離心壓縮機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)

一、工作原理

汽輪機(jī)(或電動(dòng)機(jī))帶動(dòng)壓縮機(jī)主軸葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力作用下，氣體被甩到工作輪后面的擴(kuò)壓器中去。而在工作輪中間形成稀薄地帶，前面的氣體從工作輪中間的進(jìn)汽部份進(jìn)入葉輪，由于工作輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體能連續(xù)不斷地被甩出去，從而保持了氣壓機(jī)中氣體的連續(xù)流動(dòng)。氣體因離心作用增加了壓力，還可以很大的速度離開(kāi)工作輪，氣體經(jīng)擴(kuò)壓器逐漸降低了速度，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，進(jìn)一步增加了壓力。如果一個(gè)工作葉輪得到的壓力還不夠，可通過(guò)使多級(jí)葉輪串聯(lián)起來(lái)工作的辦法來(lái)達(dá)到對(duì)出口壓力的要求。級(jí)間的串聯(lián)通過(guò)彎通，回流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就是離心式壓縮機(jī)的工作原理。

二、基本結(jié)構(gòu)

離心式壓縮機(jī)由轉(zhuǎn)子及定子兩大部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸，固定在軸上的葉輪、軸套、平衡盤(pán)、推力盤(pán)及聯(lián)軸節(jié)等零部件。定子則有氣缸，定位于缸體上的各種隔板以及軸承等零部件。在轉(zhuǎn)子與定子之間需要密封氣體之處還設(shè)有密封元件。各個(gè)部件的作用介紹如下。

 

1、葉輪

葉輪是離心式壓縮機(jī)中z*重要的一個(gè)部件，驅(qū)動(dòng)機(jī)的機(jī)械功即通過(guò)此高速回轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體作功而使氣體獲得能量，它是壓縮機(jī)中w*的作功部件，亦稱工作輪。葉輪一般是由輪蓋、輪盤(pán)和葉片組成的閉式葉輪，也有沒(méi)有輪蓋的半開(kāi)式葉輪。

2、主軸

主軸是起支持旋轉(zhuǎn)零件及傳遞扭矩作用的。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式。有階梯軸及光軸兩種，光軸有形狀簡(jiǎn)單，加工方便的特點(diǎn)。

3、平衡盤(pán)

在多級(jí)離心式壓縮機(jī)中因每級(jí)葉輪兩側(cè)的氣體作用力大小不等，使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)指向低壓端的合力，這個(gè)合力即稱為軸向力。軸向力對(duì)于壓縮機(jī)的正常運(yùn)行是有害的，容易引起止推軸承損壞，使轉(zhuǎn)子向一端竄動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)件偏移與固定元件之間失去正確的相對(duì)位置，情況嚴(yán)重時(shí)，轉(zhuǎn)子可能與固定部件碰撞造成事故。平衡盤(pán)是利用它兩邊氣體壓力差來(lái)平衡軸向力的零件。它的一側(cè)壓力是末級(jí)葉輪盤(pán)側(cè)間隙中的壓力，另一側(cè)通向大氣或進(jìn)氣管，通常平衡盤(pán)只平衡一部分軸向力，剩余軸向力由止推軸承承受，在平衡盤(pán)的外緣需安裝氣封，用來(lái)防止氣體漏出，保持兩側(cè)的差壓。軸向力的平衡也可以通過(guò)葉輪的兩面進(jìn)氣和葉輪反向安裝來(lái)平衡。

4、推力盤(pán)

由于平衡盤(pán)只平衡部分軸向力，其余軸向力通過(guò)推力盤(pán)傳給止推軸承上的止推塊，構(gòu)成力的平衡，推力盤(pán)與推力塊的接觸表面，應(yīng)做得很光滑，在兩者的間隙內(nèi)要充滿合適的潤(rùn)滑油，在正常操作下推力塊不致磨損，在離心壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)向另一端竄動(dòng)，為保證轉(zhuǎn)子應(yīng)有的正常位置，轉(zhuǎn)子需要兩面止推定位，其原因是壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)，各級(jí)的氣體還未建立，平衡盤(pán)二側(cè)的壓差還不存在，只要?dú)怏w流動(dòng)，轉(zhuǎn)子便會(huì)沿著與正常軸向力相反的方向竄動(dòng)，因此要求轉(zhuǎn)子雙面止推，以防止造成事故。

