离心压缩机ppt课件

过程流体机械 1 4 1离心压缩机的典型结构与工作原理 离心式压缩机的发展状况两极化发展大型化 微型化多轴化发展较高压级与较低压级不同轴 2 高效化发展采用三元叶轮 浮环密封或干气密封提高压缩机的效率 3 离心压缩机的典型结构及特点离心压缩机的典型结构通过能量转换 使气体压力提高的机器称为压缩机 4 用旋转叶轮实现能量转换 使气体压力主要沿径向离心方向流动从而提高压力的机器称为离心压缩机离心压缩机出口的气体压力在200kPa以上 出口压力低于这个值的旋转叶轮式压缩机成为通风机和鼓风机 5 6 级的典型结构 7 级是离心压缩机使气体增压的基本单元级分三种型式 首级 中间级 末级中间级由叶轮 扩压器 弯道 回流器组成首级由吸气管和中间级组成 8 末级由叶轮 扩压器 排气蜗室组成固定部件包括扩压器 弯道 回流器及排气蜗室等为了简化研究 通常只分析与计算级中几个特征截面上的气流参数吸气管进口截面叶轮进口截面 9 叶轮叶道进口截面叶轮出口界面扩压器进口截面扩压器出口 即弯道进口 截面弯道出口 即回流器进口 截面回流器出口截面本级出口 即下一级进口 截面排气蜗室进口截面排气蜗室出口 即末级出口或段出口 或整个机器出口 截面 10 离心叶轮的典型结构叶轮是外界 原动机 传递给气体能量的部件 是最重要的部件 11 闭式叶轮常见 它的漏气小 性能好 效率高 但因轮盖影响叶轮强度 使圆周速度受到限制 小于300 320m s半开式叶轮强度较高 圆周速度可达450 550m s 叶轮作功量大 单级增压高 但效率较低 12 双面进气叶轮适应大流量 且叶轮轴向力本身得到平衡 13 叶片的弯曲形式和出口角 14 叶轮结构型式通常还按叶片的弯曲形式和叶片出口角来区分后弯型叶轮通常被采用 它的级效率高 稳定工作范围宽前弯型叶轮由于气流在这种叶道中流程短转弯大 其级效率较低 稳定工作范围较窄 仅用于通风机 15 径向叶轮级性能介于后弯型叶轮和前弯型叶轮之间 16 扩压器的典型结构 无叶扩压器 17 叶片扩压器 18 无叶扩压器结构简单 级变工况的效率高 稳定工作范围宽 常采用叶片扩压器由于叶片的导向作用 气体流出扩压器的路程短 扩压器外径不需太大 结构较紧凑 但结构复杂 变工况的效率较低 稳定工作范围较窄 19 弯道和回流器使气流转向以引导气流无预旋的进入下一级 通常它们不再起降速增压作用吸入室将进气管道中的气流吸入 并沿环形面积均匀地进入叶轮 20 排气蜗壳将叶轮出口或扩压器出口环形面积中的流体收集 导向进入排气管道之中离心压缩机的特点与往复活塞压缩机比较优点流量大进气量可达6000m3 min以上 21 转速高离心压缩机转子只作旋转运动 几乎没有不平衡质量 转动惯量较小 运动件与静止件保持一定间隙 因而转速可以提高 转速一般为5000 20000rpm结构紧凑机组重量与占地面积比用同一流量的活塞压缩机小得多 22 运转可靠 维修费用低缺点单级压力比不高高压力比所需的级数比活塞式的多 目前排气压力在70MPa以上的 只能使用活塞压缩机不能适用于太小的流量因为转速高 流通截面积较大 23 由于离心压缩机的优点显著 故现代大型化肥 乙烯 炼油 冶金 制氧 制药等生产装置中都采用了离心压缩机 24 离心压缩机作为一种高速旋转机器 对材料 制造与装配均有较高的要求 因而这种机器的造价较高 但它所创造的价值也是十分可观的 25 离心压缩机的基本工作原理连续方程基本表达式假定气体作定常 稳态 一元流动 则 26 在叶轮出口的表达式反映流量与叶轮几何尺寸及气流速度的相互关系 叶轮出口处的流量系数 叶轮出口处的通流系数 27 j2r的取值范围径向型叶轮 0 24 0 40后弯型叶轮 0 18 0 32强后弯型叶片 b2A 30 0 10 0 20 28 由于对于多级压缩机同在一根轴上的各叶轮中的容积流量都要受到相同的质量流量和统一转速的制约 故 3 2 式常用来校核各级叶轮出口相对宽度的合理性 29 欧拉方程欧拉方程是用来计算原动机通过轴和叶轮将机械能转换给流体的能量 故它是叶轮机械的基本方程 欧拉功 理论能量头 30 方程的物理意义欧拉方程指出的是叶轮与流体之间的能量转换关系只要已知叶轮进出口的流体速度 就可以计算出1kg流体与叶轮之间机械能转换的大小 31 方程式用于任何气体与液体只需将等式右边各项的进出口符号调换一下 亦适用于叶轮式原动机如汽轮机 