离心压缩机的工作原理及结构

CCR 基本知识 1 第三篇 设备技术 1 第二节第二节 离心压缩机的工作原理及结构离心压缩机的工作原理及结构 一 工作原理一 工作原理 汽轮机 或电动机 带动压缩机主轴叶轮转动 在离心力作用下 气 体被甩到工作轮后面的扩压器中去 而在工作轮中间形成稀薄地带 前面 的气体从工作轮中间的进汽部份进入叶轮 由于工作轮不断旋转 气体能 连续不断地被甩出去 从而保持了气压机中气体的连续流动 气体因离心 作用增加了压力 还可以很大的速度离开工作轮 气体经扩压器逐渐降低 了速度 动能转变为静压能 进一步增加了压力 如果一个工作叶轮得到 的压力还不够 可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力 的要求 级间的串联通过弯通 回流器来实现 这就是离心式压缩机的工 作原理 二 基本结构二 基本结构 离心式压缩机由转子及定子两大部分组成 结构如图6 1所示 转子包 括转轴 固定在轴上的叶轮 轴套 平衡盘 推力盘及联轴节等零部件 定子则有气缸 定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件 在转子与定 子之间需要密封气体之处还设有密封元件 各个部件的作用介绍如下 1 叶轮 叶轮是离心式压缩机中最重要的一个部件 驱动机的机械功即通过此 高速回转的叶轮对气体作功而使气体获得能量 它是压缩机中唯一的作功 部件 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 有没有轮盖的半开式叶轮 CCR 基本知识 3 第三篇 设备技术 3 1 吸入室 2 叶轮 3 扩压器 4 弯道 5 回流器 6 蜗壳 7 8 轴端密封 9 支持轴承 10 止 推轴承 11 卡环 12 机壳 13 端盖 14 螺栓 15 推力盘 16 主轴 17 联轴器 18 轮盖密封 19 隔板密封 20 隔 板 图 6 1 离心式压缩机纵剖面结构图 CCR 基本知识 4 第三篇 设备技术 4 2 主轴 主轴是起支持旋转零件及传递扭矩作用的 根据其结构形式 有阶梯轴及 光轴两种 光轴有形状简单 加工方便的特点 3 平衡盘 在多级离心式压缩机中因每级叶轮两侧的气体作用力大小不等 使转子受 到一个指向低压端的合力 这个合力即称为轴向力 轴向力对于压缩机的正常 运行是有害的 容易引起止推轴承损坏 使转子向一端窜动 导致动件偏移与 固定元件之间失去正确的相对位置 情况严重时 转子可能与固定部件碰撞造 成事故 平衡盘是利用它两边气体压力差来平衡轴向力的零件 它的一侧压力 是末级叶轮盘侧间隙中的压力 另一侧通向大气或进气管 通常平衡盘只平衡 一部分轴向力 剩余轴向力由止推轴承承受 在平衡盘的外缘需安装气封 用 来防止气体漏出 保持两侧的差压 轴向力的平衡也可以通过叶轮的两面进气 和叶轮反向安装来平衡 4 推力盘 由于平衡盘只平衡部分轴向力 其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的 止推块 构成力的平衡 推力盘与推力块的接触表面 应做得很光滑 在两者 的间隙内要充满合适的润滑油 在正常操作下推力块不致磨损 在离心压缩机 起动时 转子会向另一端窜动 为保证转子应有的正常位置 转子需要两面止 推定位 其原因是压缩机起动时 各级的气体还未建立 平衡盘二侧的压差还 不存在 只要气体流动 转子便会沿着与正常轴向力相反的方向窜动 因此要 求转子双面止推 以防止造成事故 5 联轴器 由于离心压缩机具有高速回转 大功率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 联轴器 分齿型联轴器和膜片联轴器 目前常用的都是膜片式联轴器 该联轴器不需要 润滑剂 制造容易 6 机壳 机壳也称气缸 对中低压离心式压缩机 一般采用水平中分面机壳 利于 装配 上下机壳由定位销定位 