压缩机结构原理剖析

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1、,第一章：概述,什么是压缩机？ 用来压缩气体借以提高气体压力的机械称为压缩机。提升的压力小于0.2MPa时，称为鼓风机。提升压力小于0.02MPa时称为通风机。,压缩机的分类,按工作原理分类 1容积式压缩机 直接对一可变容积中的气体进行压缩，使该部分气体容积缩小、压力提高。其特点是压缩机具有容积可周期变化的工作腔。 2离心式压缩机 它首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动能；然后使气流速度有序降低，使动能转化为压力能，与此同时气体容积也相应减小。其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。,按排气压力分类,按压缩级数分类 单级压缩机 气体仅通过一次工作腔 或叶轮压缩 两级压缩机 气体顺次

2、通过两次工作 腔或叶轮压缩 多级压缩机 气体顺次通过多次工作 腔或叶轮压缩，相应通 过几次便是几 级压缩机,容积流量分类 名 称 容积流量(m3min) 微型压缩机 1 小型压缩机 110 中型压缩机 10100 大型压缩机 100,压缩机按结构或工作特征的分类,活塞式,转子式,滑片式,单螺杆,几种特殊的压缩机,第二章 离心压缩机的工作原理及结构,气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体做功，使气体压力、速度、温度提高。然后流入扩压器，使速度降低，压力提高。弯道和回流器主要起导向作用，使气体流入下一级继续压缩。最后，由末级出来的高压气体经涡室和出气管输出。 由于气体在压缩过程中温度升高，而气体在高温下

3、压缩，消耗功将会增大，为了减少压缩耗功，故对压力较高的离心式压缩机在压缩过程中采用中间冷却器，即由某中间级出口的气体，不直接进入下一级，而是通过蜗室和出气管，引到外面的中间冷却器进行冷却，冷却后的低温气体，再经吸气室进入下级压缩。 离心式压缩机零件很多，这些零件又根据它们的作用组成各种部件。我们把离心式压缩机中可以转动的零部件统称为转子，不能转动的零、部件称为静子。,转子,转子是离心压缩机的主要部件，它是由主轴、叶轮、平衡盘等组成的。 一、 叶轮 叶轮也称为工作轮，它是压缩机中最重要的一个部件。气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮做高速的旋转。而气体由于受旋转离心力的作用以及在叶轮里的扩压流动，使

4、气体通过叶轮后的压力得到了提高。此外，气体的速度能也同样在叶轮里得到了提高。因此可以认为叶轮是使气体提高能量的唯一途径。 叶轮是由轮盘、轮盖和叶片组成，这种叶轮称为闭式叶轮。 按照工艺方法的不同，叶轮又可以分为铆接叶轮，焊接叶轮，铣制焊接叶轮和整体铸造叶轮。,二、主轴 主轴上安装所有的旋转零件，它的作用就是支持旋转零件及传递转矩。主轴的轴线也就确定了各旋转零件的几何轴线。 主轴通常为阶梯轴，以便于零件的安装。各阶梯的突肩起轴向定位作用。也可采用光轴，因为它具有形状简单，加工方便的特点。,三、 平衡鼓 在多级离心压缩机中,由于每级叶轮吸入口两侧的气体作用力的大小不等,使转子受到一个指向低压端的合

5、力，这个合力称为轴向力。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，造成事故。因此要设法平衡（消除）它。 平衡鼓就是利用它的两边气体压力差来平衡轴向力的零件。它位于高压端，它的一侧压力可以认为是末级叶轮轮盘侧 的间隙中的气体压力(高压)。另一侧通向大气或进气管，它的压力是大气压或进气压力（低压）。 由于平衡盘也是用热套法套在主轴上。上述两侧压力差就使转子受到一个与轴向力反向的力。其大小决定于平衡盘的受力面积。通常，平衡鼓只平衡一部分轴向力。剩余的轴向力由止推盘（止推轴承）承受。 平衡鼓的外缘安装气封，可以减少气体泄漏。,第2节 静子 静子中所有零件均不能转动，

