离心式压缩机的工作原理、分类、性能参数、结构等知识

本网编辑 2022-04-20

离心式压缩机是透平式压缩机的一种，具有处理气量大，体积小，结构简单，运转平稳，维修方便以及气体不受污染等特点。随着气体动力学研究的成就使离心压缩机的效率不断提高，又由于高压密封，小流量窄叶轮的加工，多油楔轴承等技术关键的研制成功，解决了离心压缩机向高压力，宽流量范围发展的一系列问题，使离心压缩机的应用范围大为扩展，以致在很多场合可取代往复活塞式压缩机。

离心式压缩机的发展概况

离心式压缩机的工作原理

离心压缩机是产生压力的机械，是透平（旋转的叶轮）压缩机的一种。离心压缩机气体的运动是沿垂直于压缩机轴的径向进行的。

为了达到缩短气体分子与分子之间的距离，提升气体压力的目标，采用气体动力学的方法，即利用机械的作功元件（高速回转的叶轮），对气体作功，使气体在离心式的作用下压力得到提高，同时动能也大为增加，随后在扩压流道内这部分动能又转变为静压能，而使气体压力进一步提高，这就是离心式压缩机的工作原理。

离心式压缩机的分类

1、压缩机的分类

2、离心式压缩机的分类

（1）按轴的型式分：

单轴多级式，一根轴上串联几个叶轮；双轴四级式，四个叶轮分别悬臂地装在两个小齿轮的两端，旋转靠电机通过大齿轮驱动小齿轮。

（2）按气缸的型式分：水平剖分式和垂直剖分式。

（3）按级间冷却形式分类：

级外冷却，每段压缩后气体输出机外进入冷却器；机内冷却，冷却器和机壳铸为一体。

（4）按压缩介质分类：

空气压缩机、氮气压缩机、氧气压缩机等。

离心式压缩机的特点

1、优点：

由于是连续旋转式机械，可以大大地提高进入其中的工质量，提高功率。所以，离心式压缩机的第一个特点是：功率大。
由于工质量可以提高，必然导致叶片转速的提高，所以第二个特点是高速性。
无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单；
易损部件少，故障少、工作可靠、寿命长；

2、缺点：

单机容量不能太小，否则会使气流流道太窄，影响流动效率；
因依靠速度能转化成压力能，速度又受到材料强度等因素的限制，故压缩机每级的压力比不大，在压力比较高时，需采用多级压缩；
特别情况下，机器会发生喘振而不能正常工作；

离心式压缩机的性能参数

1、常用性能参数名词解释：

级：每一级叶轮和与之相应配合的固定元件（如扩压器等）构成一个基本的单元，叫一个级。
段：以中间冷却器隔开级的单元，叫段。这样以冷却器的多少可以将压缩机分成很多段。一段可以包括很多级。也可仅有一个级。
标态：0℃，1标准大气压。
进气状态：一般指进口处气体当时的温度、压力。
重量流量：一秒时间内流过气体的重量。
容积流量：一秒时间内流过气体的体积。
表压（G）：以当地大气为基准所计量的压强。
绝压（A）：以完全真空为基准所计量的压强。
真空度：与当地大气负差值。
压比：出口压力与进口压力的比值。
比容：单位质量的物质所占有的容积，符号V表示，数值为密度的倒数。

