离心式压缩机及汽轮机的基本原理和结构

离心式压缩机及汽轮机的基本原理和结构一、离心式压缩机工作原理及基本结构1、结构从外观上首先看到的是机壳，它又称气缸，通常用铸铁或铸钢浇铸而成。一台压缩机常常有两个或两个以上的气缸，按压力高低称低压缸、中压缸、高压缸。压缩机本体结构可分两大部分：(1) 转动部分，它由主轴、叶轮、平衡盘、推力盘及联轴用的半联轴节等零部件组成，又称为转子。(2) 定子部分，是由气缸、隔板、径向轴承、推力轴承、轴端密封等零部件组成，常称为定子。(3) 在压缩机理论中常常顺着气体流动线路，将压缩机分成若干个级，所谓级就是由一个叶轮和与之相配合的固定元件结构的基本单元。如图一所示，在压缩机中间的级，它包括叶轮、扩压器、弯道和回流器几个元件。2、压缩机的级和段压缩机每段进口处的级称为首级，它除了上述的元件外还应包括进气室；在压缩机的排气口的级称为末级，它没有弯道和回流器，而代之以排气室。有的压缩机甚至连扩压器也没有，气体从叶轮出来直接进入排气室。在离心式压缩机中，气体流过一级之后，压力的提高是有限的，要想压缩到较高压力时，就需要通过若干个级来完成，几个级可以装在一个缸内。一个缸最多能装10级左右，更多的级需要采用多缸。气体经压缩后温度就要升高，当要求压力比较高时，常将气体压缩到一定压力时就从缸内引出，在冷却器内降温，然后再进入下级继续压缩。根据冷却次数的多少，可将压缩机分为几个段。一个段可以是一个级也可以是几个级。一缸可分为一个段或多段。    3、轴向推力及其平衡在多级离心压缩机中，由于每级叶轮两侧气体作用在其上的力大小不同，因此，使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力称为轴向力。平衡盘是用自身两侧的压力差来平衡轴向力的零件。它位于压缩机的高压侧，用来平衡大部分轴向力的，剩下的轴向力作用于止推轴承上。有的压缩机叶轮采用背靠背的方法排列来平衡轴向力。联轴节又叫靠背轮，它是汽轮机（或驱动电机）和压缩机以及压缩机高低压缸间的连接件，现在通常采用挠性联轴节。它允许较大的平行不对中、角度不对中和综合不对中。4、定子包括机壳和壳内的固定元件，机壳有水平分和垂直剖分两种型式。水平剖分便于拆装机制造，但密封面大，且强度差；对于压力较高的情况，采用垂直剖分形式，壳体实际上是两缸，内缸仍是水平剖分，转子及固定元件都装在内缸中，然后再装入外缸，外缸为整个圆筒，在一端或两端有端盖，打开后即可把内缸拉出。机壳内有各种隔板，在机壳和隔板之间，隔板与隔板子之间构成了吸气室、扩压器、弯道和回流器等固定元件。
5、通流部分各主要部件的作用气体在压缩机中流经的主要通道部件是进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗壳。这些部件我们称之为通流部件。下面分述这些部件的作用。(1) 进气室：这是将进气室或中间冷却器的气体均匀地吸入叶轮去进行增压的通道,因此在压缩机中每一段进口都设置进气室。(2) 叶轮：叶轮也称为工作轮，它是压缩机的心脏部件，气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，气体由于受到旋转离心力的作用以及在叶轮里的扩压流动，使气体压力得到提高，速度也得到提高。所以叶轮是气体提高能量的关键部件。    (3) 扩压器：气体被从叶轮甩出后，就有较高的流动速度，在叶轮出口后设置流道截面逐渐扩大的部件称为扩压器。其目的是进一步将气体的流动速度转化为压力。(4) 弯道：为了把扩压器后的气体引入到下一级叶轮的进口，就必须改变气体流动的方向，使其由离心方向的流动改为向心方向的流动，所以在扩压器的后面设置了弯道与其相连接。(5) 回流器：其作用是将弯道来的气体均匀的分布到下一级叶轮的进口。(6) 蜗壳：蜗壳的主要目的是把扩压器或叶轮后面的气体汇集起来，引到压缩机外面去，流向气体送管道或气体冷却器，此外在汇集气体的过程中，一般由于蜗壳外径的逐渐增大通流截面也渐渐扩大，因此也起到一定的降速增压作用。6、工作原理离心式压缩机的工作原理与输送液体的离心泵相似。当驱动机（如汽轮机、电动机等）带动压缩机转子旋转时，叶轮流道中的气体受叶轮作用随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，气体被甩到叶轮外的扩压器中去。因而在叶轮中形成了稀薄地带，入口气体从而进入叶轮填补这一地带。由于叶轮不断旋转，气体就被不断地甩出，入口气体就不断地进入叶轮，沿径向流动离开叶轮的气体不但压力有所增加，还提高了速度，这部分速度就在后接元件扩压器中转变为压力，然后通过弯道导入下级。导流器再把从弯道来的气体按一定方向均匀的导入下级叶轮继续压缩。7、离心式压缩机的功耗及效率(1) 概述：压缩机气体需要消耗的能，大型离心压缩机由原动机（如汽轮机.燃动机等）驱动，原动机轴端所传递的功率包括压缩机轴承、齿轮箱及联轴节等传动部分的机械损失以及压缩机内功率。内功率指的是压缩机转子对气体所消耗的功率。    压缩机转子是通过叶轮向气体传递能量的。