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第二节 透平式压缩机结构组成与工作原理

一、离心式压缩机

从外观上看一台压缩机,首先看到的是机壳,它又称气缸(图0-1中的件2),通常是用铸铁或铸钢浇铸而成。一台高压离心式压缩机通常有两个或两个以上气缸,按其气体压力高低分别称为低压缸、中压缸和高压缸。

图0-1 离心式压缩机

1—主轴;2—气缸;3—隔板;4—叶轮;5—定距套;6—平衡盘;7—支撑轴承;8—轴端密封;9—推力轴承;10—推力盘

压缩机本体结构可以分为两大部分:转动部分,由主轴1、叶轮4(本压缩机共有7个叶轮)、平衡盘6、叶轮间的定距套5、推力盘10以及联轴用的半联轴器等零部件组成,称为转子;固定部分,由气缸2、隔板3(每个叶轮前后都配有隔板)、支撑轴承7、推力轴承9、轴端密封8等零部件组成,常称为定子。图0-1所示压缩机只有一个进气口和排气口,称为一段压缩,有的压缩机,气体从气缸中间排出,到缸外进行冷却后,再回到气缸内继续压缩,有的在中间抽出或补进气体一部分,有一次这样中间抽(或补进)的称为二段压缩,有的压缩机一个气缸可以有几个这样的段。

在压缩机理论中常常顺着气体流动路线,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构成的基本单元。图0-2所示是压缩机中间的级,它包括叶轮(0—0~2—2)、扩压器(3—3~4—4)、弯道(4—4~5—5)和回流器(5—5~6—6)几个元件;压缩机每段进口处的级称为首级,除了上述元件外它还应包括进气室(a—a~0—0,其中,a—a截面为进入管入口截面),而在压缩机每段排气口处的级称为末级,它就没有弯道和回流器,而代之以排气室(图0-1),有的压缩机甚至连扩压器元件也没有,气体从叶轮出来直接进入排气室。可见,每级都必须有叶轮,由于级在段中所处的位置不同而有不同的固定元件相配合。一个压缩段可以有一个级也可以有许多级。为了对压缩机级的通流元件作用有个了解,分别叙述如下。

(1)进气室 在每段第一级入口都设有吸气室,将气体从进气管均匀地引入叶轮进行压缩。图0-3为压缩机首级叶轮和进气室。

(2)叶轮 叶轮又称工作轮,是压缩机中最重要的部件。它随轴高速旋转,气体在叶轮中受旋转离心力和扩压流动的作用,由叶轮出来后,压力和速度都得到提高。从能量转换观点来看,压缩机中叶轮是将机械能传给气体,以提高气体能量的唯一元件。

(3)扩压器 气体从叶轮流出时,具有很高的流动速度,为了将这部分动能充分地转变为势能,以提高气体的压力,紧接叶轮设置了扩压器。一般扩压器有无叶扩压器和叶片扩压器,无叶扩压器是由前、后隔板组成的通道,而叶片扩压器则在前、后隔板之间设置叶片。无论何种扩压器随着直径的增大,通流面积都随之增加,使气流速度逐渐减慢,压力得到提高。

(4)弯道与回流器 为了把从扩压器出来的气体引导到下一级去继续压缩,设有使气流拐弯的弯道和把气流均匀地引入下一级叶轮入口的回流器。弯道是由隔板和气缸组成的通道,回流器则由两块隔板和装在隔板之间的叶片组成。

图0-2 压缩机的中间级

图0-3 压缩机首级叶轮和进气室

(5)蜗壳 蜗壳的主要作用是把从扩压器或从叶轮(在没有扩压器时)出来的气体汇集起来,并引出机外。在大多数的情况下,由于蜗壳外径逐渐增大,通流面积也增大,因此还可以起到一定的扩压作用。

离心式压缩机本体除了上述级元件外,还有许多元件,例如减少气体从叶轮出口倒流到叶轮入口的轮盖密封;减少级间漏气的定距套密封;减少气体向机外泄漏或从外吸入(压力低于外界压力时)的轴端密封;减少轴向推力的平衡盘;承受转子剩余轴向推力的止推轴承以及支撑转子的支持轴承等。

为了使压缩机持续安全、高效率地运转,还必须有一些辅助设备和系统。如油路系统、自动控制及保安系统等。具有中间冷却的压缩机还带有中间冷却器、冷却系统。有的压缩机还带有增速器。