燃气轮机等若气体流入压缩机的叶轮进口时无预旋 即c1u 0 如果叶片数无限多 则b2 b2A 32 然而 对有限叶片数的叶轮 由于其中的流体受哥氏惯性力的作用和流动复杂性的影响 出现轴向涡流等 使b2 b2A出口流体出现滑移 出口绝对速度切向分量难以确定 但是可用斯陀道拉公式计算 33 斯陀道拉公式滑移系数 34 对于闭式后弯叶轮 理论能量头系数 周速系数 35 36 经验证实对于一般后弯型叶轮 斯陀道拉提出的公式计算结果与实验结果较接近有限叶片数比无限叶片数的作工能力有所减少 这种减少并不意味着能量的损失 37 能量方程假定外界不传递热量 q 0 38 能量方程的物理意义能量方程是既含机械能有含热能的能量转化与守恒方程方程对有粘无粘气体都是适用的离心压缩机不从外界吸收热量 而由机壳向外散出的热量与气体的热焓升高相比是很小的 故认为气体在作绝热流动 39 方程适用于压缩机的一级 也适用于多级整机或其中任一通流部件对于叶轮 40 对于任一静止部件 41 柏努利方程应用柏努利方程将流体所获得的能量区分为有用能量和能量损失 并引入压缩机中所关注的压力参数 以显示出压力的增加 叶轮所作的机械功还可以与级内表征流体压力升高的静压能联系起来 表达成通用的柏努利方程 42 对级内流体而言有计入内漏气损失和轮阻损失 消耗的总功 总能量头 级中总能量损失 43 柏努利方程的物理意义是能量转化与守恒的一种表达式建立了机械能与气体压力 流速和能量损失之间的相互关系方程适用于一级 已适用于多级整机或其中任一通流部件 44 对于叶轮对于扩压器 45 对于不可压缩流体 密度为常数 46 压缩过程与压缩功气体被压缩时 每kg气体所获得的压缩功称为有效能量头 对于多变压缩功有 多变压缩有效能量头 简称多变能量头 47 能量头系数ypol能量头与圆周速度的平方之比称为能量头系数 表示叶轮圆周速度用来提高气体压力比的能量利用程度 48 将基本方程相关联 就可知流量和流体速度在机器中的变化 而通常无论是级的进出口 还是整个压缩机的进出口 其速度几乎相同 故这部分进出口的动能增量可忽略不计 同时还可获知由原动机通过轴和叶轮传递给流体的机械 49 能有一部分有用能量即静压头的增加 使流体的压力得以提高 而另一部分是损失的能量 它是必须付出的代价 上述静压能头增量和能量损失两者造成流体温度 或焓 的增加 于是可知流体在机器内的速度 压力 温度的变化规律 50 级内的各种能量损失包括级内的流动损失 漏气损失和轮阻损失级内的流动损失摩阻损失流体粘性是产生能量损失的根本原因 51 通常流动是湍流 相对粗糙度一定 l也一定 从而有沿程摩阻损失与体积流量的平方成正比 52 分离损失在减速增压的通道中 近壁边界层容易增厚 甚至形成分离漩涡区和倒流 产生分离损失 分离损失往往比沿程摩阻损失大得多 53 54 55 由于叶轮中的气流受离心力的影响 并有能量的不断加入 其边界层的增厚不像固定部件中那样严重 所以叶轮的流动效率往往是较高的 56 冲击损失当流量偏离设计工况点时 其叶轮和叶片扩压器的进气冲角i b1A b1 0 于是气流对叶片造成冲击损失 尤为严重的是在叶片进口附近还会产生较大的扩张角 造成分离损失 导致能量损失显著增加 57 58 59 60 在调节离心压缩机运行工况时 流量小于设计流量相当于i 0 造成很大的分离损失流量大于设计流量相当于i 0 造成的分离损失相对较小些 61 二次流损失与主流方向相垂直的流动造成二次流损失 哥氏力的影响 叶片工作面与非工作面压差的影响 可采取适当增加叶片数 减轻叶片负荷 避免气流方向的急剧转弯等措施 可减少二次流损失 62 63 64 尾迹损失叶片尾缘由一定的厚度 气流出叶道后通流面积突然扩大 另外叶片两侧的边界在尾缘汇合 造成许多漩涡 主流带动低速尾迹涡流均会造成尾迹损失 采用翼型叶片代替等厚度叶片 或将等厚度叶片出口非工作面削薄 可以减小该损失 65 事实上这些损失并非单独存在 往往随着主流混在一起相互作用相互影响 总的流动损失只能靠具体的实验和经验来确定采取各种措施 尽量减少流动损失 是节能所必须做好的工作 66 漏气损失产生漏气损失的原因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 在叶轮两侧与固定件之间的间隙中会漏气 而所漏气体又随主流流动 造成膨胀与压缩循环 每次循环都伴随能量损失 且是不可逆的 