法已有多 种，如综合比较诊断法、特性变化诊断法、故障树诊断 法、模糊诊断法、专家系统诊断法和神经网络诊断法等。 其中，专家系统诊断法是一种智能化的计算机诊断系 统，能使一般人员像专家一样识别与判断机械故障；而 神经网络诊断法是一种由模仿人的大脑神经元网络结构 而建立的一种非线性的动力学网络系统，可使专家更为 准确地识别与判断机械故障。,3.9.5.4 机械故障诊断方法,压缩机（Compressor）,工业上使用的压缩机主要有往复式和离心式两种类型。,往复式压缩机 （Reciprocating Compressor）,结构：主要部件有气缸、活塞、吸入和压出活门。,工作原理：与往复泵相似，依靠活塞往复运动和活门的交替 动作将气体吸入和压出。,气体在压缩过程中体积缩小、密度增大、温度升高。,1.工作原理 往复式压缩机通过曲轴连杆机构将曲轴旋转运动转化 为活塞往复运动。 当曲轴旋转时，通过连杆的传动，驱动活塞便做往复 运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作 容积则会发生周期性变化。曲轴旋转一周，活塞往复 一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即 完成一个工作循环。,2012-5-29,往复压缩机,1.1 理论工作循环 为了更好地理解活塞压缩机的工作原理，这里重点介 绍理论工作循环。假定压缩机没有余隙容积，没有吸、 排气阻力，没有热量交换，则压缩机工作时，汽缸内 的压力和容积的关系如下图所示。压缩机的理论工作 过程可以简化成下图示的三个热力过程。,2012-5-29,往复压缩机,1.1 理论工作循环 吸气活塞自0点移至1点，吸气 阀打开，气体在P1压力下进入气缸。 压缩活塞自1点移至2点，吸排 气阀均关闭，此过程为多变压缩过 程，气缸内的气体压力升至P2。 排气活塞从2点移至3点，压力 为P2的气体等压排出气缸。 过程0-1-2-3-0构成了压缩机的理 论工作循环，压缩机完成一个理论 循环所消耗的功即为图中0-1-2-3-0 所代表的面积。,2012-5-29,往复压缩机,1.1 理论工作循环 压缩机在压缩气体的过程中，温度会逐步升高，是个 多变的过程。实际压缩循环比理论压缩循环多了一个 热膨胀的过程。随着热膨胀的逐步增加压力升高，温 度也升高，功耗随之加大。所以，在理论上等温压缩 循环的功耗最小。,2012-5-29,往复压缩机,V a( p2 1),V c V b p ,= = 1 + ( 2 1) k = 1 ( 2 1) k 1,V c, V V V V V,往复式压缩机 （Reciprocating Compressor）,Va,Vb,Vc,Vd,A,B,C,D,p p2 p1,V,(a) (b) (c),(d),单动往复压 缩机活塞运 行位置及对 应的气体 P- V 状态变化,图,工作循环分析：,余隙的存在不仅减少气体吸入量而且增加压缩机能量损耗。,Va Vc Va, =,Vc Vb Vc Va,0 =,余隙系数,容积系数,1,k 1 1 p p p p,V c a c a c a, 0,=,0 随余隙系数 e 和压缩比 p1/p2 增大而下降并有可能达到 0,( p2 1p ) k 1,k ,压缩机（Compressor） 根据稳流体系热力学第一定律，多变压缩过程理论上在一个 工作循环中活塞对气体所做的功为,式中 T1 为吸气温度。 压缩功与压缩气体温升都随压缩比增加而增加。实际压缩比 一般不超过 8。 高终压 (0.51.0MPa) 压缩机都为多级。气体经上一级压缩 后，通过中间冷却器和油水分离器进入下一级气缸再压缩。 各级压缩比只占总压缩比的一部分，对于 n 级压缩，取各级 压缩比相等则其仅为总压缩比 （p1/p2） 的 n 次方根。 