即用螺栓连接 对于高压离心式压缩机 则采 用圆筒形锻钢机壳 以承受高压 这种结构的端盖是用螺栓和筒型机壳连接的 7 扩压器 气体从叶轮流出时 它仍具有较高的流动速度 为了充分利用这部分速度 能 以提高气体的压力 在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器 扩压 CCR 基本知识 5 第三篇 设备技术 5 器一般有无叶 叶片 直壁形扩压器等多种形式 8 弯道 在多级离心式压缩机中级与级之间 气体必须拐弯 就采用弯道 弯道是 由机壳和隔板构成的弯环形空间 9 回流器 在弯道后面连接的通道就是回流器 回流器的作用是使气流按所需的方向 均匀地进入下一级 它由隔板和导流叶片组成 导流叶片通常是圆弧的 可以 和气缸铸成一体也可以分开制造 然后用螺栓连接在一起 10 蜗壳 蜗壳的主要目的 是把扩压器后 或叶轮后流出的气体汇集起来引出机器 蜗壳的截面形状有圆形 犁形 梯形和矩形 11 密封 为了减少通过转子与固定元件间的间隙的漏气量 常装有密封 密封分内 密封 外密封两种 内密封的作用是防止气体在级间倒流 如轮盖处的轮盖密 封 隔板和转子间的隔板密封 外密封是为了减少和杜绝机器内部的气体向外 泄露 或外界空气窜入机器内部而设置的 如机器端的密封 离心压缩机中密封种类很多 常用的有以下几种 1 迷宫密封 迷宫密封目前是离心压缩机用得较为普遍的密封装置 用于压缩机的外密 封和内密封 迷宫密封的气体流动 见图6 2 当气体流过梳齿形迷宫密封片 的间隙时 气体经历了一个膨胀过程 压力从P1降至右端的P2 这种膨胀过程 是逐步完成的 当气体从密封片的间隙进入密封腔时 由于截面积的突然扩大 气流形成很强的旋涡 使得速度几乎完全消失 密封面两侧的气体存在着压差 密封腔内的压力和间隙处的压力一样 按照气体膨胀的规律来看 随着气体压 力的下降 速度应该增加 温度应该下降 但是由于气体在狭小缝隙内的流动 是属于节流性质的 此时气体由于压降而获得的动能在密封腔中完全损失掉 而转化为无用的热能 这部分热能转过来又加热气体 从而使得瞬间刚刚随着 压力降落下去的温度又上升起来 恢复到压力没有降低时的温度 气流经过随 后的每一个密封片和空腔就重复一次上面的过程 一直到压力P2为止 由此可 见迷宫密封是利用节流原理 当气体每经过一个齿片 压力就有一次下降 经 CCR 基本知识 6 第三篇 设备技术 6 被 密 封 介 质 侧 大 气 侧 图 6 6 螺旋槽面干气密封结 构图 过一定数量的齿片后就有较大的压降 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 常用的迷宫密封用的较多的有以下几种 平滑形 见图6 3 轴作成光轴 密封体上车有梳齿或者镶嵌有齿片 结 构简单 图6 3 平滑形迷宫密封 曲折形 见图6 4 为了增加每个齿片的节流降压效果 发展了曲折型的迷 宫密封 密封效果比平滑形好 图6 4 曲折形迷宫密封 台阶形 见图6 5 这种型式的密封效果也优于平滑形 常用于叶轮轮盖的 密封 一般有3 5个密封齿 2 油膜密封 即浮环密封 浮环密封的原理是靠高压密封在浮环与轴套间形成的膜 产生节流降压 阻止高压侧气体流向低压侧 浮环密封 既能在环与轴的间隙中形成油膜 环本 身又能自由径向浮动 靠高压侧的环叫高压环 低压侧的 环叫低压环 这些环可以自由沿径向浮 动 但不能转动 密封油压力通 常比工艺气压力高0 5Kg cm2 左 右进入密封室 一路经高压环和 轴之间的间隙流向高压侧 在间 隙中形成油膜 将高压气封住 另一路则由低压环与轴之间的间 图6 2 迷宫密封的气体流动图 图6 5 台阶形迷宫 密封 CCR 基本知识 7 第三篇 设备技术 7 隙流出 回到油箱 通常低压环有好几只 从而达到密封的目的 浮环密封用钢制成 端面镀锡青铜 环的内侧浇有巴氏合金 以防轴与油 环的短时间的接触 巴氏合金作为耐磨材料 浮环密封可以做到完全不泄露 