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第三节 透平式压缩机发展概况

实用透平式压缩机在工业上出现之前,活塞式压缩机早已获得了普遍应用,在19世纪活塞式压缩机几乎成了实际上应用的唯一型式。活塞式压缩机由于存在单机容量小、机器笨重、易损件多和滑油消耗量大等许多缺点,很难满足生产发展的需要。随着科学技术的进步,在解决了热力学、气体动力学、材料及机械制造等一系列重大问题之后,透平式压缩机才迅速发展起来。1900年法国拉托厂首先制造了第一台高炉鼓风用离心式压缩机,6年后,瑞士的布朗鲍威尔开始生产拉托型压缩机,从此在欧洲和美国便出现了离心式压缩机的生产热潮。实用轴流式压缩机的出现较离心式压缩机要晚些,虽然在19世纪末就有人提出过多级轴流式压缩机的概念,不少人为此做过很大努力,但都因效率低而未能获得推广,真正的发展是在20世纪30年代以后的事。还在19世纪末,英国的C.A.帕尔森根据轴流式透平的经验将多级反动式透平反转,得到第一台实验用轴流式压缩机,显然这种忽视压缩机和透平的重要区别的做法,必定导致压缩机效率低。后来他又利用透平叶型试制了一些轴流式压缩机,都因为效率低(小于50%)而没有被推广使用。从20世纪30年代开始,由于航空事业的发展需要,对航空燃气轮机进行了大量的理论和试验研究,使轴流式压缩机不断完善,提高了效率。1934年瑞士的BBC首次为超声速风洞制造了第一台多级轴流式压缩机,效率达84%。从20世纪40年代开始,轴流式压缩机已广泛应用于航空燃气轮机中,迄今仍占有很重要的地位。现代轴流式压缩机效率可高达86%~90%甚至更高,除航空发动机外,还广泛用于发电燃气透平、舰用燃气透平和机车燃气透平装置中。随着钢铁、石油、化工等企业不断大型化,轴流式压缩机在这些领域也获得了发展,特别是从用于高炉鼓风以来,一直被各国所重视和发展。为改善低负荷性能,1960年瑞士BBC制造了第一台静叶可调轴流式高炉鼓风机,随后世界许多厂家在这方面都做了许多工作,使得静叶可调式轴流式压缩机已成为高炉鼓风机的主要机型。目前轴流式压缩机在流量为300~25000m 3 /min(N),排气压力为(3~40)×10 5 Pa的范围内得到广泛应用。

离心式压缩机在航空发动机上的应用经历了一些曲折。应该说第一台航空喷气式发动机采用的是离心式压缩机,但随着航空事业的飞速发展,对发动机的功率需求猛烈增长,利用轴流式压缩机更为合适,因而在20世纪50年代中期以后,航空用离心式压缩机的发展几乎停滞不前。一直到了60年代中期先进的军用直升机需要装备小的燃气轮机,才又刺激离心式压缩机的进一步发展。此时,还由于离心式压缩机制造工艺的新进展和气动力学研究的成就,大大扩大了离心式压缩机的应用范围。离心式压缩机已成功地应用到汽车、直升机用燃气轮机、柴油机的增压器、空调、化工、石油等部门,并在许多部门中和容积式压缩机展开了竞争,取得了很好的成绩。透平式压缩机的主要优点是单机容量大、重量轻、体积小、结构简单、滑油消耗少,为生产大型化提供了条件。起先离心式压缩机只是在低中压方面在大型企业中取代活塞式压缩机,发展到今天,在高压领域内和在大型企业中已代替了活塞式压缩机。1956年美国的克拉克公司为日产1000t合成氨厂制造了氮氢合成气低压段离心式压缩机,排气压力只有25.5×10 5 Pa,到了1963年为得克萨斯的日产600t合成氨厂制造了世界第一台合成气高压离心式压缩机,排气压力达到155×10 5 Pa,耗功率为8800kW,从此离心式压缩机跨进了高压领域。随着高压离心式压缩机的有关关键技术(如高压密封、小流量叶轮的制作和防喘措施等方面)的进展,世界许多厂家已能生产出排气压力达(280~340)×10 5 Pa或更高的高压离心式压缩机,1972年依了得厂为压缩多种工艺气体制造的压缩机其排气压力已高达687×10 5 Pa。从进气流量范围看,离心式压缩在80~6000m 3 /min(N)范围内得到广泛应用。