多级压缩可避免单级压缩比过高而引起的排出气体超温、容 积系数低的问题，而且由于级间冷却使气体体积减小并使压 缩过程接近于等温过程，因此还可减少功耗。,k 1,W = p1 (V c V b ),k 1,k 1 k,T 2 = T 1 ( p2 p1 ),往复式压缩机的选用 根据所输送气体性质确定压缩机的类型（如空气压缩机、氨 气压缩机、氢气压缩机等），再根据生产能力和排出压强选 择合适的型号。 注意：一般标出的排气量是以 20，101.33 kPa 状态下的气 体体积表示的。,往复式压缩机的排气是,脉动的，可在出口处安 装贮气罐，既可使气体 平稳输出，又可使压缩 机气缸带出的油沫和水 分离。,1,1,2,2,2,3,3 1,3,1.2 实际工作循环,往复压缩机,2012-5-29,1.2 实际工作循环 压缩机工作过程中活塞环、填料、气阀 不可避免存在泄露，每个循环的排气量 总小于实际吸气量。压缩机的进气阻力 过大，会造成压缩机排气量减少。余隙 容积过大会降低排气量，使指示功图面 积变小。,2012-5-29,往复压缩机,1.2.1 实际过程与理论过程的区别 由于余隙容积的存在，实际工作循环由膨胀、吸 气、压缩、排气四个过程组成，而理论循环无膨 胀过程。 实际吸、排气过程中存在阻力损失，使实际气缸 内吸气压力小于吸入管路内气压、实际气缸内排 气压力高于排出管路内气压；吸、排气过程中有 压力波动、温度变化。 在膨胀和压缩过程中，因为气体与气缸壁之间存 在热交换，使得压缩过程指数与膨胀过程指数不 断变化，并非常数。,2012-5-29,往复压缩机,2. 性能参数 往复式压缩机的性能参数主要包括： 排气压力 排气温度 排气量 功率和效率,2012-5-29,往复压缩机,2.1 吸气/排气压力 往复压缩机的吸气和排气压力分别指第一级 吸入管道处和末级排出接管处的气体压力，因 为压缩机采用的是自动阀，气缸内的压力取决 于进、排气系统中的压力，即由“背压”决定。 所以吸、排气压力是可以改变的。 压缩机铭牌上的吸、排气压力是指额定值， 实际上只要机器强度、排气温度、电机功率和 气阀工作许可，他们是可以在很大范围内变化 的。,2012-5-29,往复压缩机,2.2 排气温度 排气温度是指压缩机末级排出气体的温度， 它应在末级气缸排出管处测得。多级压缩机末 级之前各级的排气温度称为该级的排气温度， 在相应级的排气接管处测得。 排气温度可以计算校核，T2T1(P2/P1)n-1/n 排气温度应进行监控： 排气温度过高会造成润滑油润滑性能下降， 轻质油挥发污染气体，润滑油积碳堵塞阀槽， 活塞环软化或加速磨损，非金属阀片融化等。,2012-5-29,往复压缩机,2.3 容积流量 往复压缩机的容积流量是指在单位时间内经 压缩机压缩后在压缩机最后一级排出的气体， 换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体 容积值，单位是M3/min或M3/h。 压缩机的额定容积流量，即在压缩机铭牌上 标注的容积流量是指在特定的进口状态下（进 口压力0.1MPa，温度20）时的容积流量。 对于实际气体，若是在高压下测得的气体容 积，则换算时要考虑到气体可压缩性的影响。,2012-5-29,往复压缩机,2.4 供气量 往复压缩机排气量随压缩机的进口状态 而变，它不反映压缩机所排气体的物质 数量。化工工艺中使用的压缩机，由于 工艺计算的需要，需将容积流量则算到 标准状态（1.013x105MPa，0）时的干 气容积值，此值称为供气量或者标准容 积流量。,2012-5-29,往复压缩机,2.5 功率和效率 压缩机消耗的功，一部分直接用于压缩 气体，另一部分是用于克服机械摩擦。 