67 68 密封件的结构形式在固定部件与轮盖 隔板与轴套 以及整机轴的端部需要设置密封件一般整机轴端部的密封采用浮环密封或干气密封 内部级采用迷宫密封 梳齿式密封 69 曲折形梳齿密封 70 71 72 73 74 轮盖密封处的漏气损失轮盖密封处的漏气能量损失使叶轮多消耗机械功 它应包括在叶轮所输出的总功之内 所以必须单独计算 而通常隔板与轴套之间的漏气损失不单独计算 只考虑在固定部件的流动损失之中 75 轮阻损失叶轮旋转时 轮盘 轮盖外侧和轮缘要与周围的空气发生摩擦 从而产生轮阻损失 轮阻损失可借助等厚度圆盘分析和实验 以及旋转叶轮的实验数据进行计算 76 多级压缩机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在3以上 有的高达150以上与活塞压缩机相比 离心压缩机的单级压力比要低一些 常用的后弯闭式叶轮仅为1 2 1 5 77 为了达到较高的压力比 一般离心压缩机多为多级串联式的结构 对于单轴压缩机 考虑到结构的紧凑型与机器的安全可靠性 一般主轴不能过长 故通常最多装9个叶轮 即一台机器最多为9级压缩机 78 79 80 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 最新发展的离心压缩机采用多轴多缸型式 可以达到很高的压力比 而且结构紧凑 在大型化工 石油化工厂使用 效果很好 81 82 83 分段与中间冷却以减少功耗与容积式压缩机一样 气流经逐级压缩后温度不断升高 而压缩温度高的气体要多耗功 为了降低气体的温度 节省功率 在离心压缩机中 往往采用分段中间冷却的结构 而不采用汽缸冷却结构 84 中间冷却不能只考虑省功 还要考虑下列因素 被压缩介质的特性对于易燃易爆的气体 则段的出口温度宜低一些 对于在高温下会发生不必要的分解或化合等化学变化 或会产生并加速对机器材料腐蚀的气体 冷却次数应增加一些 85 根据用户对排气的要求有的用户要求排出的气体温度高 以利于化学反应或燃烧 则不必采用中间冷却 或尽量减少冷却次数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 86 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级数与叶轮圆周速度和气体分子量的关系级数与叶轮圆周速度的关系 87 为使机器结构紧凑 减少零部件 降低制造成本 在达到所需压力比条件下要求尽量减少级数 可通过提高叶轮圆周速度来实现 但圆周速度的提高受到以下因素限制 叶轮材料强度的限制气流马赫数的限制马赫数的升高会引起效率下降 工况范围窄 88 叶轮相对宽度的限制当流量与转速一定时 提高圆周速度需增加叶轮直径 这回使叶轮相对宽度变得太小 特别对于后几级 造成效率下降级数与气体分子量的关系气体分子量对马赫数的影响气体分子量越大 越重气体 机器马赫数越大 会降低级性能和效率 从而限制了圆周速度提高 89 反之 若压缩轻气体 提高圆周速度以降低级数时 可不必担心马赫数的影响气体分子量对所需压缩功的影响多变压缩功的大小与气体分子量和绝热指数有关 特别是分子量的大小影响更大 压缩重气体时所需的多变压缩功较大 故级数就少 反之 压缩轻气体时所需多变压缩功较小 故级数就要多 90 功率与效率计算离心压缩机所需的轴功率为选型方案计算和选择原动机提供依据 单级总耗功 功率和效率单级总耗功 总功率 91 旋转叶轮所消耗的功用于两方面叶轮传递给气体的欧拉功 即气体所获得的理论能量头叶轮旋转时所产生的漏气损失和轮阻损失 这部分耗功不可逆的转化为气体的热量叶轮对1kg气体的总耗功为Ltot Htot 1 bl bdf Hth 92 流量为qm的总功率为Ntot qmHtot 1 bl bdf qmHth对于闭式后弯型叶轮而言 一般bl bdf 0 02 0 04下图将几种能量头与几种损失联系起来 93 Htot Hl Hdf Hth Hhyd Hpol 能量头分配示意图 94 级效率多变效率 hpol 级中气体压力由p0升高到p0 所需的多变压缩功与实际总耗功之比等熵效率 hs 级中气体压力由p0升高到p0 所需的等熵压缩功与实际总耗功之比等温效率 ht 级中气体压力由p0升高到p0 所需的等温压缩功与实际总耗功之比 95 多变能量头系数指多变能量头与圆周速度的平方之比ypol 