壓縮機(jī)組培訓(xùn)教材

壓縮機(jī)組培訓(xùn)教材

第一節(jié)壓縮機(jī)概述

一、壓縮機(jī)定義和分類

壓縮機(jī)是一種根據(jù)氣體的壓力取決于單位時(shí)間內(nèi)氣體分子撞

擊單位面積的次數(shù)和強(qiáng)烈程度的原理，把其它形式的能量轉(zhuǎn)化成

壓力能并提高氣體壓力和輸送氣體的機(jī)器。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)得

到廣泛的應(yīng)用，特別是在石油、化工、動(dòng)力和冶金等各個(gè)行業(yè)中

占有重要地位。在化工生產(chǎn)中，工藝氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮提壓后，

可滿足各種工況的需要，使工藝過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。

壓縮機(jī)種類很多，按工作原理分為：容積式壓縮機(jī)和透平式壓縮

機(jī)。

1.容積式壓縮機(jī)種類、特點(diǎn)：

用增加單位容積內(nèi)氣體分子數(shù)，從而縮小分子間距來(lái)提高氣體

壓力。典型代表活塞式壓縮機(jī)，具有壓力范圍廣、效率高、排氣

量基本不隨壓力變化的特點(diǎn)。另外還有滑片式、羅茨式、螺桿式

壓縮機(jī)。

2.透平式壓縮機(jī)種類、特點(diǎn)：

利用旋轉(zhuǎn)葉片對(duì)氣流的作功、通過(guò)氣流的不斷加速、減速因慣

性彼此擠壓而縮短分子間距來(lái)提壓。具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)

緊湊、流量大、維修工作量小、氣體不受潤(rùn)滑油污染、適于汽輪

機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)有利于能源的綜合利用等特點(diǎn)，在石化行業(yè)得

到廣泛應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)單機(jī)配制，適用于低、中壓，大流量的場(chǎng)合。

按氣體運(yùn)動(dòng)方向分類：

1.離心式：被壓縮氣體在壓縮機(jī)內(nèi)大致沿垂直于壓縮機(jī)軸的徑向

流動(dòng)。

2.軸流式：氣體在壓縮機(jī)內(nèi)大致沿平行于軸線方向流動(dòng)；

3.軸流離心組合式：在軸流式的高壓段配以離心式段。

按排氣壓力Pd分類：

通風(fēng)機(jī)，Pd<0.0142MP(g)；鼓風(fēng)機(jī)，0.0142MP(g)WPdW

0.245MP(g),壓縮機(jī)，Pd>0.245MP(g)o

按用途分類：

制冷壓縮機(jī)、高爐壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、天然氣壓縮機(jī)、合成氣

壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)等。

二、汽輪機(jī)的定義和分類：

汽輪機(jī)，又叫蒸汽透平，用蒸汽來(lái)做功的旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)。

來(lái)自鍋爐或其它汽源的蒸汽通過(guò)調(diào)速閥進(jìn)入汽輪機(jī)，一次高速

流過(guò)一系列環(huán)形配置的噴嘴(靜葉柵)和動(dòng)葉柵而膨脹做功，推

動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(將蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能)，汽輪機(jī)帶動(dòng)

發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)或泵等負(fù)荷機(jī)旋轉(zhuǎn)。

汽輪機(jī)按照熱力過(guò)程分為：

1.凝汽式汽輪機(jī)蒸汽在汽輪機(jī)中作功后全部排入凝汽器冷凝，

凝汽器內(nèi)部壓力比大氣壓低。

2.抽汽凝汽式汽輪機(jī)

蒸汽在汽輪機(jī)膨脹至某級(jí)時(shí)，將其中一部分蒸汽從汽輪機(jī)中

抽出來(lái)，供給其它的蒸汽用戶；其余蒸汽在后面級(jí)中作功后

排入凝汽器。

3.背壓式汽輪機(jī)

蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功后，在大于一個(gè)大氣壓的壓力下排

出氣缸，其排汽供其它低壓用戶。

4.多壓式(注入式)汽輪機(jī)

