離心壓縮機工作原理及結(jié)構(gòu)

一、工作原理

汽輪機(或電動機)帶動壓縮機主軸葉輪轉(zhuǎn)動，在離心力作用下，氣體被甩到工作輪后面的擴壓器中去。而在工作輪中間形成稀薄地帶，前面的氣體從工作輪中間的進汽部份進入葉輪，由于工作輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體能連續(xù)不斷地被甩出去，從而保持了氣壓機中氣體的連續(xù)流動。氣體因離心作用增加了壓力，還可以很大的速度離開工作輪，氣體經(jīng)擴壓器逐漸降低了速度，動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，進一步增加了壓力。如果一個工作葉輪得到的壓力還不夠，可通過使多級葉輪串聯(lián)起來工作的辦法來達到對出口壓力的要求。級間的串聯(lián)通過彎通，回流器來實現(xiàn)。這就是離心式壓縮機的工作原理。

二、基本結(jié)構(gòu)

離心式壓縮機由轉(zhuǎn)子及定子兩大部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸，固定在軸上的葉輪、軸套、平衡盤、推力盤及聯(lián)軸節(jié)等零部件。定子則有氣缸，定位于缸體上的各種隔板以及軸承等零部件。在轉(zhuǎn)子與定子之間需要密封氣體之處還設(shè)有密封元件。各個部件的作用介紹如下。

 

1、葉輪

葉輪是離心式壓縮機中z*重要的一個部件，驅(qū)動機的機械功即通過此高速回轉(zhuǎn)的葉輪對氣體作功而使氣體獲得能量，它是壓縮機中w*的作功部件，亦稱工作輪。葉輪一般是由輪蓋、輪盤和葉片組成的閉式葉輪，也有沒有輪蓋的半開式葉輪。

2、主軸

主軸是起支持旋轉(zhuǎn)零件及傳遞扭矩作用的。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式。有階梯軸及光軸兩種，光軸有形狀簡單，加工方便的特點。

3、平衡盤

在多級離心式壓縮機中因每級葉輪兩側(cè)的氣體作用力大小不等，使轉(zhuǎn)子受到一個指向低壓端的合力，這個合力即稱為軸向力。軸向力對于壓縮機的正常運行是有害的，容易引起止推軸承損壞，使轉(zhuǎn)子向一端竄動，導(dǎo)致動件偏移與固定元件之間失去正確的相對位置，情況嚴(yán)重時，轉(zhuǎn)子可能與固定部件碰撞造成事故。平衡盤是利用它兩邊氣體壓力差來平衡軸向力的零件。它的一側(cè)壓力是末級葉輪盤側(cè)間隙中的壓力，另一側(cè)通向大氣或進氣管，通常平衡盤只平衡一部分軸向力，剩余軸向力由止推軸承承受，在平衡盤的外緣需安裝氣封，用來防止氣體漏出，保持兩側(cè)的差壓。軸向力的平衡也可以通過葉輪的兩面進氣和葉輪反向安裝來平衡。

4、推力盤

由于平衡盤只平衡部分軸向力，其余軸向力通過推力盤傳給止推軸承上的止推塊，構(gòu)成力的平衡，推力盤與推力塊的接觸表面，應(yīng)做得很光滑，在兩者的間隙內(nèi)要充滿合適的潤滑油，在正常操作下推力塊不致磨損，在離心壓縮機起動時，轉(zhuǎn)子會向另一端竄動，為保證轉(zhuǎn)子應(yīng)有的正常位置，轉(zhuǎn)子需要兩面止推定位，其原因是壓縮機起動時，各級的氣體還未建立，平衡盤二側(cè)的壓差還不存在，只要氣體流動，轉(zhuǎn)子便會沿著與正常軸向力相反的方向竄動，因此要求轉(zhuǎn)子雙面止推，以防止造成事故。