1 bl bdf j2uhpol多变能量头与叶轮的周速系数 多变效率 漏气损失系数和轮阻损失系数的相互关系 若要充分利用叶轮的圆周速度 就要尽可能的提高周速系数和级效率 96 比较效率高低时应注意 效率与所指的通流部件的进出口有关效率与特定的气体压缩热力过程有关效率与运行工况点有关 通常指的是设计工况点的最佳效率通常较多使用的是级的多变效率 由实验获得 97 对于具有闭式后弯型叶轮 无叶扩压器的级 多变效率为0 025 b2 D2 0 065hpol 0 70 0 80小流量或末几级 b2 D20 065hpol 0 65 0 75 98 多级离心压缩机的功率和效率多级离心压缩机的内功率多级离心压缩机的内功率 Ni 可表示为诸级总功率之和多级离心压缩机的效率多级离心压缩机的效率通常指内效率 而内效率是各级效率的平均值 对于带有中间冷却的机器有时还用等温效率 99 机械损失 机械效率和轴功率机械损失 指不是在压缩机通流部件内 而是在轴承 密封 联轴器以及齿轮箱中所引起的机械摩擦损失轴功率 Nz 原动机所传给压缩机轴端的功率机械效率 hm 多级离心压缩机的内功率与轴功率之比 100 机械效率的选取Ni 2000kWhm 97 98 Ni 1000 2000kWhm 96 97 Ni 1000kWhm 96 101 原动机的输出功率压缩机的轴功率为选取原动机提供了依据 考虑到以上轴功率的计算是按设计工况进行的 当运行中流量增大时 往往所需的轴功率有所增加 并考虑到机器的安全耐用 原动机不应在额定功率下长期使用 故所选取原动机的额定功率一般为Ne 1 3Nz 102 三元叶轮的应用现代工业对离心压缩机的要求能进一步增大流量提高效率尽可能的提高单级压力比具有较宽的便工况范围 103 流量增大叶轮出口的相对宽度b2 D2将超过0 065达到0 1甚至更大 致使叶轮中的气流参数原来的不均匀性更加显著 导致更大的损失 叶片只弯不扭的常规叶轮结构已经不适用 必须按三元流动理论设计出既弯又扭的三元叶轮 104 三元叶轮才能适应气流参数 如速度 压力等 在叶道各个空间点上的不同 并使其既能满足大流量 高的级压力比 又具有高的效率和较宽的变工况范围 105 106 107 108 4 2性能 调节与控制 p95 离心压缩机的性能性能曲线 最佳工况点与稳定工作范围性能曲线 特性曲线 109 离心压缩机的工作特性可简要表示为 在一定转速和进口条件下的压力比e 或出口压力 与流量 效率与流量的性能曲线压缩机性能曲线的形状是由机器内部气体流动的规律决定的 难以用公式计算出 一般由实验得到 110 111 112 113 最佳工况点通常将曲线上的效率最高点成为最佳工况点从节能的观点出发 要求选用机器时 尽量使机器运行工况在最佳工况点上或尽量靠近最佳工况点 以减少能量的消耗与浪费 114 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 右边受到堵塞工况的限制 在两个工况之间的区域称为压缩机的稳定工作范围离心压缩机变工况稳定工作范围越宽越好 115 压缩机的喘振与堵塞压缩机喘振的机理旋转脱离当压缩机流量减少至某一值时 叶道进口正冲角很大 致使叶片非工作面上的气流边界层严重分离 并沿叶道扩张开来 但由于个叶片制造与安装不尽相同 又由于来流的不均匀性 使气流脱 116 离往往在一个或几个叶片上首先发生 造成叶道有效通道面积大大减小 从而使原来要流过该叶道的气流相当多地流向相邻的两个叶道 促使与转向相反方向的叶道相继发生严重脱离 依次类推 造成脱离区朝叶轮旋转的反方向以w 转动 由实验可知w w 故从绝对坐标系观察脱离区与叶轮同向旋转 117 118 旋转脱离区有时可能同时在某几个叶道中出现 形成数个脱离团 叶片扩压器中同样存在旋转脱离 而且旋转脱离往往是首先在叶片扩压器中出现 119 旋转脱离使气流产生流速 压力等参数的周向脉动 气脉动幅值小 频率高 对叶片产生周期性的交变作用力 若该交变作用力的频率与叶片的固有频率相近 有可能造成叶片共振遭到破坏 120 压缩机的喘振当压缩机的流量进一步减小时 叶道中的若干脱离团会联在一起成为大的脱离团 占据大部分叶道 这时气流受到严重阻塞 致使压缩机性能曲线中断与突降 叶轮虽仍然旋转对气流做功 但已不能提高气体的压力 于是压缩机出口压力显著下降 由于管网的压力不可能很快下降 于是 