二、轴流式压缩机

和离心式压缩机一样,轴流式压缩机的结构也分为转子和定子两部分。现以我国自行设计生产的Z3250-46轴流式压缩机(图0-4)为例,对其通流部分的主要元件的功用叙述如下。

(1)进气室(11)进气室的作用是使大气或从进气管来的气体均匀地进入环形收敛器。

(2)收敛器(13)使进气室中的气流适当加速,以保证进气导流器的气流具有均匀的速度场和压力场。

(3)进气导流器(12)由装在气缸上的均布叶片组成。使气流以一定速度和方向进入第一级动叶。

(4)动叶(5)由装在转鼓3(由轮盘焊接而成)上的叶片组成,它是轴流式压缩机对气体做功的唯一元件。每一列动叶与其后面的静叶(导流器)组合在一起,称为轴流式压缩机的级,该压缩机共有九级。转鼓和装在上面的动叶构成转子。转子高速旋转,带动叶片对气体做功,使气体在流出动叶时,速度和压力都提高。

(5)静叶(导流器)(4)由均匀装在气缸上的叶片组成。其作用有二:一是将从动叶出来的气体动能尽量转换成压力的提高,二是按要求使气流按照一定的方向和速度进入下一级继续进行压缩。

(6)出口导流器(8)其功用是使末级导流器出来的气流沿叶高均变为轴向流动,以避免气流在扩压器中由于旋绕运动而增加损失,降低效率。

图0-4 Z3250-46轴流式压缩机

1—止推轴承;2—径向轴承;3—转鼓;4—静叶;5—动叶;6—前气缸;7—后气缸;8—出口导流器;9—扩压器;10—排气室;11—进气室;12—进气导流器;13—收敛器

(7)扩压器(9)使从出口导流器出来的气流均匀地减速,进一步提高气体的压力。

(8)排气室(10)将气流收集起来,经排气管排出。

除了上述通流部分元件外,和离心式压缩机一样,轴流式压缩机还有密封、支撑轴承、止推轴承等部件以及其他有关辅助设备和系统。

如前所述轴流式压缩机级由动叶和静叶组成(图0-5),通常用1—1,2—2,3—3特征截面分别表示动叶进口(即级进口)、动叶出口(亦即静叶进口)和静叶出口(即级出口)。对于首级来说如果设有进口导流器,该级还应包括进口导流器在内,对末级还应包括整流器在内。为了研究这样的级常用相距dr的两个相邻圆柱面去截取一个微元环形段进行研究。这样截取的动叶栅和静叶栅分别称为基元动叶栅和基元静叶栅,由它们组成基元级。图0-5为基元级平面展开图,它是一种平面叶栅,叶型前缘与后缘间距离b和相邻两叶型间距离t分别称为弦长和栅距。对基元级来说可以忽略气流参数沿叶高dr的变化,实践证明,可以用研究平面叶栅的方法来研究轴流式压缩机基元级。

图0-5 轴流式压缩机的级和基元级

三、透平式压缩机的主要性能参数

表征透平式压缩机性能的有如下主要参数。

1.流量

流量可以用容积流量也可以用质量流量。运输式(指用于航空、交通运输等部门)压缩机多用质量流量,单位常用kg/s,固定式(指运输部门以外的工业用)压缩机多用容积流量,并且习惯上用进气容积流量来表示压缩机的流通能力。单位常用m 3 /min,在空气分离、石油、化工等部门用的压缩机中常用标准状态下的容积流量,称为标准容积流量,单位是m 3 /h(N),所谓标准状态(N),一般规定压力和温度分别为1.01325×10 5 N/m 2 和273K的气体状态。

2.排气压力和压力比

工业透平式压缩机铭牌习惯标明排气压力,对一些运输式压缩机习惯标明压力比(简称压比)。压比ε c 为:

3.转速

指压缩机转子旋转速度,单位是r/min。

4.功率

指驱动压缩机所需的轴功率和驱动机的功率等,单位常用kW。

5.效率(后面有专门章节讨论)

除效率外,上述参数都应在压缩机铭牌上标出,并同时注明其进气条件(压力、温度、相对湿度)和气体介质。 UgwFgs2pjZt1wfDvUpGPbvocMhpDR5XMu5e5F+8fAWPjgvwtaFNb5UA0VmEjmEaQ

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