被广泛地用作压缩机的轴封装置 3 机械密封 机械密封装置有时用于小型压缩机轴封上 压缩机用的机械密封与一般泵 用的机械密封的不同点 主要是转速高 线速度大 PV值高 摩擦热大和动平 衡要求高等 因此 在结构上一般将弹簧及其加荷装置设计成静止式而且转动 零件的几何形状力求对称 传动方式不用销子 链等 以减少不平衡质量所引 起的离心力的影响 同时从摩擦件和端面比压来看 尽可能采取双端面部分平 衡型 其端面宽度要小 摩擦副材料的摩擦系数低 同时还应加强冷却和润滑 以便迅速导出密封面的摩擦热 4 干气密封 随着流体动压机械密封技术的不断完善和发展 其重要的一种密封型式螺 旋槽面气体动压密封即干气密封在石化行业得到了广泛的应用 相对于封油浮 环密封干气密封具有较多的优点 运行稳定可靠易操作 辅助系统少 大大降 低了操作人员维护的工作量 密封消耗的只是少量的氮气 既节能又环保 图 6 6 所示为螺旋槽面干气密封的示意图 它由动环 1 静环 2 弹簧 FP h Fc Fo P Fc Fo 密封堰 凸台 螺旋槽 转向 图 6 7 螺旋槽动环密封面 图 6 8 干气密封作用 力图 CCR 基本知识 8 第三篇 设备技术 8 4 O 形环 3 5 8 组装套 7 及轴 6 组成 图 6 7 所示为动环表面精加工出螺 纹槽而后研磨 抛光的密封面 一般来讲螺旋槽深度约 2 5 10 m 密封环表 面平行度要求很高 需小于 1 m 螺旋槽形状近似对数螺旋线 如图 6 7 示 当动环旋转时将密封用的氮气周向吸入螺旋槽内 由外径朝 向中心 径向方向朝着密封堰流动 而密封堰起着阻挡气体流向中心的作用 于是气体被压缩引起压力升高 此气体膜层压力企图推开密封 形成要求的气 膜 此平衡间隙或膜厚 h 典型值为 3 m 这样 被密封气体压力和弹簧力与气 体膜层压力配合好 使气膜具有良好的弹性既气膜刚度高 形成稳定的运转并 防止密封面相互接触 同时具有良好刚度的氮气膜可有效的阻止被介质的泄漏 干气密封作用力情况见图 6 8 在正常运转条件下该密封的闭合力 弹簧和 气体作用力 等于开启力 气膜作用力 当受到外力干扰 间隙减小 则气体 剪切率增大 螺旋槽开启间隙的效能增加 开启力大于闭合力 恢复到原间隙 若受到外扰间隙增大 则间隙内膜压下降 开启力小于闭合力 密封面合拢恢 复到原间隙 12 轴承 离心式压缩机有径向轴承和推力轴承 径向轴承为滑动轴承 它的作用是 支持转子使之高速运转 止推轴承则承受转子上剩余轴向力 限制转子的轴向 窜动 保持转子在气缸中的轴向位置 1 径向轴承 径向轴承主要有轴承座 轴承盖 上下两半轴瓦等组成 轴承座 是用来放置轴瓦的 可以与气缸铸在一起 也可以单独铸成后支 持在机座上 转子加给轴承的作用力最终都要通过它直接或间接地传给机座和 基础 轴承盖 盖在轴瓦上 并与轴瓦保持一定的紧力 以防止轴承跳动 轴承 盖用螺栓紧固在轴承座上 轴瓦 用来直接支承轴颈 轴瓦圆表面浇巴氏合金 由于其减摩性好 塑 性高 易于浇注和跑合 在离心压缩机中广泛采用 在实际中 为了装卸方便 轴瓦通常是制成上下两半 并用螺栓紧固 目前使用巴氏合金厚度通常在 1 2mm 轴瓦在轴承座中的放置有两种 一种是轴瓦固定不动 另一种是活动的 即在轴瓦背面有一个球面 可以在运动中随着主轴挠度的变化自动调节轴瓦的 位置 使轴瓦沿整个长度方向受力均匀 润滑油从轴承侧表面的油孔进入轴承 在进入轴承的油路上 安装一个节 CCR 基本知识 9 第三篇 设备技术 9 流孔板 借助于节流孔板直径的改变 就可以调节进入轴承油量的多少 在轴 瓦的上半部内有环状油槽 这样使得润滑油能更好地循环 并对轴颈进行冷却 2 推力轴承 推力轴承与径向轴承一样 也是分上下两半 中分面有定位销 并用螺栓 连接 球面壳体与球面座间用定位套筒 防止相对转动 由于是球面支承或可 根据轴挠曲程度而自动调节 推力轴承与推力盘一起作用 安装在轴上的推力 盘随着轴转动 把轴传来的推力压在若干块静止的推力块上 