若工藝過(guò)程中有某一壓力的蒸汽用不完時(shí)，就把這些多余的蒸

汽通過(guò)管道注入汽輪機(jī)中的某個(gè)中間級(jí)內(nèi)并同原來(lái)的蒸汽一起

在透平內(nèi)膨脹作功，從而回收能量。

汽輪機(jī)按蒸汽壓力分為低壓Q.OMPa以下)、中壓(2.0-

5.0MPa)、高壓(5.0—10.0MPa)>超高壓(12.0—14.0MPa)及

超臨界(22.5MPa以上)的汽輪機(jī)。

按工作原理分為：沖動(dòng)式、反動(dòng)式、沖動(dòng)式與反動(dòng)式的組合式

汽輪機(jī)等。

第二節(jié)離心式壓縮機(jī)及汽輪機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)

一、離心式壓縮機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)

從外觀上首先看到的是機(jī)殼(氣缸)，通常用鑄鐵或鑄鋼澆鑄而

成。一臺(tái)壓縮機(jī)常常有兩個(gè)或兩個(gè)以上的氣缸，按壓力高低稱低

壓缸、中壓缸和高壓缸。

壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)可分兩大部分：

(1)、轉(zhuǎn)動(dòng)部分，有主軸、葉輪、平衡盤(pán)、推力盤(pán)及聯(lián)軸器等

零部件組成，又稱轉(zhuǎn)子。

(2)、定子部分，由氣缸、隔板、徑向軸承、推力軸承、軸端

密封等零部件組成，常稱轉(zhuǎn)子。

在壓縮機(jī)理論中常常沿氣體流動(dòng)線路，將壓縮機(jī)分成若干個(gè)

級(jí)，級(jí)是由一個(gè)葉輪和與之相配合的固定元件擴(kuò)壓器、彎道和回

流器的基本單元組成。如圖所示

壓縮機(jī)每段進(jìn)口處的級(jí)成為首級(jí)，除了上述元件還包括進(jìn)氣

室；壓縮機(jī)排氣口的級(jí)成為末級(jí)它沒(méi)有彎道和回流器，取而代之

的是排氣室。

在離心式壓縮機(jī)中，氣體流過(guò)一級(jí)之后，壓力的提高是有限

的，要想壓縮到較高壓力時(shí)，就需要通過(guò)若干個(gè)級(jí)來(lái)完成，幾個(gè)

級(jí)可以裝在一個(gè)缸內(nèi)。一個(gè)缸最多能裝10級(jí)左右，更多的級(jí)需

要采用多缸。氣體經(jīng)壓縮后溫度就要升高，當(dāng)要求壓力比較高時(shí),

常將氣體壓縮到一定壓力時(shí)就從缸內(nèi)引出，在冷卻器內(nèi)降溫，然

后再進(jìn)入下級(jí)繼續(xù)壓縮。根據(jù)冷卻次數(shù)的多少，可將壓縮分為幾

個(gè)段。一個(gè)段可以是一個(gè)級(jí)也可以是幾個(gè)級(jí)。一缸可分為一個(gè)段

或多段。

在多級(jí)離心壓縮機(jī)中，由于每級(jí)葉輪兩側(cè)氣體作用在其上的

力大小不同，因此，使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)指向低壓端的合力，這個(gè)合

力稱為軸向力。平衡盤(pán)是用自身兩側(cè)的壓力差來(lái)平衡軸向力的零

件。它位于壓縮機(jī)的高壓側(cè)，用來(lái)平衡大部分軸向力的，剩下的

軸向力作用于止推軸承上。有的壓縮機(jī)葉輪采用背靠背的方法排

列來(lái)平衡軸向力。聯(lián)軸節(jié)又叫背靠輪，它是汽輪機(jī)（或驅(qū)動(dòng)電機(jī)）

和壓縮機(jī)以及壓縮機(jī)高低壓缸間的連接件，現(xiàn)在通常采用撓性聯(lián)

軸節(jié)。它允許較大的平行不對(duì)中、角度不對(duì)中和綜合不對(duì)中。

定子包括機(jī)殼和殼內(nèi)的固定元件，機(jī)殼有水平分和垂直剖分

兩種型式。水平剖分便于拆裝機(jī)制造，但密封面大，且強(qiáng)度差；

對(duì)于壓力較高的情況，采用垂直剖分形式，殼體實(shí)際上是兩缸，

內(nèi)缸仍是水平剖分，轉(zhuǎn)子及固定元件都裝在內(nèi)缸中，然后再裝入

外缸，外缸為整個(gè)圓筒，在一端或兩端有端蓋，打開(kāi)后即可把內(nèi)