121 其压力会大于压缩机出口压力 使气流倒流进压缩机内 并使气体冲出压缩机的进口 直到管网中的压力下降至压缩机出口压力 这时倒流停止 气流又在旋转叶轮的作用下正向流动 提高压力 并向管网供气 随之压缩机流量又增大 如此反复正流 倒流 使整个系统发生周期性的低频大振幅的周向气流振荡现象 122 实验表明 管网容积越大 喘振频率越低 而振幅越大 反之亦然旋转脱离是喘振的前奏 而喘振是旋转脱离进一步恶化的结果 发生喘振的内在因素是叶道中充满了气流的脱离 外在条件与管网的容积和管网的特性曲线有关 123 喘振的危害喘振造成的后果是很严重的 它不仅是压缩机的性能恶化 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地振动 致使机器的轴承 密封遭到破坏 甚至发生转子和固定部件的碰撞 造成机器的破坏 喘振还会造成管网的破坏 124 防止喘振的措施一旦发生喘振 应立即采取措施消除或停机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所处的位置降低运行转速 可使流量减小而不至于进入喘振状态 但出口压力随之降低 125 在首级或各级设置导叶转动机构以调节导叶角度 是流量减小时的进气冲角不至于太大 从而避免发生喘振在压缩机出口设置旁通管道 如生产中必须减少流量时 让压缩机出口多余的气体放空 或经降压后仍回到进气管 126 在压缩机进口安装温度 流量监测仪表 出口安装压力监视仪表 一旦出现异常或喘振及时报警 最好还能与防喘振控制操作联动或与紧急停车联动运行操作人员应了解压缩机的工作原理 随时注意及其所在工况位置 熟悉各种监测系统和调节控制系统的操作 尽量使机器不致进入喘振状态 127 压缩机的堵塞工况当流量不断增大时 气流产生较大的负冲角 使叶片工作面上发生分离 当流量达到最大值时 叶轮做的功全变为能量损失 压力不再升高 甚至可能是叶道中的流动变为收敛性质 或者流道最小截面处出现了声速 这时压缩机达到堵塞工况 128 如果压缩机达到堵塞工况 则其气流压力得不到提高 流量也不可能再增大了 故压缩机性能曲线的右边受到堵塞工况的限制 129 级与多级压缩机的性能曲线形状基本一样 但由于受逐级气流密度变化的影响 级数愈多 压缩机性能曲线愈陡 喘振流量愈大 堵塞流量愈小 其稳定工作范围就愈窄 就压缩机的性能好坏而言 其最佳效率愈高 效率曲线愈平坦 稳定工作范围愈宽 性能愈好 130 压缩机与管网联合工作管网特性曲线 131 压缩机与管网联合工作 132 133 平衡工况的稳定性 134 压缩机的串联与并联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 135 并联不当 136 压缩机的各种调节方法及其特点在实际运行中 为了满足用户对输送气流的流量或压力增减的需要 就必须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 137 压缩机出口节流调节调节压缩机出口管道中的节流阀门开度是一种最简单的调节方法特点不改变压缩机的特性曲线 仅改变管网阻力特性曲线减小阀门开度 可减小流量 反之亦然 138 阀门关小 使管网阻力增大 其压力损失主要消耗在阀门引起的附加局部损失上 使整个系统的效率有所下降此法简单易行 操作方便 139 压缩机进口节流调节调节压缩机进口管道中阀门开度是一种简便且可节省功率的调节方法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的目的 140 特点由于进气节流可使压缩机进气的压力减小 密度相应地减小 从而使理论能量头 漏气系数和轮阻系数都有所减少 结果使功耗有所减小可使压缩机的性能曲线向小流量方向移动 因而能在更小流量下稳定地工作 而不致发生喘振 141 节流阻力带来一定的压力损失并使排气压力降低为使压缩机进口流场均匀 要求阀门与压缩机进口之间设有足够长的平直管道进气节流是一种广泛采用的调节方法 142 采用可转动的进口导叶调节又称进气预旋调节在叶轮之前设置进口导叶 并用专门机构使各个叶片绕自身的轴转动 从而改变导向叶片的角度 可使叶轮进口气流产生预旋 143 若要使气流预旋与叶轮旋转方向一致 则c1u 0 称为正预旋 反之 c1u 0 称为负预旋 理论能量头随正预旋而减小 