在推力块工作面 上也浇铸一层巴氏合金 推力块厚度误差小于0 01 0 02mm 离心压缩机中广泛采用米切尔式推力轴承和金斯泊雷式轴承 离心压缩机在正常工作时 轴向力总是指向低压端 承受这个轴向力的推 力块称为主推力块 在压缩机起动时 由于气流的冲力方向指向高压端 这个 力使轴向高压端窜动 为了防止轴向高压端窜动 设置了另外的推力块 这种 推力块在主推力块的对面 称为副推力块 推力盘与推力块之间留有一定的间隙 以利于油膜的形成 此间隙一般在 0 25 0 35mm以内 最主要的是间隙的最大值应当小于固定元件与转动元件之间 的最小轴向间隙 这样才能避免动 静件相碰 润滑油从球面下部进油口进入球面壳体 再分两路 一路经中分面进入径 向轴承 另一路经两组斜孔通向推力轴承 进推力轴承的油一部分进入主推力 块 另一部分进入副推力块 第三节第三节 离心压缩机的调节离心压缩机的调节 离心式压缩机的工况点都表现在其特性曲线上 而且压力与流量是一一对 应的 但究竟将稳定在哪一工况点工作 则要与压缩机的管网系统联合决定 压缩机在一定的管网状态下有一定的稳定工况点 而当管网状态改变 压缩机 的工况也将随之改变 一 管网特性曲线管网特性曲线 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 因为这样规定后 在研究压缩机与其管网的关系时就可以避开压 缩机的进气条件将随工况变化的问题 使问题得到简化 图5 6 8表示压缩机与排气系统中第一个设备相连的示意图 排气管上有调 整阀门 为了把气体送入内压力为Pr的设备去 管网始端的压力 称为压缩机 CCR 基本知识 10 第三篇 设备技术 10 出口的背压 Pe为 Pe Pr P Pr AQ2 1 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 Q 图6 9 管网性能曲线 将式 1 表示在图6 9上 即为一条二次曲线 它是管网端压与进气量的 关系曲线 称为管网性能曲线 管网性能曲线实际上相当于管网的阻力曲线 此曲线的形状与容器的压力及通过管路的阻力有关 当从压缩机到容器的管网 很短 阀门全开 因而阻力损失很小时 管网特性曲线几乎是一水平线如线1 当管路很长或阀门关小时 阻力损失增大 管网性能曲线的斜率增加 于是变 成线2所示 阀门开度愈小 曲线变得愈陡 如线3 如果容器中压力下降 则 管网性能曲线将向下平移 当Pr为常压时 管网性能曲线就是线4 可见管网的 性能曲线是随管网的压力和阻力的变化而变化的 二 离心压缩机的工作点二 离心压缩机的工作点 当离心压缩机向管网中输送气体时 如果气体流量和排出压力都相当稳定 即波动甚小 这就是表明压缩机和管网的性能协调 处于稳定操作状态 这 个稳定工作点具有两个条件 一是压缩机的排气量等于管网的进气量 二是压 缩机提供的排压等于管网需要的端压 所以这个稳定工作点一定是压缩机性能 P AQ2 P Pr P Pr AQ 2 CCR 基本知识 11 第三篇 设备技术 11 曲线和管网性能曲线交点 因为这个交点符合上述两个相关条件 为了便于说 明 把容积流量折算为质量流量G 图6 10中线1为压缩机性能曲线 线2为管网 性能曲线 两者的交点为A点 假设压缩机不是在A点而是在某点A1工况下工作 由于在这种情况下 压缩机的流量G1大于A点工况下的G0 在流量为G1的情况下 管网要求端压为PB1 比压缩机能提供的压力PA1还大 P 这时压缩机只能自动 减量 减小气体的动能 以弥补压能的不足 随着气量的减小 其排气压力逐 渐上升 直到回到A工况点 假设不是回到工况点A而是达到工况点A2 这时压 缩机提供的排气压力大于管网需要的压力 压缩机流量将会自动增加 同时排 气压力则随之降低 直到和管网压力相等才稳定 这就证明只有两曲线的交点A 才是压缩机的稳定工况点 图6 10 离心压缩机的稳定工况点 三 最大流量工况及喘振工况三 最大流量工况及喘振工况 1 最大流量工况 