5、聯(lián)軸器

由于離心壓縮機具有高速回轉(zhuǎn)、大功率以及運轉(zhuǎn)時難免有一定振動的特點，所用的聯(lián)軸器既要能夠傳遞大扭矩，又要允許徑向及軸向有少許位移，聯(lián)軸器分齒型聯(lián)軸器和膜片聯(lián)軸器，目前常用的都是膜片式聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器不需要潤滑劑，制造容易。

6、機殼

機殼也稱氣缸，對中低壓離心式壓縮機，一般采用水平中分面機殼，利于裝配，上下機殼由定位銷定位，即用螺栓連接。對于高壓離心式壓縮機，則采用圓筒形鍛鋼機殼，以承受高壓。這種結(jié)構(gòu)的端蓋是用螺栓和筒型機殼連接的。

7、擴壓器

 

氣體從葉輪流出時，它仍具有較高的流動速度。為了充分利用這部分速度能，以提高氣體的壓力，在葉輪后面設(shè)置了流通面積逐漸擴大的擴壓器。擴壓器一般有無葉、葉片、直壁形擴壓器等多種形式。

8、彎道

在多級離心式壓縮機中級與級之間，氣體必須拐彎，就采用彎道，彎道是由機殼和隔板構(gòu)成的彎環(huán)形空間。

9、回流器

在彎道后面連接的通道就是回流器，回流器的作用是使氣流按所需的方向均勻地進入下一級，它由隔板和導(dǎo)流葉片組成。導(dǎo)流葉片通常是圓弧的，可以和氣缸鑄成一體也可以分開制造，然后用螺栓連接在一起。

10、蝸殼

蝸殼的主要目的，是把擴壓器后，或葉輪后流出的氣體匯集起來引出機器，蝸殼的截面形狀有圓形、犁形、梯形和矩形。

11、密封

為了減少通過轉(zhuǎn)子與固定元件間的間隙的漏氣量，常裝有密封。密封分內(nèi)密封，外密封兩種。內(nèi)密封的作用是防止氣體在級間倒流，如輪蓋處的輪蓋密封，隔板和轉(zhuǎn)子間的隔板密封。外密封是為了減少和杜絕機器內(nèi)部的氣體向外泄露，或外界空氣竄入機器內(nèi)部而設(shè)置的，如機器端的密封。

離心壓縮機中密封種類很多，常用的有以下幾種：

1)迷宮密封

迷宮密封目前是離心壓縮機用得較為普遍的密封裝置，用于壓縮機的外密封和內(nèi)密封。迷宮密封的氣體流動 e @7 G6 b$ J1 c; a

，當(dāng)氣體流過梳齒形迷宮密封片的間隙時，氣體經(jīng)歷了一個膨脹過程，壓力從P1降至右端的P2，這種膨脹過程是逐步完成的，當(dāng)氣體從密封片的間隙進入密封腔時，由于截面積的突然擴大，氣流形成很強的旋渦，使得速度幾乎完全消失，密封面兩側(cè)的氣體存在著壓差，密封腔內(nèi)的壓力和間隙處的壓力一樣，按照氣體膨脹的規(guī)律來看，隨著氣體壓力的下降，速度應(yīng)該增加，溫度應(yīng)該下降，但是由于氣體在狹小縫隙內(nèi)的流動是屬于節(jié)流性質(zhì)的，此時氣體由于壓降而獲得的動能在密封腔中完全損失掉，而轉(zhuǎn)化為無用的熱能，這部分熱能轉(zhuǎn)過來又加熱氣體，從而使得瞬間剛剛隨著壓力降落下去的溫度又上升起來，恢復(fù)到壓力沒有降低時的溫度，氣流經(jīng)過隨后的每一個密封片和空腔就重復(fù)一次上面的過程，一直到壓力P2為止。由此可見迷宮密封是利用節(jié)流原理，當(dāng)氣體每經(jīng)過一個齒片，壓力就有一次下降，經(jīng)過一定數(shù)量的齒片后就有較大的壓降，實質(zhì)上迷宮密封就是給氣體的流動以壓差阻力，從而減小氣體的通過量。