随负预旋而增大 且与叶轮直径比的平方有关实验结果表明 负预旋角增大时 压缩机性能曲线向右上方移动 但其效率曲线变化不大 144 进气预旋调节比进口出口节流调节的经济性好 但可转动导叶的机构比较复杂 故在离心压缩机中实际采用得不多 而在轴流压缩机中广泛采用 145 采用可转动的扩压器叶片调节具有叶片扩压器的离心压缩机 其性能曲线较陡 且当流量减小时 往往首先在叶片扩压器出现严重分离导致喘振 但如能改变扩压器叶片的进口角以适应来流角 则可避免上述缺点 从而扩大稳定工况范围 146 147 减小叶片的进口角可使性能曲线向小流量区大幅平移 使喘振流量大为减小 而同时压力和效率变化很小这种调节方式能很好地满足流量调节的要求 但改变出口压力的作用很小 这种调节机构相当复杂因而较少采用 148 改变压缩机转速的调节如原动机可改变转速 则调节转速的方法可改变压缩机性能曲线的位置 转速减小性能曲线向左下方移动可以按用户要求 在出口压力不变的条件下改变流量也可以按用户要求 在流量不变的条件下改变出口压力 149 150 151 转速调节其压力和流量的变化都较大 从而可显著扩大稳定工况区 且并不引起其他附加损失 亦不附加其他结构 因此是一种经济简便的方法切割叶轮外径与减小转速有大体相同的性能曲线变化 但它是不可逆的 在不得已时采用 152 三种调节方法的经济性比较及联合采用两种调节比较进口节流 进气预旋和改变转速的经济性改变转速经济性最佳进气预旋经济性次之 153 目前大型离心压缩机大都用汽轮机驱动 它可无级变速 对性能调节十分有利如有可能 也可以同时采用两种调节方法 以取长补短 调节效果更佳 下图为同时采用改变转速与改变扩压器角度联合调节的性能曲线变化情况 154 155 附属系统输送气体的管网系统增 减 速设备油路系统包括润滑 密封油路系统 156 157 水路系统检测系统 158 压缩机的控制用于调节或稳定操作自动控制系统用于机器的启动 停车 原动机的变转速 压缩机工况点保持稳定或变工况调节 以使压缩机尽量处于最佳工作状态 159 用于保证机器安全自动控制系统还与各检测系统和在线实时故障诊断系统连锁控制 实现紧急 快速 自动停车 以确保机器的安全 160 4 3安全可靠性 离心压缩机属于高速旋转机械 涉及到 部件的强度部件的刚度转子动力学振动学 161 叶轮强度由于离心叶轮高转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 162 转子临界转速若转子旋转的角速度与转子弯曲振动的固有圆周频率相重合 则转子发生的强烈共振会导致转子的破坏 此时对应的转速称为转子的临界转速 一旦转子的转速远离临界转速 则转子运行平稳 163 为了确保机器的安全运转 要求转子的工作转速远离第1 2阶临界转速 其校核条件是对于刚性转子n 0 75nc1对于柔性转子1 3nc1 n 0 7nc2 164 轴向推力的平衡转子承受的轴向力流体作用在叶轮上的轴向力由两部分组成 由叶轮两侧的流体压力不相等引起由流经叶轮的流体轴向分动量的变化产生 165 166 流体作用在各个叶轮上的轴向力之和就是转子承受的轴向推力 为防止转子在轴向推力的作用下轴向移动 要安装推力轴承 如果轴向力过大 必须设法把大部分轴向力平衡掉 以保证推力轴承工作的可靠性 167 168 轴向推力的几种平衡措施叶轮对排叶轮顺排不能抵消轴向力叶轮对排可以抵消大部分轴向力对排对高压压缩机更为适用 但转子的轴向尺寸有所增加 会降低转子的1阶临界转速 169 170 叶轮背面加筋在轮盘背面加几条径向筋片 相当于增加一个半开式叶轮 以降低靠内径处的压力 故可使叶轮的轴向力有所减少 见图 这种措施对流体密度大的高压压缩机减小叶轮轴向力十分有效 171 172 采用平衡盘 平衡活塞 在末级叶轮之后的轴上安装一个平衡盘 见图 并使平衡盘的另一侧与吸气管相通 靠近平衡盘端面安装迷宫密封 这样可以使转子上的轴向力大部分被平衡掉上述三种措施中 采用最多的是平衡盘 173 174 抑制轴承 自学 轴端密封为防止轴端尤其是与原动机连接端 轴与固定件之间间隙中的气体向外泄漏 需要专门设置轴端密封 175 对于高压气体 贵重气体 易燃易爆气体和有毒气体等更应严防漏气迷宫密封可以作为轴端密封使用 但只能用于允许有少量气体泄漏的机器中 对于严防轴端气体泄漏的情况 迷宫密封只能作为辅助密封 176 