缸拉出。

機(jī)殼內(nèi)有各種隔板，在機(jī)殼和隔板之間，隔板與隔板子之間

構(gòu)成了吸氣室、擴(kuò)壓室、彎道和回流器等固定元件。

2、通流部分各主要部件的作用

氣體在壓縮機(jī)中流經(jīng)的主要通道部件是進(jìn)氣室、葉輪、擴(kuò)壓

器、彎道、回流器和蝸殼。這些部件我們稱之為通流部件。下面

分述這些部件的作用。

（1）進(jìn)氣室：這是將進(jìn)氣室或中間冷卻器的氣體均勻地吸入

葉輪去進(jìn)行增壓的通道，因此在壓縮機(jī)中每一段進(jìn)口都設(shè)置進(jìn)氣

室。

（2）葉輪：葉輪也稱為工作輪，它是壓縮機(jī)的心臟部件，氣

體在葉輪葉片的作用下，跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，氣體由于受到旋

轉(zhuǎn)離心力的作用以及在葉輪里的擴(kuò)壓流動(dòng)，使氣體壓力得到提

高，速度也得到提高。所以葉輪是氣體提高能量的關(guān)鍵部件。

（3）擴(kuò)壓器：氣體被從葉輪甩出后，就有較高的流動(dòng)速度，

在葉輪出口后設(shè)置流道截面逐漸擴(kuò)大的部件稱為擴(kuò)壓器。其目的

是進(jìn)一步將氣體的流動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為壓力。

（4）彎道：為了把擴(kuò)壓器后的氣體引入到下一級(jí)葉輪的進(jìn)口，

就必須改變氣體流動(dòng)的方向，使其由離心方向的流動(dòng)改為向心方

向的流動(dòng)，所以在擴(kuò)壓器的后面設(shè)置了彎道與其相連接。

（5）回流器：其作用是將彎道來(lái)的氣體均勻的分布到下一級(jí)

葉輪的進(jìn)口。

（6）蝸殼：蝸殼的主要目的是把擴(kuò)壓器或葉輪后面的氣體匯

集起來(lái)，引到壓縮機(jī)外面去，流向氣體輸送管道或氣體冷卻器，

此外在匯集氣體的過(guò)程中，一般由于蝸殼外徑的逐漸增大通流截

面也逐漸擴(kuò)大，因此也祈禱一定的降速增壓作用。

3、工作原理

離心式壓縮機(jī)的工作原理與輸送液體的離心泵相似。當(dāng)驅(qū)動(dòng)

機(jī)（如汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)等）帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪流道中

的氣體受葉輪作用隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，氣體被

甩到葉輪外的擴(kuò)壓器中去。因而在葉輪中形成了稀薄地帶，入口

氣體從而進(jìn)入葉輪填補(bǔ)這一地帶。由于葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體就被

不斷地甩出，入口氣體就不斷地進(jìn)入葉輪，沿徑向流動(dòng)離開(kāi)葉輪

的氣體不但壓力有所增加，還提高了速度，這部分速度就在后接

元件擴(kuò)壓器中轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?，然后通過(guò)彎道導(dǎo)入下級(jí)葉輪繼續(xù)壓

縮。

4、離心式壓縮機(jī)的功耗及效率

（1）概述：壓縮機(jī)氣體需要消耗的能，大型離心壓縮機(jī)由原

動(dòng)機(jī)（如汽輪機(jī)、燃動(dòng)機(jī)等）驅(qū)動(dòng)，原動(dòng)機(jī)軸端所傳遞的功率包

括壓縮機(jī)軸承、齒輪箱及聯(lián)軸節(jié)等傳動(dòng)部分的機(jī)械損失以及壓縮

機(jī)內(nèi)功率。內(nèi)功率指的是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)氣體所消耗的功率。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是通過(guò)葉輪向氣體傳遞能量的。葉輪除對(duì)氣體作

功外，葉輪的輪盤(pán)、輪蓋的外側(cè)面及輪緣與周?chē)鷼怏w的摩擦所產(chǎn)