前者称为指示功，后者称为摩擦功，二 者之和为主轴所需的总功，称为轴功。 单位时间所消耗的功称为功率。 指示功率与总功率的比值即为压缩机的 效率。,2012-5-29,往复压缩机,1st stage 3 bar 1 bar,2nd stage 8 bar 3 bar,2012-5-29,往复压缩机,2.6 多级压缩 所谓多级压缩是将气体的压缩过程分在若干 级中进行，并在每级压缩后将气体导入中间冷 却器进行冷却。如图所示 Q,2.6 多级压缩的理由/优势 1.可以节省压缩气体的指示功， 下图为两级压缩与单级压缩所耗功之比。当第一级压 缩达到压力P2后，将气体引入中间冷却器中冷却，使 气体冷却到原始温度T1.因此使排出的气体容积由V2减 至V2，然后进入第二级压缩到最终压力。这样，从图 中可以看出，实行两级压缩后，与一级压缩相比节省 了图中绿色区域的功。 采用多级压缩可以节省功的主要原因是进行中间冷却。 如果没有中间冷却，第一级排出的气体容积不是因冷 却而由V2减至V2，而仍然以V2的容积进行二级压 缩，则所消耗的功与单级压缩相同。,2012-5-29,往复压缩机,pressure,2.5 多级压缩,2012-5-29,p,volume,V 往复压缩机,nd,2级stage,单级压缩压比很大 2级压缩曲线 通过中间冷却节省的压缩功 减去 级间冷却器产生的损耗 1、2级级间冷却 1级压缩曲线 1级,2.6 多级压缩的理由/优势 2. 可以降低排气温度 通过多级压缩中间冷却后降低了气体的进气温 度，压缩过程接近等温压缩，可以显著降低排气 温度。 排气温度过高，会使润滑油粘度降低，性能恶化 或形成积炭现象；使气阀的工作寿命下降。对某 些特种气体压缩机，排气温度过高还会引发腐蚀 或爆炸。,2012-5-29,往复压缩机,12 2,2.6 多级压缩的理由/优势 3. 提高容积系数 随着压力比的上升，余隙容积中的气体 膨胀所占的容积增加，气缸实际吸气量 减少。采用多级压缩，压力比下降，因 而容积系数增加。,2012-5-29,往复压缩机,2.6 多级压缩的理由/优势 4. 降低活塞力 多级压缩由于每级容积因冷却而逐渐减 少，当行程相同时，活塞面积减少，故 能降低活塞上所受的气体力，因此使运 动机构重量减轻，机器效率提高。,2012-5-29,往复压缩机,Quantity,2.7 气量调节方式,2012-5-29,往复压缩机,卸荷器调节,旁通调节,变转速调节,M,Compressor delivery pressure,余隙腔调节,3 结构 压缩机主要由机体、曲轴、连杆、活塞 组、阀门、轴封、油泵、能量调节装置、 润滑油系统、进出口缓冲罐/气液分离器 等部件组成。,2012-5-29,往复压缩机,3.1 机体 机体包括机身、机座、曲轴箱等部件。机体 一般采用高强度灰铸铁（HT20-40）铸成一个 整体，是支承气缸套、曲轴连杆机构及其它所 有零部件重量并保证各零部件之间具有正确的 相对位置的本体。,2012-5-29,往复压缩机,3.1 机体的作用 用来连接气缸和安装运动机构，并用作支 承座。 承受机器本身的全部或部分重量。 作为传动机构的定位和导向部分。如曲轴 支承在机体的主轴承上，十字头以机体滑道 导向。 承受压缩机工作时气体压力及转动部件的 惯性力。 连接某些辅助部件，如润滑油系统、盘车 系统、冷却系统等。,2012-5-29,往复压缩机,12 8,3.2 气缸 气缸是活塞式压缩机中组成压缩容积的主要部分。 气缸与活塞配合完成气体的逐级压缩，它要承受 气体的压力，活塞在其中往复运动，气缸应有良 好的工作表面以利于润滑并应耐磨，为了散发气 体被压缩时产生的热量以及摩擦生热，气缸应有 良好的冷却，通常在气缸中设置冷却水夹套。