5、聯(lián)軸器

由于離心壓縮機(jī)具有高速回轉(zhuǎn)、大功率以及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)難免有一定振動(dòng)的特點(diǎn)，所用的聯(lián)軸器既要能夠傳遞大扭矩，又要允許徑向及軸向有少許位移，聯(lián)軸器分齒型聯(lián)軸器和膜片聯(lián)軸器，目前常用的都是膜片式聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器不需要潤(rùn)滑劑，制造容易。

6、機(jī)殼

機(jī)殼也稱氣缸，對(duì)中低壓離心式壓縮機(jī)，一般采用水平中分面機(jī)殼，利于裝配，上下機(jī)殼由定位銷定位，即用螺栓連接。對(duì)于高壓離心式壓縮機(jī)，則采用圓筒形鍛鋼機(jī)殼，以承受高壓。這種結(jié)構(gòu)的端蓋是用螺栓和筒型機(jī)殼連接的。

7、擴(kuò)壓器

 

氣體從葉輪流出時(shí)，它仍具有較高的流動(dòng)速度。為了充分利用這部分速度能，以提高氣體的壓力，在葉輪后面設(shè)置了流通面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器一般有無(wú)葉、葉片、直壁形擴(kuò)壓器等多種形式。

8、彎道

在多級(jí)離心式壓縮機(jī)中級(jí)與級(jí)之間，氣體必須拐彎，就采用彎道，彎道是由機(jī)殼和隔板構(gòu)成的彎環(huán)形空間。

9、回流器

在彎道后面連接的通道就是回流器，回流器的作用是使氣流按所需的方向均勻地進(jìn)入下一級(jí)，它由隔板和導(dǎo)流葉片組成。導(dǎo)流葉片通常是圓弧的，可以和氣缸鑄成一體也可以分開(kāi)制造，然后用螺栓連接在一起。

10、蝸殼

蝸殼的主要目的，是把擴(kuò)壓器后，或葉輪后流出的氣體匯集起來(lái)引出機(jī)器，蝸殼的截面形狀有圓形、犁形、梯形和矩形。

11、密封

為了減少通過(guò)轉(zhuǎn)子與固定元件間的間隙的漏氣量，常裝有密封。密封分內(nèi)密封，外密封兩種。內(nèi)密封的作用是防止氣體在級(jí)間倒流，如輪蓋處的輪蓋密封，隔板和轉(zhuǎn)子間的隔板密封。外密封是為了減少和杜絕機(jī)器內(nèi)部的氣體向外泄露，或外界空氣竄入機(jī)器內(nèi)部而設(shè)置的，如機(jī)器端的密封。

離心壓縮機(jī)中密封種類很多，常用的有以下幾種：

1)迷宮密封

迷宮密封目前是離心壓縮機(jī)用得較為普遍的密封裝置，用于壓縮機(jī)的外密封和內(nèi)密封。迷宮密封的氣體流動(dòng) e @7 G6 b$ J1 c; a

，當(dāng)氣體流過(guò)梳齒形迷宮密封片的間隙時(shí)，氣體經(jīng)歷了一個(gè)膨脹過(guò)程，壓力從P1降至右端的P2，這種膨脹過(guò)程是逐步完成的，當(dāng)氣體從密封片的間隙進(jìn)入密封腔時(shí)，由于截面積的突然擴(kuò)大，氣流形成很強(qiáng)的旋渦，使得速度幾乎完全消失，密封面兩側(cè)的氣體存在著壓差，密封腔內(nèi)的壓力和間隙處的壓力一樣，按照氣體膨脹的規(guī)律來(lái)看，隨著氣體壓力的下降，速度應(yīng)該增加，溫度應(yīng)該下降，但是由于氣體在狹小縫隙內(nèi)的流動(dòng)是屬于節(jié)流性質(zhì)的，此時(shí)氣體由于壓降而獲得的動(dòng)能在密封腔中完全損失掉，而轉(zhuǎn)化為無(wú)用的熱能，這部分熱能轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)又加熱氣體，從而使得瞬間剛剛隨著壓力降落下去的溫度又上升起來(lái)，恢復(fù)到壓力沒(méi)有降低時(shí)的溫度，氣流經(jīng)過(guò)隨后的每一個(gè)密封片和空腔就重復(fù)一次上面的過(guò)程，一直到壓力P2為止。由此可見(jiàn)迷宮密封是利用節(jié)流原理，當(dāng)氣體每經(jīng)過(guò)一個(gè)齒片，壓力就有一次下降，經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的齒片后就有較大的壓降，實(shí)質(zhì)上迷宮密封就是給氣體的流動(dòng)以壓差阻力，從而減小氣體的通過(guò)量。