6、它是由机壳、扩压器、弯道、回流器、蜗室和密封等组成。 一、 机壳 机壳也称为气缸、机壳是静子中最大的零件。它通常是用铸铁或铸钢浇铸出来的。对于高压离心压缩机，采用圆桶形锻钢机壳，以承受高压。 吸气室、蜗壳也是机壳的一部分，它的作用是把气体均匀地引入叶轮，然后顺畅地导出机壳。吸气室内通常浇铸有分流肋，使气流更加均匀，也起到增加机壳刚性的作用。,二、 扩压器 气体从叶轮流出时，它具有较高的流动速度，为了充分利用这部分速度能，常常在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器，用以把速度能转化为压力能，以提高气体的压力。 扩压器一般有无叶型、叶片型、直壁型扩压器等多种形式。 三、 弯道 在多级离心式压缩机

7、中，气体欲进入下一级就必须拐弯，为此要采用弯道。弯道是由机壳和隔板构成的弯环形通道空间。,四、 回流器 回流器的作用是使气流按所需要的方向均匀地进入下一级。它由隔板和导流叶片组成。通常，隔板和导流叶片整体铸造在一起。隔板借销钉或外缘凸肩与机壳定位。 五、 蜗室 蜗室的主要目的是把扩压器后面或叶轮后面的气体汇集起来，把气体引导到压缩机外面去，使它流到气体输送管线或流到冷却器去进行冷却。此外，在汇集气体的过程中，在大多数情况下，由于蜗室外径的逐渐增大和通流截面的渐渐扩大，也对气流起到一定的降速扩压作用。,六、密封 密封有隔板密封、轮盖密封和轴端密封。密封的作用是防止气体在级间倒流及向外泄漏。为了防

8、止通流部分中的气体在级向倒流，在轮盖处设有轮盖密封。在隔板和转子之间设有隔板密封。这两种密封统称为内密封。 为了减少和杜绝机器内部的气体向外泄漏，或外界空气向机器内部窜入，在机器端安置端密封。这种密封称为外密封。 最常用的是迷宫密封，密封片为软金属制成，将它嵌入密封体内。由于密封片较软，当转子发生振动与密封片相碰时，密封片易磨损，而不致使转子损坏。 密封的作用原理，是利用气流经过密封时的阻力来减少泄漏量。,第三节 段和级 正如前述，为了节省压缩机的耗功，压缩机常常有中间冷却器，中间冷却器把全部级分隔成几个段。在每段里，有一个或几个级，每个级是由一个叶轮及与其相配合的固定零件所构成。 对于离心式

9、压缩机级来说，从其基本结构上来看，它可以分为中间级和末级两种。 一、中间级 中间级由叶轮、扩压器、弯道和回流器等组成。气体经过中间级后将直接流到下一级去继续进行增压。 在离心压缩机的每一段里，除了段中的最后一级外，都属于这种中间级。,二、末级 末级由叶轮、扩压器、蜗室等组成。 气体经过这一级增压后将排出机外。流到冷却器进行冷却，或送往排气管道输出。 对于这两种级的结构型式来说，叶轮是这两种级所共同具有的，只是在固定元件上有所不同。 对于末级来说，它是以蜗室取代中间级的弯道和回流器，有时还取代了级中的扩压器。,压缩机轴向力的形成的原因,转子在运行过程中，叶轮两侧具有一定压力的气体介质，如图所示。

10、从图中可以看出，Ds到D2面积上，轮盖与轮盘承受的压力大小相等，方向相反，但di到Ds的环形面积上，轮盘后压力P2 P0，这样就形成了一个由轮盘向轮盖的力，这就是压缩机的轴向力。对于多级压缩机，转子总的轴向力为各叶轮轴向力的总和。,轴向力的平衡方法和原理,单级叶轮产生的轴向力由高压侧指向低压侧，若多级叶轮按顺序派了，如图2-13，显然这种排列方式转子的轴向力很大，如果采用2-14方式排列，则入口相反的叶轮产生一个相反的轴向力，可以互相平衡,叶轮对置排列,设置平衡盘,平衡盘一般多装在高压侧，外缘与缸体间设有迷宫密封，从而使高压侧的压力P2大于压缩机入口连接的低压侧的压力P1，该压差产生的轴向力，

11、其方向与叶轮产生的轴向力相反，根据计算可最终确定平衡盘的尺寸。,轴向力的平衡主要是减少轴向推力，减轻止推轴承的负荷。一般情况下，轴向力的70应通过平衡措施平衡消除，剩余30由止推轴承承担，生产实践表明，保留一定的轴向力，是提高转子平稳运行的有效措施，因此在设计时，应充分考虑这一点,压缩机的轴端密封,压缩机轴端密封通常采用浮环密封、机械密封、干气密封等,浮环油膜密封,如图所示，浮环在注入压力油后，向高压环里侧和低压环外侧泄露，由于转子处于高速旋转之中，流入浮环间隙内的封油在旋转轴的作用下，形成了具有一定承载能力的油膜，该油膜一方面将浮环抬起，使浮环和轴间实现了液体润滑，从而减轻摩擦，降低磨损，另