2、离心式压缩机性能参数：

离心压缩机的主要性能参数是流量、排气压力、有效功率、效率、轴功率、转速、压缩比和温度。
流量：单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体量，通常以体积流量和质量流量两种方法来表示。
体积流量——是指单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体体积，其单位为m³/s。因气体的体积随温度和压力的变化而变化，当流量以体积流量表示时，须注明温度和压力。
质量流量——是指单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体质量，其单位为kg/s。
排气压力:即指压缩机出口压力。
有效功率：有效功率是指在气体的压缩过程中，叶轮对气体所作的功，绝大部分转变为气体的能量，另有一部分能量损失，该损失基本上包括流动损失、轮阻损失和漏气损失三部分，我们将被压缩气体的能量与叶轮对气体所作功的比值称为有效功率。
轴功率：离心式压缩机的转子在为气体升压提供有用功率，以及在气体升压过程中产生的流动损失功率、轮阻损失功率和漏气损失功率外，其本身也产生机械损失，即轴承的摩擦损失，这部分功率消耗约占总功率的2%~3%。
如果有齿轮传动，则传动功率消耗同样存在，约占总功率的2%~3%。以上六个方面的功率消耗，都是在转子对气体作功的过程中产生的，它们的总和即为离心式压缩机的轴功率。轴功率是选择驱动机功率的依据
效率：效率主要用来说明传递给气体的机械能的利用程度。由于气体的压缩有等温压缩、绝热压缩和多变压缩等三种过程，所以，压缩机的效率也有等温效率、绝热效率和多变效率之分。
转速：转速是指压缩机转子旋转的速度。其单位是r/min。
压缩比：出口压力与进口压力的比值。
温度：一般用t℃表示，工程上也用绝对温度TK来表示，两者换算关系为TK=t+273。

3、离心式压缩机级的性能曲线一般具有以下特点

（1）随着流量的减小，压缩机能提供的压力比将增大。在最小流量时，压力比达到最大。反过来说，如果压缩机的背压有所降低的话，其流量也将自动增加。离心压缩机流量和压力比的关系是一一对应的，流量与其它参数的关系也是对应的关系，表现在各条性能曲线上。

（2）离心式压缩机有最大流量和最小流量两个极限流量；当然，排出压力也有最大值和最小值。

（3）效率曲线有最高效率点，离开该点的工况效率下降较快；

（4）功率N与Ghrh大致成正比，所以功率曲线一般是随Qj增加而向上倾斜，但当ε—Qj曲线向下倾斜很快时，功率曲线也可能先向上倾斜而后逐渐向下倾斜。

离心式压缩机构造

1、吸入室

作用是将介质均匀地引导至叶轮的进口，以减少气流的扰动和分离损失。它的结构比较简单，有轴向进气和径向进气两种。径向进气结构多采用于多级双支承压缩机中。

2、离心压缩机基本结构

整套离心压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组成的一个系统。虽然由于输送的介质、压力和输气量的不同，而有许多种规格、型式和结构，但组成的基本元件大致是相同的，主要由转子、定子、辅助设备等部件组成。

3、离心压缩机的转子

转子是离心压缩机的关键部件，它高速旋转。转子是由叶轮、主轴、平衡盘、推力盘等部件组成。

4、叶轮

叶轮也叫工作轮，是离心式压缩机的一个重要部件，气体在工作轮中流动，其压力、流速都增加，同时气体的温度也升高。叶轮是离心式压缩机对气体作功的唯一元件。通过叶轮将能量传递给气体，使气体的速度及压力都得到提高。

在结构上叶轮有三种型式：

闭式叶轮：由轮盘、轮盖、叶片三部分组成。
半开式式叶轮：无轮盖、只有轮盘、叶片。
双面进气式叶轮：两套轮盖、两套叶片，共用一个轮盘。

影响叶轮性能的主要因素是叶片的弯曲形状。按叶片出口端弯曲方向的不同，可分为后弯、前弯及径向叶轮三种类型。由于后弯式叶片的级效率较高，因此被广泛采用。叶轮是高速旋转的部件，要求材料具有足够的强度。为了减少振动，叶轮和轴必须经过动平衡试验，以达到规定的动平衡要求。

5、主轴

主轴的作用就是支撑安装其上的旋转零部件（叶轮、平衡盘等）及传递扭矩。设计轴确定尺寸时，不仅考虑轴的强度问题，而且要仔细计算轴的临界转速。所谓临界转速就是轴的转速等于轴的固有频率时的转速。

6、平衡盘，推力盘

在多级离心压缩机中，由于每级叶轮两侧的气体作用力不一致，就会使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力，我们称为轴向力。轴向力对于压缩机的正常运转是不利的，它使转子向一端窜动，甚至使转子与机壳相碰，发生事故。