叶轮除对气体作功外，叶轮的轮盘、轮盖的外侧面及轮缘与周围气体的摩擦所产生的轮阻损失、叶轮出口高压气体漏回到叶轮低压端的漏气损失也都要消耗功。对整个压缩机来说，叶轮对气体作功转换成下列三个部分：a、提高气体的静压能（压缩功），使气体从进口压力提高到出口压力。b、提高气体的动能。在一般情况下，动能的提高不大，常常可以忽略不计。c、克服气流在级中的流动损失。这部分流动损失，是指气流在叶轮内和级的固定元件（如吸气室、扩压器、弯道、回流器、蜗壳等）内的流动损失。总之，压缩机级的中功耗有五部分组成，即静压能提高、动能的变化、流动的损失、轮阻损失和漏气损失组成的，只有静压能的提高对气体的升压是有用的。(2) 气体的压缩过程静压能的提高与气体的压缩过程有关。热力学把气体的压缩过程分为：等温压缩过程、绝热压缩过程、多变压缩过程。压缩机中气体的实际压缩过程是多变压缩程，但可忽略与外界的热交换。现分析各压缩过程中的静压能提高（压缩功）。设压缩机进出口参数分别为P1、V1、T1和P2、V2、T2，压缩气体的所需能量的单位Kg.m/Kg表示，它表示压缩1kg气体所需的能量。A、 等温压缩  T=Const （恒定） 等温压缩功为 His=RT1Ln(P2/P1)     (Kg.m/Kg)B、 绝热压缩气体在压缩过程中与外界无热交换且无气体流动失和摩擦损失。绝热压缩后气体温度    T2/T1=(P2/P1)(k-1)/k绝热压缩功为：Had=K/(K-1)RT1((P2/P1)(k-1)/k-1)     (Kg.m/Kg)C、 多变压缩过程：过程存在流动损失和磨擦损失，外界可以有热交换或者无热交换。多边变过程气体温度计算式为：T2/T1=(P2/P1)(M-1)/M多变压缩功为：M/(M-1)RT1((T2/T1)-1)   (Kg.m/Kg)以上式中R为气体常数，被压缩气体组份越轻则R越大。多变过程和理论绝热过程的公式具有同样形式，只是绝热指数K代以多变指数m。多变指数和绝热指数不同，它不仅和气体的种类而变化，而且与设备结构有关系。对于离心式压缩机来说，多变指数m大于绝热指数K。机器设计和控制的愈合理，则m愈接近K值。(3) 压缩机过程分析讨论A、 三种典型压缩过程，如气体温度和压比相同，则等温压缩过程需要的压缩功最小，排气温度最低,等于进气温度。这是一种理想情况，实际上只能接近而不能达到。多变压缩过程需要的能量头最大，所以多级压缩机常做成多段，增加段间冷却器从而使压缩过程向等温压缩过程靠近，对于具有中间冷却器的压缩机常用等温效率来衡量机器的完善程度。B、 同质量流量的同种气体来说，如初温度相同，当压缩比相同，其功耗也相同。例如把气体从10个大气压压缩到100个大气压，与从1个大气压压缩到10个大气压所需要的功耗相同。C、 气体所需的压缩功与气体的性质有关，对轻气体，因为气体R大，所以在相同压力下需要的压缩功就比压缩重气体大（从压缩表达式可以看出），但由于同一压缩机及压缩同一体积流量的不同气体，所提供的叶片功是相同的，也即H叶片与气体性质无关，所以在同一压力比要求下，压缩轻气体需要的级数比重气体多。    D、 多变过程是具有损失的过程，多变指数m反映多变压缩过程所需功的大小。损失使气体得到附加热量，采用中间冷却器，目的是为了向等温压缩过程靠近。各个不同压缩过程在P-V图和T-S图上的表示如下图2—图3所示。各个过程的压缩功就是各压缩过程线纵坐标及P=P1、 P=P2两条等压线所包括的面积。
(4) 压缩机的效率压缩机或级的效率主要是用来说明传给气体的机械能的利用程度。由于有三种压缩过程，则相应的把压缩机效率分为多变效率ηpol、绝热效率ηad和等温效率ηis。多变效率指由压力P1增加到P2所需要的多变压缩功与实际消耗的功之比。目前离心式压缩机的多变效率为0.7～0.84左右。绝热效率指由压力P1增加到P2时绝热压缩功与实际所需消耗的功之比。等温效率指由压力P1增加到P2时等温压缩功与实际所需消耗的功之比。实际的压缩机不可能实现没有损失的绝热压缩过程，但它可以作为比较标准。由于多变压缩功>绝热压缩功>等温压缩功，故有ηpol＜ηad＜ηis，故要注意机器效率使用哪一种表示方法。二、汽轮机基本原理、结构汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式原动机。来自锅炉或热网的蒸汽，经脱扣节流阀或事故切断阀、调速阀进入汽轮机，依次高速流经一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而膨胀作功推动汽轮机转子旋转，将蒸汽的动能转换成机械功。这便是汽轮机简单的工作原理。汽轮机可按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动式与反动式的组合式汽轮机。    首先，我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍。1.汽轮机的工作原理(1) 冲动式汽轮机冲动式汽轮机的最简单的结构如图4所示。叶轮上装配一圈动叶片与喷嘴配合在一起，构成一个做功的简单机械。我们把由喷嘴和与其配合的动叶片构成的汽轮机作功的单元称级。