轴流压缩机

1第一章概述第一节分类轴流压缩机是气体压缩机械的一种型式。气体压缩机械的类型很多，下面根据我国具体情况，简述一下常见的分类方法。一、气体压缩机械的分类二、透平式压缩机械的分类1．按气气流运动方向分类离心式——气体在压缩机内沿离心方向（或半径方向）流动，也称径流。轴流式——气体在压缩机内沿与转轴平行方向流动。混流式——气体在压缩机内的流动方向介于离心式和轴流式之间。图1—1列出了透平式压缩机械的三种通流形式。2．按压力分类透平式压缩机械按出口压力高低可分为通风机、鼓风机和压缩机。通风机：指大气压力为101.32KPa，温度为20℃，出气口全压值小于15KPa（表压）2的风机。鼓风机：指升压在15KPa～20OKPa（表压）之间或压比大于1．15小于3的风机。压缩机：指升压大于200KPa（表压）或压比大于3的风机。3．按用途分类根据风机用于某种装置的名称或者以通过风机的介质名称来命名分类。如高炉鼓风机、空气分离压缩机、锅炉引风机、烧结鼓风机、煤气鼓风机。天然气压缩机、氧气压缩机等。图1－2中表示了各类压缩机的使用范围表1－l中对透平式压缩机和容积式压缩机的特点进行了比较。三、透平机械透平是外来语Turbine的音译技术名称，可意译为涡轮机械，它泛指具有叶片或叶轮的动力机械，如汽轮机、燃气轮机和水轮机（有时也称为蒸汽透平、燃气透平和水力透平）和风能装置中的风力透平等。对于具有叶片或叶轮的压缩机械，原则称为透平式压缩机和透平式泵。透平机械中还包括液力透平传动装置，如液力偶合器等。轴流式压缩机属于透平机械类。有时也将汽轮机，燃气轮机和透平式压缩机统称热力透平机械。表1—1透平式压缩机和容积式压缩机的特点比较透平式压缩机容积式（以活塞式为例）压缩机（1）流量大。如果与活塞式的具有相同流量的压缩机相比较，透平式压缩机的尺寸要小得多。出口压力变化幅度小。（2）输气均匀，无脉动，气体无油污染。（1）排气压力可以在较大的范围内波动，高压力、小流量区域尤为合适。（2）输气脉动，进排气流速低、机组热效率高。3（3）结构简单，易损件少，连续运转周期长。因为运转时无不平衡力，基础较小，基建投资少。（4）可以用汽轮机、燃气轮机直接驱动，便于整个装置的热力平衡。运行转速对材料及零部件制造精度要求高。（3）外形尺寸大，结构复杂，运行不平衡。基础尺寸大，易损件多，运行周期短。（4）运行速度低，零部件多，有普通材料制成。第二节透平压缩机的主要参数和术语一、表征性能的主要参数1．流量容积流量：指单位时间内流经风机的气体容积，习惯上均指进气容积流量多，用Qj表示,其单位为m3/s,m3/min,m3/h在冶金、石油、化工及空气分离等流程中应用的压缩机，常以标准状态下的容积流量为指标，称作标准容积流量，用QN表示，其单位为Nm3/min,Nm3/h。质量流量：指单位时间内流经风机的气体质量，用G表示，其单位为Kg/s,Kg/min。2．压力气体在单位面积的容器壁上所作用的力叫气体压力，其单位有某mmH2O，mmHg，kgf/cm2，Pa，bar，MPa。1Mpa=10bar=106Pa压力单位换算详见表1－2。表1－2压力单位换算牛顿/米2（N/m2）（Pa）标准大气压（即物理大气压）（atm）毫米汞柱（mmHg）毫米水柱（mmH2O）工程大气压（kgf/cm2）（at）巴（bar）10.99×10-50.00750.1021.02×10-510-51013251760103321.0331.0133133.320.00132113.60.001360.0013329.8070.9678×10-40.073610.00010.9807×10-4980670.9678735.610410.98071050.9869750.1101971.021动压：单位体积气体流动时所具有的能量。用Pd表示。22cPd静压：单位体积气体所具有势能，垂直作用在壁面上。用表示。全压：单位体积气体所具有的总能量。全压等于动压和静压之和，用P表示，即PstPdP表压力：用压力表测量所指示的压力。用Pg表示。绝对压力：气体的真实压力，即表压力加上当地大气压。用Pa表示。进口压力：指压缩机进口法兰处的气体压力。用Pj表示。出口压力：指压缩机出口法兰处的气体压力。用Pc表示。压比：指压缩机进口压力和出口压力之比。用ε表示。4PjPc3．功率单位时间所作的功叫功率，常用单位是kW。有效功率：用来提高气体压力所消耗的功率。用N有表示。内功率：用于提高气体压力和克服内损失（流动和泄漏）所消耗的功率。Ni表示。轴功率：用于提高气体压力和克服内、外损失（机械损失）所消耗的功率，也就是驱动压缩机所需要的功率。用Ns表示。4．效率效率是评价透平压缩机质量的重要指标之一，用η表示。效率是相对值，为无因次量。对透平压缩机来说，它表示气体经过压缩后，气体所获得的有效功与实际耗功的比值，即实际耗功气体获得的有效功由于气体在压缩过程中要发生各种损失，所以效率总是小于1的。透平压缩机多变效率通常为0.70~0.90。多变效率：指多变压缩功hpol与实际总耗功htot之比。用ηpol表示。绝热功率：指绝热压缩功had与实际总耗功htot之比。用ηad表示。等温效率：指等温压缩功his与实际总耗功htot之比。用ηis表示。5．转速指压缩机转子在单位时问内的转动速度，用n表示，其单位为r/min（转／分）。6．温度一般用摄氏温度t℃表示，在工程上多采用绝对温度TK来表示，两者之间的换算关为TK＝t℃＋273每台压缩机必须标出其流量、压力、转速、功率等主要性能参数，并注明其进气条件（进气压力、温度、相对湿度）和气体介质。二、主要术语1．标准状态：指压力为760mmHg，温度为0℃的干空气。2．湿度：表示大气干湿程度的物理量。3．