常用的迷宮密封用的較多的有以下幾種：平滑形.、曲折形、曲折形、迷宮密封、臺階形。

2)油膜密封，即浮環(huán)密封

浮環(huán)密封的原理是靠高壓密封在浮環(huán)與軸套間形成的膜，產(chǎn)生節(jié)流降壓，阻止高壓側(cè)氣體流向低壓側(cè)，浮環(huán)密封既能在環(huán)與軸的間隙中形成油膜，環(huán)本身又能自由徑向浮動。

靠高壓側(cè)的環(huán)叫高壓環(huán)，低壓側(cè)的環(huán)叫低壓環(huán)，這些環(huán)可以自由沿徑向浮動，但不能轉(zhuǎn)動，密封油壓力通常比工藝氣壓力高0.5Kg/cm2 左右進入密封室，一路經(jīng)高壓環(huán)和軸之間的間隙流向高壓側(cè)，在間隙中形成油膜，將高壓氣封住，另一路則由低壓環(huán)與軸之間的間隙流出，回到油箱，通常低壓環(huán)有好幾只，從而達到密封的目的。

浮環(huán)密封用鋼制成，端面鍍錫青銅，環(huán)的內(nèi)側(cè)澆有巴氏合金，以防軸與油環(huán)的短時間的接觸，巴氏合金作為耐磨材料。浮環(huán)密封可以做到完全不泄露，被廣泛地用作壓縮機的軸封裝置。

3)機械密封

機械密封裝置有時用于小型壓縮機軸封上，壓縮機用的機械密封與一般泵用的機械密封的不同點，主要是轉(zhuǎn)速高，線速度大，PV值高，摩擦熱大和動平衡要求高等。因此，在結(jié)構(gòu)上一般將彈簧及其加荷裝置設(shè)計成靜止式而且轉(zhuǎn)動零件的幾何形狀力求對稱，傳動方式不用銷子、鏈等，以減少不平衡質(zhì)量所引起的離心力的影響，同時從摩擦件和端面比壓來看，盡可能采取雙端面部分平衡型，其端面寬度要小，摩擦副材料的摩擦系數(shù)低，同時還應(yīng)加強冷卻和潤滑，以便迅速導(dǎo)出密封面的摩擦熱。

4)干氣密封

隨著流體動壓機械密封技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，其重要的一種密封型式螺旋槽面氣體動壓密封即干氣密封在石化行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。相對于封油浮環(huán)密封干氣密封具有較多的優(yōu)點：運行穩(wěn)定可靠易操作，輔助系統(tǒng)少，大大降低了操作人員維護的工作量，密封消耗的只是少量的氮氣，既節(jié)能又環(huán)保。

螺旋槽面干氣密封。它由動環(huán)1、靜環(huán)2、彈簧4、O形環(huán)3、5、8，組裝套7及軸6組成。圖6-7所示為動環(huán)表面精加工出螺紋槽而后研磨、拋光的密封面。一般來講螺旋槽深度約2.5~10μm，密封環(huán)表面平行度要求很高，需小于1μm，螺旋槽形狀近似對數(shù)螺旋線。

當(dāng)動環(huán)旋轉(zhuǎn)時將密封用的氮氣周向吸入螺旋槽內(nèi)，由外徑朝向中心，徑向方向朝著密封堰流動，而密封堰起著阻擋氣體流向中心的作用，于是氣體被壓縮引起壓力升高，此氣體膜層壓力企圖推開密封， 形成要求的氣膜。此平衡間隙或膜厚h典型值為3μm。這樣，被密封氣體壓力和彈簧力與氣體膜層壓力配合好，使氣膜具有良好的彈性既氣膜剛度高，形成穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)并防止密封面相互接觸，同時具有良好剛度的氮氣膜可有效的阻止被介質(zhì)的泄漏。