常用的迷宮密封用的較多的有以下幾種：平滑形.、曲折形、曲折形、迷宮密封、臺(tái)階形。

2)油膜密封，即浮環(huán)密封

浮環(huán)密封的原理是靠高壓密封在浮環(huán)與軸套間形成的膜，產(chǎn)生節(jié)流降壓，阻止高壓側(cè)氣體流向低壓側(cè)，浮環(huán)密封既能在環(huán)與軸的間隙中形成油膜，環(huán)本身又能自由徑向浮動(dòng)。

靠高壓側(cè)的環(huán)叫高壓環(huán)，低壓側(cè)的環(huán)叫低壓環(huán)，這些環(huán)可以自由沿徑向浮動(dòng)，但不能轉(zhuǎn)動(dòng)，密封油壓力通常比工藝氣壓力高0.5Kg/cm2 左右進(jìn)入密封室，一路經(jīng)高壓環(huán)和軸之間的間隙流向高壓側(cè)，在間隙中形成油膜，將高壓氣封住，另一路則由低壓環(huán)與軸之間的間隙流出，回到油箱，通常低壓環(huán)有好幾只，從而達(dá)到密封的目的。

浮環(huán)密封用鋼制成，端面鍍錫青銅，環(huán)的內(nèi)側(cè)澆有巴氏合金，以防軸與油環(huán)的短時(shí)間的接觸，巴氏合金作為耐磨材料。浮環(huán)密封可以做到完全不泄露，被廣泛地用作壓縮機(jī)的軸封裝置。

3)機(jī)械密封

機(jī)械密封裝置有時(shí)用于小型壓縮機(jī)軸封上，壓縮機(jī)用的機(jī)械密封與一般泵用的機(jī)械密封的不同點(diǎn)，主要是轉(zhuǎn)速高，線速度大，PV值高，摩擦熱大和動(dòng)平衡要求高等。因此，在結(jié)構(gòu)上一般將彈簧及其加荷裝置設(shè)計(jì)成靜止式而且轉(zhuǎn)動(dòng)零件的幾何形狀力求對(duì)稱，傳動(dòng)方式不用銷子、鏈等，以減少不平衡質(zhì)量所引起的離心力的影響，同時(shí)從摩擦件和端面比壓來(lái)看，盡可能采取雙端面部分平衡型，其端面寬度要小，摩擦副材料的摩擦系數(shù)低，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)冷卻和潤(rùn)滑，以便迅速導(dǎo)出密封面的摩擦熱。

4)干氣密封

隨著流體動(dòng)壓機(jī)械密封技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，其重要的一種密封型式螺旋槽面氣體動(dòng)壓密封即干氣密封在石化行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于封油浮環(huán)密封干氣密封具有較多的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行穩(wěn)定可靠易操作，輔助系統(tǒng)少，大大降低了操作人員維護(hù)的工作量，密封消耗的只是少量的氮?dú)?，既?jié)能又環(huán)保。

螺旋槽面干氣密封。它由動(dòng)環(huán)1、靜環(huán)2、彈簧4、O形環(huán)3、5、8，組裝套7及軸6組成。圖6-7所示為動(dòng)環(huán)表面精加工出螺紋槽而后研磨、拋光的密封面。一般來(lái)講螺旋槽深度約2.5~10μm，密封環(huán)表面平行度要求很高，需小于1μm，螺旋槽形狀近似對(duì)數(shù)螺旋線。

當(dāng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)將密封用的氮?dú)庵芟蛭肼菪蹆?nèi)，由外徑朝向中心，徑向方向朝著密封堰流動(dòng)，而密封堰起著阻擋氣體流向中心的作用，于是氣體被壓縮引起壓力升高，此氣體膜層壓力企圖推開(kāi)密封， 形成要求的氣膜。此平衡間隙或膜厚h典型值為3μm。這樣，被密封氣體壓力和彈簧力與氣體膜層壓力配合好，使氣膜具有良好的彈性既氣膜剛度高，形成穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)并防止密封面相互接觸，同時(shí)具有良好剛度的氮?dú)饽た捎行У淖柚贡唤橘|(zhì)的泄漏。