当压缩机流量达到最大时的工况为最大流量工况 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 2 喘振工况 离心压缩机最小流量时的工况为喘振工况 如图6 10所示 线1为带驼峰形 的离心压缩机P G特性曲线 A3点为峰值点 当离心式气压机的流量减少到使气 压机工作于特性曲线A3点时 如果因某种原因压缩机的流量进一步下降 就会 使气压机的出口压力下降 但是管路与系统的容积较大 而且气体有可压缩性 故管网中的压力不能立即下降 仍大于压缩机的排压 就会出现气体倒流入机 器内 气压机由于补充了流量 又使出口压力升高 直到出口压力高于管网压 力后 就又排出气体到系统中 这样气压机工作在A3点左侧时造成气体在机内 反复流动振荡 造成流量和出口压力强烈波动 即所谓的喘振现象 当压缩机 发生喘振时 排出压力大幅度脉动 气体忽进忽出 出现周期性的吼声以及机 器的强烈振动 如不及时采取措施加以解决 压缩机的轴承及密封必将首先遭 到破坏 严重时甚至发生转子与固定元件相互碰擦 造成恶性事故 A3点所对 CCR 基本知识 12 第三篇 设备技术 12 应的工况就是压缩机的最小流量工况 出现喘振的原因是压缩机的流量过小 小于压缩机的最小流量 管网的压 力高于压缩机所提供的排压 造成气体倒流 产生大幅度的气流脉动 防喘振 的原理就是针对着引起喘振的原因 在喘振将要发生时 立即设法把压缩机的 流量加大 3 喘振实例分析 当压缩机的性能曲线与管网性能曲线两者或两者之一发生变化时 交点就 要变动 也就是说压缩机的工况将有变化 从而出现变工况操作 离心压缩机的特性曲线 Q 与压缩机的转速 介质的性质及进气状态 有关 性能曲线的变化如图5 6 11所示 图6 11 性能曲线的变化 离心压缩机的变工况有时并不是在人们有意识的直接控制下 例如调节阀 门等 发生的 而是间接地接受到生产系统乃至驱动机的意外干扰而发生 化 工厂离心式压缩机经常发生意料之外的喘振 举例如下 图6 12 离心压缩机性能变化造成喘振的情况 a 某压缩机原来进气温度为20 工作点在A点 见图6 12a 因生产中 冷却器出了故障 使来气温度剧增到60 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移 由线1下降为1 而 管网性能曲线未变 压缩机的工作点变到A 点 此点如果落在喘振限上 就会 20 50 60 20 Pj Pjn1 n2 CCR 基本知识 13 第三篇 设备技术 13 出现喘振 b 某压缩机原在图6 12b所示的A点正常运行 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Pj下降为Pj 使机器性能曲线下降到1 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 c 某压缩机原在转速为n1下正常运行 工况点为A点 见图6 12C 后来 因为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 因此产生喘振 此外 还有因为气体分子量改变而导致喘振的事例 以上几种情况都是因压缩机性能曲线下移而导致喘振的 管网性能并未改 变 有时候则是因为管网性能曲线发生变化 例如曲线上移或变陡 而造成喘 振 图6 13 管网性能变化造成喘振的情况 某压缩机原在A 点工作 见图6 13 后来因为生产系统出现不稳定 管网中 压力大幅度上升 管网性能曲线由2上移到线2 此时压缩机的性能曲线未变 于是压缩机出现了喘振 还有一种类似情况就是当把排气管阀门关得太小时 管网性能曲线变陡 一旦使压缩机的工作点落入喘振区 喘振就突然发生 当某种原因使压缩机和管网的性能都发生变化时 只要最终结果是两曲线 的交点落在喘振区内 就会突然出现喘振 譬如说在离心压缩机开车过程 升 速和升压 和停车过程 降速和降压 中 两种性能曲