绝对湿度：指单位体积空气中所含的水蒸气质量。4．相对湿度：指单位体积空气中实际所含水蒸气密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比值。用φ表示。5．多变压缩过程：压缩过程与外界有（或无）热交换，过程方程指数为m的压缩过程。1＜m＜K。6．绝热压缩过程：压缩过程与外界没有热交换，过程方程指数为K的压缩过程。7．等温压缩过程：保持温度不变的压缩过程，过程方程指数为1。8．气体常数R：R＝μ（μ是分子量），对每一种气体它是一个常数，单一气体可以查表，混合气体可以计算。9．绝热指数K：气体的定压比热预定容比热之比。10．马赫数M：表征气体可压缩性的无因次数，等于气流速度与当地音速的比值。11．雷诺数Re：表征粘性流体流动状态的无因次数，等于惯性力与粘性力的比值。12．几何相似：两台风机流道的所有几何尺寸（包括流道表面粗糙度）对应值之比等常5数。13．运动相似：两台风机在几何相似的基础上，刘道中各对应点处的速度比值相等。各对应点的速度三角形相似。14．动力相似：在几何相似和运动相似的基础上，两台风及对应点上性质相同的力大小成比例相等，方向相同。第三节透乎压缩机的基本工作原理透平压缩机是利用高速回转的叶轮（叶片组）对气体作功，将机械能加给气体，使之压力升高，速度增大。在叶轮后部一般设置有面积逐渐扩大的扩压元件（扩压器），高速气体从叶轮流出后再流经扩压器，使气体的流速降低，将气体的速度能（动能）部分转变为压力能，压力继续提高。透平式压缩机气体的吸人、压缩和流出均是在连续流动的状况下进行的，这一点和活塞式压缩机间歇性的吸气和排气有着本质的区别。一、离心压缩机的基本工作原理图1—3为离心压缩机的单级示意图。在压缩机主轴上安装有离心式叶轮。当原动机回转时，叶轮的叶片对气体做功，并推动气体流动，然后气体经过扩压器和蜗壳流出。由理论分析可知，旋转叶片给气体以作用力，并使气体受离心力的作用由内向外甩出，得以升压和升速，从而获得压力能和速度能（即动能）。气体从叶轮流出后具有很高的速度，我们希望将气体速度降低以提高其压力，为此不仅叶轮的通道作成扩散型（由里向外面积逐渐扩大），而且扩压器的通道也是扩散型的，因而使高速气流逐渐减速，动能转化为压力能，使气体压力升高。通常一级离心叶轮的压比约为1．30～1．70，要获得较高的压力，可以在主轴上装设几级叶轮，并使流道串联起来，使气体经过逐级压缩，则成为图1－4所示的多级离心压缩机。二、轴流压缩机的基本工作原理图1－5为轴流压缩机的构造示意图。在压缩机主轴上安装有多级动叶片，整个通道由收敛器、进口导流叶片、各级工作叶片（动叶片）和导流叶片、扩压器等组成。气体由进口法兰流经收敛器10，使进人进日导流叶片1的气流均匀，并得到初步的加速。气流流经进口导叶叶片间的流道，使气流整理成轴向流动，并使气体压力有少许提高。转子8由原动机拖动作高速旋转，由工作叶片2将气流推动，使之大大加速，这是气体接受外界供给的机械能转变为气体动能的过程。高速气流流经导流叶片3构成的流道（相当于扩压管），在其中6降低流速而使气体压缩，这是靠减少气流动能来使气体压缩的升压过程。一列工作叶片（动叶）与一列导流叶片（静叶）构成一个工作级。气体连续流经压缩机的各级，逐级压缩升压。最后经整流装置4将气流整理成轴向，流经扩压器7，在扩压器中气流速度降低，压力升高，最后汇入蜗壳经出口法兰排出压缩机。轴流压缩机每级的增压比不大，约为1．15～1．25，若要获得较高压力，需要较多的级。例如压比为4的空气压缩机，一般需要十几级。第四节轴流压缩机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（Touraire）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，得出了第一台试验用轴流式压缩机，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60%。由于效率低，故轴流式压缩机未能成功推广应用。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，使轴流式压缩机的理论和设计方法不断完善，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86～91%,除航空发动机外，还广泛应用于发电燃气轮机装置，舰船燃气轮机装置和机车燃气轮机装置中。1932年苏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年苏尔寿公司制在了第一台轴流式高炉鼓风机，其流量为1200～1800m3/min，压力为78775～142179Pa，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效率较低。为了改善变工况时压缩机性能，瑞士BBC公司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，流量范围较宽而且变工况运行时效率降低不7多，因而在大型高炉鼓风机中得到广泛应用。目前国外1000m3以上高炉界采用轴流压缩机。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公司采用了特殊的石墨轴承，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10000Nm/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，功率为6300kW，压缩机为双缸，气缸间设中间冷却器。近