干氣密封作用力情況正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下該密封的閉合力(彈簧和氣體作用力)等于開(kāi)啟力(氣膜作用力)，當(dāng)受到外力干擾，間隙減小，則氣體剪切率增大，螺旋槽開(kāi)啟間隙的效能增加，開(kāi)啟力大于閉合力，恢復(fù)到原間隙，若受到外擾間隙增大，則間隙內(nèi)膜壓下降，開(kāi)啟力小于閉合力，密封面合攏恢復(fù)到原間隙 。

12、軸承

離心式壓縮機(jī)有徑向軸承和推力軸承。徑向軸承為滑動(dòng)軸承，它的作用是支持轉(zhuǎn)子使之高速運(yùn)轉(zhuǎn)，止推軸承則承受轉(zhuǎn)子上剩余軸向力，限制轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)，保持轉(zhuǎn)子在氣缸中的軸向位置。

(1)徑向軸承

徑向軸承主要有軸承座、軸承蓋、上下兩半軸瓦等組成。

軸承座：是用來(lái)放置軸瓦的，可以與氣缸鑄在一起，也可以單獨(dú)鑄成后支持在機(jī)座上，轉(zhuǎn)子加給軸承的作用力z*終都要通過(guò)它直接或間接地傳給機(jī)座和基礎(chǔ)。

軸承蓋：蓋在軸瓦上，并與軸瓦保持一定的緊力，以防止軸承跳動(dòng)，軸承蓋用螺栓緊固在軸承座上。

軸瓦：用來(lái)直接支承軸頸，軸瓦圓表面澆巴氏合金，由于其減摩性好，塑性高，易于澆注和跑合，在離心壓縮機(jī)中廣泛采用。在實(shí)際中，為了裝卸方便，軸瓦通常是制成上下兩半，并用螺栓緊固，目前使用巴氏合金厚度通常在1~2mm。

軸瓦在軸承座中的放置有兩種：一種是軸瓦固定不動(dòng)，另一種是活動(dòng)的，即在軸瓦背面有一個(gè)球面，可以在運(yùn)動(dòng)中隨著主軸撓度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)軸瓦的位置，使軸瓦沿整個(gè)長(zhǎng)度方向受力均勻。

潤(rùn)滑油從軸承側(cè)表面的油孔進(jìn)入軸承，在進(jìn)入軸承的油路上，安裝一個(gè)節(jié)流孔板，借助于節(jié)流孔板直徑的改變，就可以調(diào)節(jié)進(jìn)入軸承油量的多少，在軸瓦的上半部?jī)?nèi)有環(huán)狀油槽，這樣使得潤(rùn)滑油能更好地循環(huán)，并對(duì)軸頸進(jìn)行冷卻。

(2)推力軸承

推力軸承與徑向軸承一樣，也是分上下兩半，中分面有定位銷，并用螺栓連接，球面殼體與球面座間用定位套筒，防止相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于是球面支承或可根據(jù)軸撓曲程度而自動(dòng)調(diào)節(jié)，推力軸承與推力盤(pán)一起作用，安裝在軸上的推力盤(pán)隨著軸轉(zhuǎn)動(dòng)，把軸傳來(lái)的推力壓在若干塊靜止的推力塊上，在推力塊工作面上也澆鑄一層巴氏合金，推力塊厚度誤差小于0.01~0.02mm。

離心壓縮機(jī)中廣泛采用米切爾式推力軸承和金斯泊雷式軸承

離心壓縮機(jī)在正常工作時(shí)，軸向力總是指向低壓端，承受這個(gè)軸向力的推力塊稱為主推力塊。在壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于氣流的沖力方向指向高壓端，這個(gè)力使軸向高壓端竄動(dòng)，為了防止軸向高壓端竄動(dòng)，設(shè)置了另外的推力塊，這種推力塊在主推力塊的對(duì)面，稱為副推力塊。

推力盤(pán)與推力塊之間留有一定的間隙，以利于油膜的形成，此間隙一般在0.25~0.35mm以內(nèi),z*主要的是間隙的z*大值應(yīng)當(dāng)小于固定元件與轉(zhuǎn)動(dòng)元件之間的z*小軸向間隙,這樣才能避免動(dòng)、靜件相碰。

潤(rùn)滑油從球面下部進(jìn)油口進(jìn)入球面殼體，再分兩路，一路經(jīng)中分面進(jìn)入徑向軸承，另一路經(jīng)兩組斜孔通向推力軸承，進(jìn)推力軸承的油一部分進(jìn)入主推力塊，另一部分進(jìn)入副推力塊.