透平式压缩机用途很广,特别是在石油精炼(重整、催化裂化、润滑剂生产等)、化工(合成氨、尿素、甲烷、乙烯、复合肥料等)、天然气(输气工程、天然气液化等)以及空气分离、氧气站、冶炼等部门中的应用越来越广泛,已成为这些企业的关键设备。现结合透平式压缩机在合成氨、尿素厂中的应用情况作简要说明。20世纪70年代以来,为迅速改变我国化肥落后的面貌,先后从国外引进技术,建成了20多套以天然气为原料或以石脑油或以煤为原料的不同类型化肥厂,目前还在兴建并在以后还要兴建类似的化肥厂。在这些企业中的压缩机都采用透平式压缩机,多数是离心式压缩机。以天然气为原料的合成氨厂有压缩机4台,它们是原料气、空气、氨和合成气(氮、氢气)压缩机,连同尿素厂一台CO 2 压缩机都用蒸汽轮机驱动,利用工艺生产中的余热产生的蒸汽,节省大量电力,合理使用能源。这些压缩机无论是动力消耗还是投资都占有很大比例,如合成氨压缩机所耗动力约占该厂动力的87%,投资约占总投资的21%,尿素厂压缩机的动力占该厂动力的85%,投资约占18%。鉴于蒸汽轮机驱动的离心式压缩机组在化肥生产中所起的作用,常被人们称为化肥厂的心脏设备,因此,确保这些机组的正常运行对整个工厂的安全、稳定生产关系极大。国外许多大型化肥厂过去运行经验表明:因汽轮机压缩机组故障而使整个工厂停工的约占25%,其中因设计不合理造成的事故占10%~15%,因操作不当而造成的事故占13%~15%。为了提高机组的运转率必须做到精心操作,周密维护,认真检修。

我国是世界上历史悠久的国家,勤劳的中国人民很早就懂得透平机械原理,并制造了结构轻巧、使用方便的风车。但是在新中国成立前,透平式压缩机制造业基本上属于空白,只有少数厂能生产少量低压的通风机和鼓风机。新中国成立以来,随着社会主义经济建设的发展,透平式压缩机制造业也从无到有得到迅速发展,除了各大汽轮机厂外,还有许多鼓风机专业生产厂,如沈阳鼓风机厂、陕西鼓风机厂、上海鼓风机厂、武汉鼓风机厂等可以生产各种规格的工业透平式压缩机。透平式压缩机的理论研究、设计工作都取得了很大进展。除了自行设计外,还从国外引进技术,推动我国透平式压缩机事业的发展。早期,沈阳鼓风机厂从意大利新比隆引进了MCL(水平剖分型)、BCL(筒型)和PCL(输气管线用)三种系列压缩机技术之后,又从日本引进了DH系列压缩机,陕西鼓风机厂从瑞士苏尔寿公司引进轴流式压缩机技术,生产A系列(静压不可调)和AV系列(静压可调)多种规格轴流式压缩机。后来,我国又相继从国外引进了一些先进机型和技术,缩短了国内和国外的差距。目前我国从通风机、鼓风机到高压离心式压缩机、各种规格的轴流式压缩机都能生产,并为进一步发展打下了坚实的基础。

透平式压缩机的发展得益于许多学科发展和技术进步的成果,随着当代科学技术的突飞猛进,透平式压缩机无论是在性能上还是在安全可靠性上都获得了很大的提高。随着气动力学全三元流动理论的发展,透平式压缩机的气动设计方法、计算分析软件日臻成熟并推广应用,透平式压缩机理论得到深入的研究,使当今的透平式压缩机更具有先进的热力、气动性能;转子动力学的进步提高了压缩机的可靠性,机械制造业的现代化,保证了压缩机的先进设计性能和可靠性;轴端密封技术的不断进步,如干气密封的发展,有可能摒弃密封油系统;新型轴承的出现,特别是当前气体轴承、电磁轴承的发展,在不久的将来,很有可能在支承系统中摒弃滑油系统;故障诊断学的新成果为故障的诊断与排除提供了重要手段;控制理论和计算机技术的新发展,先进的压缩机性能控制、防喘控制和运行监控系统的采用,更大程度上提高了压缩机的运行安全可靠性等。看到当前透平式压缩机的发展步伐,有理由期待,崭新的结构紧凑、系统简便、效率更高、更安全可靠、先进监控系统装备的透平式压缩机会很快出现。 wWktKJ1360iRoJLN1q72iGQfIEiSZKDAuI0D6zVjXRqD7dyM4yDOdN8lF1uNL8y2

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