干氣密封作用力情況正常運轉(zhuǎn)條件下該密封的閉合力(彈簧和氣體作用力)等于開啟力(氣膜作用力)，當(dāng)受到外力干擾，間隙減小，則氣體剪切率增大，螺旋槽開啟間隙的效能增加，開啟力大于閉合力，恢復(fù)到原間隙，若受到外擾間隙增大，則間隙內(nèi)膜壓下降，開啟力小于閉合力，密封面合攏恢復(fù)到原間隙 。

12、軸承

離心式壓縮機有徑向軸承和推力軸承。徑向軸承為滑動軸承，它的作用是支持轉(zhuǎn)子使之高速運轉(zhuǎn)，止推軸承則承受轉(zhuǎn)子上剩余軸向力，限制轉(zhuǎn)子的軸向竄動，保持轉(zhuǎn)子在氣缸中的軸向位置。

(1)徑向軸承

徑向軸承主要有軸承座、軸承蓋、上下兩半軸瓦等組成。

軸承座：是用來放置軸瓦的，可以與氣缸鑄在一起，也可以單獨鑄成后支持在機座上，轉(zhuǎn)子加給軸承的作用力z*終都要通過它直接或間接地傳給機座和基礎(chǔ)。

軸承蓋：蓋在軸瓦上，并與軸瓦保持一定的緊力，以防止軸承跳動，軸承蓋用螺栓緊固在軸承座上。

軸瓦：用來直接支承軸頸，軸瓦圓表面澆巴氏合金，由于其減摩性好，塑性高，易于澆注和跑合，在離心壓縮機中廣泛采用。在實際中，為了裝卸方便，軸瓦通常是制成上下兩半，并用螺栓緊固，目前使用巴氏合金厚度通常在1~2mm。

軸瓦在軸承座中的放置有兩種：一種是軸瓦固定不動，另一種是活動的，即在軸瓦背面有一個球面，可以在運動中隨著主軸撓度的變化自動調(diào)節(jié)軸瓦的位置，使軸瓦沿整個長度方向受力均勻。

潤滑油從軸承側(cè)表面的油孔進入軸承，在進入軸承的油路上，安裝一個節(jié)流孔板，借助于節(jié)流孔板直徑的改變，就可以調(diào)節(jié)進入軸承油量的多少，在軸瓦的上半部內(nèi)有環(huán)狀油槽，這樣使得潤滑油能更好地循環(huán)，并對軸頸進行冷卻。

(2)推力軸承

推力軸承與徑向軸承一樣，也是分上下兩半，中分面有定位銷，并用螺栓連接，球面殼體與球面座間用定位套筒，防止相對轉(zhuǎn)動，由于是球面支承或可根據(jù)軸撓曲程度而自動調(diào)節(jié)，推力軸承與推力盤一起作用，安裝在軸上的推力盤隨著軸轉(zhuǎn)動，把軸傳來的推力壓在若干塊靜止的推力塊上，在推力塊工作面上也澆鑄一層巴氏合金，推力塊厚度誤差小于0.01~0.02mm。

離心壓縮機中廣泛采用米切爾式推力軸承和金斯泊雷式軸承

離心壓縮機在正常工作時，軸向力總是指向低壓端，承受這個軸向力的推力塊稱為主推力塊。在壓縮機起動時，由于氣流的沖力方向指向高壓端，這個力使軸向高壓端竄動，為了防止軸向高壓端竄動，設(shè)置了另外的推力塊，這種推力塊在主推力塊的對面，稱為副推力塊。

推力盤與推力塊之間留有一定的間隙，以利于油膜的形成，此間隙一般在0.25~0.35mm以內(nèi),z*主要的是間隙的z*大值應(yīng)當(dāng)小于固定元件與轉(zhuǎn)動元件之間的z*小軸向間隙,這樣才能避免動、靜件相碰。

潤滑油從球面下部進油口進入球面殼體，再分兩路，一路經(jīng)中分面進入徑向軸承，另一路經(jīng)兩組斜孔通向推力軸承，進推力軸承的油一部分進入主推力塊，另一部分進入副推力塊.