12、一方面，由于油膜充满整个浮环，所以可以阻止气体介质的外漏，起到密封的作用。,浮环密封因无固体摩擦，适用于高速场合，使用可靠，寿命长，但泄露量较大，此外需配置复杂的液封控制系统和油站，要求主机制造精度高,浮环密封系统,干气密封：干气密封是二十世纪六十年代末期从体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行。由于密封非接触运行，因此密封摩擦副材料适合作为高速、高压设备的轴封，在压缩机应用领域，干气密封正逐渐替代浮环密封、迷宫密封和油润滑机械密封 。,干气密封具有如下优点： 1）密封无磨损，使用寿命长、运行稳定可靠；

13、2）密封功率消耗小，仅为接触式机械密封的5%左右； 3）与其他非接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小，是一种环保型密封； 4）密封辅助系统简单、可靠，不需要密封油系统 ，因此消除工艺流程中的气体被油污染，使用中也不需要维护。,干气密封的缺点： 密封自身结构复杂，零部件多，对加工工艺、产品设计和装配能力要求较高。 适应工况变化的能力不强。 工艺介质必须允许与密封干气相混。 需要一定压力的气源，气源压力至少高于介质压力0.2MPa。 有微量气体进入工艺流程。,密封用干气以稍高于介质压力注入一级密封室，与工艺介质混合进入一级密封的动静环，由于动环上动压槽增压作用将动静环推开一稳定的间隙，同时在密封室

14、形成一稳定的、随动的、略高于介质压力的密封压力。从一级密封泄漏出的气体一部分经一级放空排放出去，另一部分经级间密封进入第二级密封。这样，经过两级密封后，泄漏出来的气体量已非常少，压力也很低，这部分气体被隔离气阻止向外扩散，而是与隔离气一道从二级放空安全地排放出去。,干气密封工作原理,右图所示为干气密封的动环，在动环端面开有螺旋槽，在动环内侧，有密封坝，在停车时，防止气体泄漏。,工艺介质,图示为11-C-3501的串联干气密封。 11-静环 12-动环 19-衬套 25-梳齿密封 A-密封干气 B-一级排放口 C-试验口 D-二级排放口 E-外侧隔离气,级间密封,第三章 压缩机级内的各种能量损失

15、,级中能量损失包括三种：流动损失、漏气损失、轮阻损失,级内的流动损失,（1）摩阻损失,产生原因：流体的粘性是根本原因。从叶轮进口到出口有流体与壁面接触，就有边界层存在，就将产生摩阻损失。,（2）分离损失,产生原因：通道截面突然变化，速度降低，近壁边界层增厚，引起分离损失。 大小：大于沿程摩阻损失。,（3）冲击损失,产生原因：流量偏离设计工况点，使得叶轮和叶片扩压器的进气冲角i0，在叶片进口附近产生较大的扩张角，导致气流对叶片的冲击，造成分离损失。,减少措施：控制在设计工况点附近运行；在叶轮前安装可转动导向叶片。,（4）二次流损失,产生原因：叶道同一截面上气流速度与压力分布不均匀，存在压差，产生

16、流动，干扰主气流的流动，产生能量损失 。 在叶轮和弯道处急剧转弯部位出现。,减少措施：增加叶片数，避免急剧转弯。,（5）尾迹损失,产生原因：叶片尾部有一定厚度，气体从叶道中流出时，通流面积突然扩大，气流速度下降，边界层发生突然分离，在叶片尾部外缘形成气流旋涡区，尾迹区。尾迹区气流速度与主气流速度、压力相差较大，相互混合，产生的能量损失。,减少措施：采用翼型叶片代替等厚叶片；将等厚叶片出口非工作面削薄。,漏气损失,（1）产生漏气损失的原因,存在间隙；存在压力差。 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、轴端的间隙，产生漏气，存在能量损失。,密封型式：机械密封，干气密封，浮环油膜密封，梳齿密封,（2）密封件的结构形式,结构形式：在固定部件与轮盖、隔板与轴套、轴的端部设置密封件，采用梳齿式（迷宫式）密封。,工作原理：利用节流原理。减