因此应设法平衡它，平衡盘就是利用它的两侧气体的压力差来平衡轴向力的零件。热套在主轴上，通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承来承受。

推力盘是固定在主轴上的止推轴承中的一部分，它的作用就是将转子剩余的轴向力通过油膜作用在止推轴承上，同时还确定了转子与固定元件的位置。

7、平衡盘

由于叶轮两侧的压力不相等，在转子上受到一个指向叶轮进口方向的轴向椎力。为了减少止推轴承的载荷，往往在末级之后设置一个平衡盘。因平衡盘左侧为高压，右侧与进气压力相通，因而形成一个相反的轴向推力，承担了大部分的轴向推力，减轻了止推轴承的负荷。

8、平衡鼓

大型离心式压缩机和离心泵的轴向力是相当大的，相应需要的平衡力也很大。在这种情况下，平衡盘自身的强度以及它跟轴的结合难以满足要求，因此在大型离心式压缩机和离心泵上通常使用有足够轴向厚度的平衡鼓结构。

平衡鼓和平衡盘平衡原理一致，结构相似，只是由于结构的原因，平衡鼓不能实现结构上自动调节。

在实际设计中也有采用“鼓+盘”的方式将两者的优势结合起来。

9、离心压缩机的定子

定子是压缩机的固定元件，由扩压器、弯道、回流器、蜗壳及机壳组成。

扩压器：扩压器的功能主要是使从叶轮出来的具有较大动能的气流减速，把气体动能有效地转化为压力能。扩压器一般分为：无叶扩压器、叶片扩压器、直壁式扩压器。
弯道：其作用使气流转弯进入回流器，气流在转弯时略有加速。
回流器：其作用使气流按所须方向均匀的进入下一级。
蜗壳：其主要作用是把扩压器后面或叶轮后面的气体汇集起来，并把他们引出压缩机，流向输送管道或气体冷却器，此外，在会聚气体过程中，大多数情况下，由于蜗壳外径逐渐增大和流通面积的逐渐增大，也起到了一定的降速扩压作用。

10、蜗壳

11、机壳

压缩机机壳是将介质与大气隔绝，使介质在其间完成能量转换的重要部件。它还具有支承其他静止部件，如隔板、密封等的功能。

机壳重量大，形状复杂，在其外部连接有进气、排气、润滑油、密封介质等管道，两侧的端盖上带有轴承箱和轴向密封室。对于高压压缩机，机壳一般采用筒型结构；低压压缩机则采取水平剖分结构，烯烃工厂的机组均采用水平剖分。

12、轴承

支撑轴承：用于支撑转子使其高速旋转。

止推轴承：作用是承受剩余的轴向力

13、支撑轴承（又称径向轴承）

径向轴承为多油楔、压力润滑的可倾瓦块式轴承。压力油径向进入，通过小孔润滑瓦块和支撑块，然后向侧向排出。轴承由等距离分布在轴径圆周上的几个瓦块组成。

瓦块是钢制的，内表面衬有巴氏合金，背面有凹进去的支撑座，相应地在瓦座上有支撑块。瓦面与轴径及瓦座均为同心圆，而瓦块支撑座的圆弧曲率大于瓦座支撑块的圆弧曲率这样瓦背与瓦座在轴向上为线接触，以利于瓦块摇摆灵活更好地与转轴间形成油楔，但瓦块在轴向上并不能摆动。

径向轴承有如下优点：

进一步改善轴瓦中流体的动力学性能。
轴径圆周上受力均匀，因而运转平稳，以最大限度的吸收转子的径向振动。
轴承抗油膜振荡性能好。

14、止推轴承

离心压缩机在正常工作时，由于出入口存在的压差形成一指向低压侧（入口侧）的轴向推力。压缩机的平衡装置能平衡大部分的轴向力，残余轴向力则由止推轴承承担，其止推块称为主止推块。