机械密封机械密封又称端面接触式密封特点线速度可达70m s 且使用寿命长 端面接触式密封可达三年 177 178 液膜密封液膜密封是在密封间隙中冲注带压液体 以阻滞被封介质泄漏 由于它将固体间的摩擦转化为液体摩擦 故又称为非接触式密封 又由于密封间隙中还设置了可以浮动的环以减小密封间隙 从而减小带压液体的用量 故又称为浮环密封 179 180 在正常工作情况下 浮动环与轴不会发生接触摩擦 故运行平稳安全 使用寿命长 并特别适合于大压差 高转速的场合在离心压缩机等高速叶轮机械中 这种液膜浮动环密封装置得到了广泛的应用 181 干气密封干气密封始用于上世纪90年代 是一种新型轴端密封 其结构与机械密封相似 但有一个端面开有槽 工作时两端面在气压的作用下自动分开 并保持一定的动态间隙 故也属于非接触式密封 182 与液膜密封不同 干气密封采用气膜密封 这样既节省了密封油系统 从而节省了占地 维护和能耗 又使工作介质不被油污染 特点干气密封结构简单 工作可靠 泄漏量甚微 省去了密封油系统 183 但它们对密封气的要求较高 如果密封气不洁净 带有油滴或颗粒 都会使干气密封失效或者损坏目前国内使用的干气密封最高压力可达30MPa 寿命可达8年 184 离心压缩机机械故障诊断 自学 185 4 4透平压缩机选型 p125 选型的基本原则提出产品应达到的技术指标性能指标流量指质量流量或容积流量 进口容积流量须注明进口气体状态 186 标准容积流量是指在气体压力为101 325kPa 温度为0 C状态下的容积流量压力比压缩机出口法兰处的压力与进口法兰处的压力之比效率 应指明效率的定义和要求的数值功率 可指出具体数值或计算 187 提出变工况稳定工作的适用范围 说明其定义 也可以再提出大流量和小流量各占的比例明确经常运行的工况点离心压缩机是仅按一个工况点的性能参数进行设计与制造的 该工况点一般是最佳工况点即最高效率点 188 如果担心压力比和流量达不到性能参数所规定的要求 可适当增加一个余量 流量多加1 5 流量大 压力比小的压缩机选取小的数值 反之 取大值进出口压力升多加2 6 压力升较大的选取小的数值 反之 选取大的数值 189 安全指标材料强度允许的动不平衡残量1 2阶临界转速主要零部件的装配尺寸及其公差机器运行的振动值机器允许的振动值是主要的安全指标 190 提出产品的经济指标产品价格离心压缩机的价格十分昂贵 合理的价格是重要的考虑因素 但产品的质量 满足使用工况要求的程度 效率 安全可靠性 寿命 尤为重要 要统筹兼顾离心压缩机的质量与价格 191 供货时间离心压缩机多为单台或小批量生产 生产厂商往往不能在短时间内立刻供货 可根据工厂建设速度决定供货时间 推迟交货会影响开工生产日期 提早交货 货到后不能及时启用 会浪费保修期 造成不必要的损失 192 使用寿命使用寿命的提出取决于压缩机的更新换代周期和所处的工艺流程的有效期选择适当的寿命会更经济合算 因此 使用寿命不必要求过长 否则机器的价格就会抬高 193 选用性能调节方式在实际生产过程中往往会由于生产上的工艺要求 需要改变压缩机的近气流量和排气压力 这就需要调节压缩机以改变运行工况点当生产工艺要求窄的变工况范围时 可采用阀门调节 订货时不提调节方式的要求 194 当生产工艺要求宽的变工况范围时 可选用变转速调节或进气导叶调节等调节方式 相应地要求原动机可变转速 或者增加进气导叶可调辅助装置等 在选型订货时也要予以确定 195 提出必须配备的设备仪表在选型订货时必须确定附属系统的供货范围 如冷却器 油站 测量仪器和控制系统等 需要制造厂家提供的 在订货时一定要提出来 196 其他事项由于压缩机往往是单台或小批量生产 用户可提出各种具体的要求 转子转向进排气管的方位机器的高度随机备件 专用工具及其数量 197 选型分类按气体流量与压力选型各类压缩机的流量与压力适用范围容积式压缩机适用于小流量 其中活塞压缩机的排气压力很高透平式压缩机适用于大流量 其中离心压缩机的排气压力较高 198 199 按流量选型流量的大小是与机器类型和结构的相对尺寸有关的相对概念较小流量选用窄叶轮的离心压缩机 如果流量再小 选用容积式在流量约为50 5 103m3 min选用离心压缩机比较合适较大流量的压缩机或级 可选用双面进气的叶轮 200 若流量更大 约在1 20 103m3 min 而排气压力不高 约1MPa或压力比约在10以下 