,2012-5-29,往复压缩机,3.2 气缸,2012-5-29,往复压缩机,3.2 气缸 气阀在气缸上的布置有三种方式：配置在气 缸盖上、配置在气缸体上、混合配置。 气阀在气缸上的布置方式对气缸的结构有很 大的影响，是设置气缸所要考虑的主要问题之 一。 布置气阀的主要要求是：通道截面大，余隙 容积小，安装和修理方便。,2012-5-29,往复压缩机,3.3 气阀 气阀是压缩机的一个重要部件，属于易 损件。它的质量及工作的好坏直接影响 压缩机的输气量、功率损耗和运转的可 靠性。 气阀包括吸气阀和排气阀，活塞每上下 往复运动一次，吸、排气阀各启闭一 次，从而控制压缩机并使其完成吸气、 膨胀、压缩、排气等四个工作过程。,2012-5-29,往复压缩机,3.3 气阀 目前，活塞式压缩机所应用的气阀，都是随 着气缸内气体压力的变化而自行开闭的自动 阀，由阀座、运动密封元件（阀片或阀芯）、 弹簧、升程限制器等组成。,2012-5-29,往复压缩机,3.3 气阀 自动阀的阀片在两边压差的作用下开启，在 弹簧作用力下关闭。阀片与阀座或升程限制器 之间的粘附力、阀片与导向块之间的摩擦力 等，也影响阀片的开启与关闭。,2012-5-29,往复压缩机,3.3 气阀的要求 气阀是活塞式压缩机的重要部件之一，它的工作直接关系到 压缩机运转的经济性和可靠性，对于气阀的基本要求如下： 使用期限长（指阀片和弹簧的寿命长），不能由于阀片或弹 簧的损坏而引起压缩机非计划停车。 气体通过气阀时的能量损失小，以减少压缩机的动力消耗。 气阀关闭时具有良好的密封性，以减少气体的泄漏量。 阀片启、闭动作及时、迅速，而且要完全开闭，以提高机器 效率和延长试用期。 气阀所引起的余隙容积小，以提高气缸容积效率。 结构简单，制造方便，便于维修。,2012-5-29,往复压缩机,3.3 气阀分类 常用的压缩机气阀按照阀片结构分为： 环状阀 网状阀。,2012-5-29,往复压缩机,3.3.环状阀 环状阀由阀座、阀片、弹簧、升程限制器、连接 螺栓、螺母等组成。,2012-5-29,往复压缩机,3.3.环状阀 环状阀使用的弹簧有环形弹簧、柱形 （或锥形）弹簧。阀片为圆环状薄片，一 般是制成单环阀片。阀片的启、闭运动是 靠升程限制器上的导向块来导向的。为了 防止气阀在工作时松动，连接螺栓和螺母 都采取了放松措施。,2012-5-29,往复压缩机,3.3.环状阀 环状阀制造简单，工作可靠，可改变环数来适应各种 气量要求，因此得到广泛使用，适用于各种压力、转 速的压缩机。 环状阀的主要缺点是：阀片的各环彼此分开，在开闭 运行中很难达到步调一致，因而降低了气体的流通能 力，增加了额外的能量损失。阀片等运动元件质量较 大，阀片与导向块之间有摩擦力，环状阀经常采用柱 形（或锥形）弹簧等因素，决定了阀片在开闭运动中 不容易做到及时、迅速。由于阀片的缓冲作用较差， 磨损严重。随着非金属耐磨材料的发展，用加填充剂 的聚四氟乙烯、MC尼龙、玻璃钢等制造阀片，在一定 程度上克服了之一弊病。,2012-5-29,往复压缩机,3.3.网状阀 网状阀在结构上与环状阀的区别在于阀片各环连在一 起，呈网状，阀片与生成限制器之间设有一个或几个 与阀片形状基本相同的缓冲片。下图为网状阀的组合 图。,2012-5-29,往复压缩机,3.3.网状阀 从阀片、缓冲片中心算起的第二 环，将径向连接片切断，并将阀片 切断处的两个半环铣薄（b中阴影 线部分），使气阀在工作时（阀片、 缓冲片的中心环夹紧在阀座和升程 限制器之间）阀片和缓冲片都能获 得必要的弹性，保证阀片能上下平 行运动。阀片、缓冲片的运动不需 要导向块就能很好的导向，避免了 环状阀中存在的导向块与阀片之间 的摩擦，这是网状阀的一个优点。,2012-5-29,往复压缩机,3.3.网状阀 网状阀也同环状阀一样，适用与各种操 作条件，在低、中压范围内应用较为普 遍。但是由于网