另外在启动时由于气流的冲击作用，往往产生一个反方向的轴向推力，使转子向高压侧窜动；为此在主推块的对面增设副止推块。这种型式的止推承称作双端面止推轴承。止推轴承一般安装压缩机吸入侧。

15、隔板与级间密封

隔板将压缩机的各级分隔开，并由相邻的面构成叶轮出口的扩压器、弯道和回流室。来自叶轮的气体在扩压器通道内将一部分动能转化为压力能并通过弯道和回流室到达下一级叶轮入口，气体在弯道和回流器的流动，可以认为压力和速度不变，仅改变气体的流动方向。

隔板分为上、下两半，沿水平中心面分开。在隔板外圆圆周方向装有齿形密封圈，与安装在叶轮轮颈上的耐磨环构成梳齿密封，从而防止气体在级间串通。

关于离心式压缩机喘振问题

1、什么是离心式压缩机的喘振？

离心式压缩机在生产运行过程中，有时会突然产生强烈的振动，气体介质的流量和压力也出现大幅度脉动，并伴有周期性沉闷的“呼叫”声，以及气流波动在管网中引起“呼哧”“呼哧”的强噪声，这种现象称为离心式压缩机的喘振工况。

压缩机不能在喘振工况下长时间运行，一旦压缩机进入喘振工况，操作人员应立即采取调节措施，降低出口压力，或增加进口，或出口流量，使压缩机快速脱离喘振区，实现压缩机的稳定运行。

2、喘振现象的特征是什么？

离心式压缩机运行一旦出现喘振现象，则机组和管网的运行具有以下特征：

1）气体介质的出口压力和入口流量大幅度变化，有时还可能产生气体倒流现象。气体介质由压缩机排出转为流向入口，这是危险的工况。

2）管网有周期性振动，振幅大，频率低，并伴有周期性的“吼叫”声。

3）压缩机机体振动强烈，机壳，轴承均有强烈的振动，并发出强烈的周期性的气流声，由于振动强烈，轴承润滑条件会遭到破坏，轴瓦会烧坏，甚至轴被扭断，转子与定子会产生摩擦，碰撞，密封元件将遭到严重破坏。

3、如何进行防喘振调节？

喘振的危害极大，但至今无法从设计上予以消除，只能在运转中设法避免机组运行进入喘振工况，防喘振的原理就是针对引起喘振的原因，在喘振将要发生时，立即设法把压缩机的流量增大，使机组运行脱离喘振区。防喘振的方法具体有三种：

1）部分气体防空法。

2）部分气体回流法。

3）改变压缩机运行转速法。

4、压缩机运行低于喘振极限的原因？

1）出口背压太高。

2）进口管线阀门被节流。

3）出口管线阀门被节流。

4）防喘振阀门有缺陷或者调节不正确。

离心式压缩机流量工况及调节方法

1、离心式压缩机的最大流量工况？

当流量达到最大时的工况即为最大流量工况，造成这种工况有两种可能：

一是级中某流道喉部处的气流达到临界状态，这时气体的容积流量已是最大值，任凭压缩机的背压再降低，流量也不可能增加，这种工况也成为“阻塞”工况。

二是流道内并没有达到临界状态，即未出现“阻塞”工况，但压缩机在较大的流量下，机内流动损失很大，所能提供的排气压力已很小，几乎接近零能量，仅能够用来克服排气管道中的阻力以维持这样大的流量，这就是离心式压缩机的最大流量工况。