可选用轴流式压缩机按压力选型按排气压力的大小选型 相对于进口为一个大气压的空气而言 选用 压缩机排气压力在0 2MPa以上 201 鼓风机排气压力在0 115 0 2MPa通风机排气压力在0 115MPa以下 表压在1500mmH2O以下 鼓风机 通风机大多为离心式的 少部分为轴流式的 其工作原理 结构形式等与压缩机类同 不作专门介绍 202 轴流式与离心式压缩机的性能比较轴流式压缩机适用于更大的流量叶轮进口流通面积较大 流速也比较大轴流式的级压力比较低其级中获得的能量比较少 故有效压缩功小 即压力比较低 203 轴流压缩机的效率高气流流经轴流级动叶栅的流线弯曲小 路程短 另外叶片为流线型机翼叶片 流动损失较小轴流压缩机的变工况特性较差气流流量的增减对内部正负冲角的增大影响较大 使级压力比变化较剧 性能曲线较陡 效率曲线左右下降得较厉害 适应性差 204 205 轴流式压缩机适用于流量大 压力比不太高的场合 其效率很高 可达90 节能显著 因此 近期也在我国民用工业如发电 冶金 炼油 化工等领域中被选用 206 按工作介质选型按轻气体与重气体选型由于压缩功与气体常数R成正比 而R与气体的相对分子量成反比 故压缩较轻气体所消耗的有效压缩功较大 因而选用的压缩机级数会比较多 因此必须选用叶轮材质优良圆周速度较高 叶片出口角较大 叶片数较多的叶轮 提高压力比以降低级数 207 而压缩重气体所需的压缩功就小 则可选用较少的级数 甚至选用单级离心压缩机在选型或设计时 不应使圆周速度过大 圆周速度越大 马赫数就越大 效率越低 变工况范围越小 208 按工作介质的性质和排气压力选型如果工作介质有毒 易燃 易爆 贵重 并且排气压力很高 则应选用密封性能很好的压缩机 允许的泄漏量极小 甚至不允许泄漏另外 为了安全起见 对温度的提高要有所限制 可选用带有中间冷却器的压缩机 209 按气固 气液两相介质选型若气体中含有固体颗粒或液滴 应根据气体中所含固体颗粒或液滴的浓度 大小等参数 要求压缩机的设计制造单位 按两相流理论进行设计 而通流部件特别是叶轮 叶片应选用耐磨损 耐锈蚀的材料或进行表面喷涂硬质合金等特殊的表面处理 210 按机器结构特点选型单级离心压缩机若被输送气体的相对分子量大或者要求的压力比不高 则应选用结构简单的单级压缩机为了提高单级离心压缩机的压力比 可选用半开式径向型叶片的叶轮 211 多级多轴结构由于多级离心压缩机逐级容积流量不断减小 而一个转子或直线式串联的多个转子上的叶轮转速都相同 难以满足性能好 效率高的要求可采用多轴结构 利用转速不同来满足各级出口相对宽度的要求 212 213 多缸串联机组若要求的压力比很高或输送的气体很轻即使压力比不大 但功耗却很大时 需要选用两缸或多缸压缩机串联的机组 214 气缸结构上 下中分型气缸一般多级离心压缩机多选用上 下中分型的气缸 并将进气管和排气管与下半缸相连 便于拆装竖直剖分型该型式多用于叶轮安装在轴端的单级压缩机 多级压缩机很少采用 215 高压筒型气缸该机的结构特点是外气缸有锻造厚壁圆筒与端盖构成 因装配需要还有内气缸 不分段无中间冷却器 轴端有严防漏气的特殊密封 216 217 叶轮结构与排列一般采用闭式叶片后弯式叶轮 因为它性能好 效率高为了提高单级压力比 使结构简单紧凑 可选用半开式径向直叶片的叶轮 其前面加上一个沿径向叶片扭曲的导风轮 减小气体的冲击损失 218 为适应较大的流量 可选用具有叶片扭曲的三元叶轮 以改善性能提高效率为了提高叶片的做功能力 同时又可减少叶片进口区的叶片堵塞 可选用长 短叶片相间排列结构的叶轮 以增加叶片数多级压缩机的叶轮可以顺向排列 也可以对向排列 选用时应根据具体情况确定 219 扩压器结构一般多级离心压缩机多选用无叶扩压器有的单级或个别多级离心压缩机选用有叶扩压器或叶片可调的有叶扩压器轴流离心混合型压缩机前面的各级采用轴流式叶轮 最后几级采用离心式叶轮 220 原动机选型选用高速 变速的工业汽轮机或燃气轮机选用交流电动机选用可变转速的电动机直流电动机变频交流电动机 221 选型方法可根据已知输送气体 流量 进 出口压力 温度等条件和要求直接查找生产厂家的产品目录来选型 222 根据已知条件和要求 进行初步的方案计算 以选择合适的机器 型式 结构和级数等 并与制造厂商商讨选型提出已知条件和要求 委托制造厂利用现成的软件进行产品优化选型与性能预测 使选型的机器效果最佳 223