与最大流量工况对应的就是最小流量工况，就是我们上面提到的“喘振工况”。这里不再做介绍。

2、离心式压缩机的工况调节方法有哪些？

由于生产上工艺参数不可避免地会有变化，所以经常需要对压缩机进行手动或自动调节，使压缩机能适应生产要求在变工况下操作，以保持生产系统的稳定。

压缩机的转速具有改变压缩机性能曲线的功能，但效率是不变的，因此，它是压缩机调节方法的最好形式。

离心式压缩机的调节一般有两种：

一是等压调节，即在背压不变的前提下调节流量；

一种是等流量调节，即在保证流量不变的情况下调节压缩机的排气压力。

具体说有以下五种调节方式：

1）出口流量调节。

2）进口流量调节。

3）改变转速调节。

4）转动进口导叶调节。

5）部分放空或回流调节。

另外，我们再了解下等压力调节、等流量调节和比例调节的含义是什么？

1）等压力调节是指保持压缩机的排气压力不变，只改变气体流量的调节。

2）等流量调节是指保持压缩机输送气体介质的流量不变，只是改变排出压力的调节。

3）比例调节是指保持压力比不变（如防喘振调节），或保持两种气体介质的容积流量百分比不变的调节。

离心式压缩机高速转子的振动及隔振

离心机属于高速回转机械，工作时也难免出现振动，而且有时会产生剧烈的振动，所以振动也是离心机的重要问题之一。研究离心机的振动特性，目的就是减小离心机在运转中产生的振动，以保证其正常运转。

离心机振动的原因，主要来自回转部分的不平衡，不平衡质量大，振动就严重，反之振动量就小。为了避免和减小振动，设计时应使离心机的工作转速（即不平衡力和力矩的频率）远离其系统的临界转速；这是一方面的措施，另一方面是保证制造和装配质量。如果制造和装配达不到规定的技术条件，例如转子的平衡、加工精度、配合的要求及材料质量的均匀性等，也会引起和加剧离心机的振动。此外，在使用和操作上也应注意保证机器的平衡问题，如果布料不均、局部漏料、塌料、混入大块异物以及连接件构动等，也都会引起振动。

因此，对一台离心机的振动问题，要按具体情况具体分析。例如原来运转振动很小的离心机，在检修拆装其回转部分以后振动加剧，就应考虑是否是由于转子的平衡受到影响所致，必要时就需要重新进行一次转子的平衡试验，空转时振动不大而加料后振动变大。很多情况往往是新的机器使用时良好，而使用相当一段时间后振动愈来愈大，这就需要从转动部分的磨损和腐蚀、物料情况以及各连接零件（包括地脚螺栓）是否松动等方面的原因去加以分析和研究。

对于定型产品的离心机等，在没有经过仔细核算之前，不得随意改变其转速；更不许在高速回转的转子上任意补焊、拆除或添加零件和质量。

从制造和装配方面来说，避免振动的关键问题，仍是力求回转部分的平衡，以尽量减小引起振动的不平衡力和力矩。

离心机转子（包括转鼓和轴等），在零件加工组装完成后，必须进行平衡试验和校正，平衡试验包括静平衡和动平衡。

离心式压缩机静平衡和动平衡

1、静平衡

静平衡装置有导轨式、天平式、滚柱式等，一般常用导轨式。导轨的截面有圆形、矩形、菱形和梯形。其中以圆形截面精度最高。但一般只用于平衡轻型零件。

检查转子静平的方法是：将转子整体置于水平的两根硬钢轨上，观察其是否能达到“随遇平衡”，即在任意位置时都能平衡。当质心偏移时，转子只能停留在当其质心处于最下边位置时，此时可以在质心对面，转子的上方，选择某一半径处加一质量，以达到“随遇平衡”，或在质心方向上减一质量的方法加以平衡。

一个零件是仅需作静平衡，还是需作动平衡，主要与其工作转速n及长径比L/D有关。一般可根据图10-1选取。图中a线下方为静平衡区，b线上方为动平衡区，两线之间的区域主要用于比较重要的零件，但对振动要求不大严格的场合。在实际生产时零件的静平衡，一般作到“随遇平衡”就可以了。

2、动平衡

对于轴向尺寸较长的样子，常常不仅存在离心惯性力G，而且还产生了离心惯性力矩，作静平衡时离心惯性力可以平衡，但旋转时会产生离心惯性力偶，M=ce，这种转子的不平衡情况称为动不平衡。

经过平衡后的转子，就在连接转鼓和轴的对应部位打上记号，一般不许随意拆开。如果必须拆开时，应按原记号装上，以免影响平衡。

常用机械密封材料