生的輪阻損失、葉輪出口高壓氣體漏回到葉輪低壓端的漏氣損失

也都要消耗功。

對(duì)整個(gè)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，葉輪對(duì)氣體作功轉(zhuǎn)換成下列三個(gè)部分：

A提高氣體的靜壓能（壓縮功），使氣體從進(jìn)口壓力提高到出

口壓力。

B提高氣體的動(dòng)能。在一般情況下，動(dòng)能的提高不大，常常

可以忽略不計(jì)。

C克服氣流在級(jí)中的流動(dòng)損失。這部分流動(dòng)損失，是指氣流

在葉輪內(nèi)和級(jí)的固定元件（如吸氣室、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、

蝸殼等）內(nèi)的流動(dòng)損失。

總之，壓縮機(jī)級(jí)中的功耗有五部分組成，即靜壓能提高、動(dòng)

能的變化、流動(dòng)的損失、輪阻損失和漏氣損失組成的，只有靜壓

能的提高對(duì)氣體的升壓是有用的。

（2）氣體的壓縮過(guò)程

靜壓能的提高與氣體的壓縮過(guò)程有關(guān)。熱力學(xué)把氣體的壓縮

過(guò)程分為：等溫壓縮過(guò)程、絕熱壓縮過(guò)程、多變壓縮過(guò)程。壓縮

機(jī)中氣體的實(shí)際壓縮過(guò)程是多變壓縮過(guò)程，但可以忽略與外界的

熱交換。

現(xiàn)分析各壓縮過(guò)程中的靜壓能提高（壓縮功）。

設(shè)壓縮機(jī)進(jìn)出口參數(shù)分別為Pl、V］、「和P2、V2、T2,壓縮

氣體的所需能量的單位Kg.m/Kg,它表示壓縮IKg氣體所需要

的能量。

A等溫壓縮T=Const（恒定）

等溫壓縮功為His=RTiLn（P2/P］）（Kg.m/Kg）

B絕熱壓縮

氣體在壓縮過(guò)程中與外界無(wú)熱交換且無(wú)氣體流動(dòng)損失和摩擦

損失。絕熱壓縮后氣體溫度:

T2/T1=(P2/P嚴(yán))區(qū)

絕熱壓縮功為：

(K1)/K

Had=K/(K-l)RTl((P2/Pi)--l)(Kg.m/Kg)

C多變壓縮過(guò)程：過(guò)程存在流動(dòng)損失和摩擦損失，外界可以

有熱交換或者無(wú)熱交換。

多變過(guò)程氣體溫度計(jì)算式為：

(M1)/M

T2/T1=(P2/P1)-

多變壓縮功為：

(M])/M

Hpol=(m/(m-l))RTi((P2/Pi)--l)(Kg.m/Kg)

以上式中R為氣體常數(shù)，被壓縮氣體組分越輕則R越大。

多變過(guò)程和理論絕熱過(guò)程的公式具有同樣形式，只是絕熱指

數(shù)K代以多變指數(shù)mo多變指數(shù)和絕熱指數(shù)不同，它不僅隨氣

體的種類而變化，而且與設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)系。對(duì)于離心式壓縮機(jī)來(lái)

說(shuō)，多變指數(shù)m大于絕熱指數(shù)Ko機(jī)器設(shè)計(jì)和控制的越合理，

則m越接近K值。

(3)壓縮機(jī)過(guò)程分析討論

A三種典型壓縮過(guò)程，如氣體溫度和壓比相同，則等溫壓縮

過(guò)程需要的壓縮功最小，排氣溫度最低，等于進(jìn)氣溫度。這是一

種理想情況，實(shí)際上只能接近而不能達(dá)到。多級(jí)壓縮過(guò)程需要的

能量頭最大，所以多級(jí)壓縮機(jī)常做成多段，增加段間冷卻器從而

使壓縮過(guò)程向等溫壓縮過(guò)程靠近，對(duì)于具有中間冷卻器的壓縮機(jī)

常用等溫效率來(lái)衡量機(jī)器完善程度。

B同質(zhì)量流量的同種氣體來(lái)說(shuō)，如初溫度相同，當(dāng)壓縮比相

同，其功耗也相同。例如把氣體從10個(gè)大氣壓壓縮到100個(gè)大

氣壓，與從1個(gè)大氣壓壓縮到10個(gè)大氣壓所需要的功耗相同。

C氣體所需要的壓縮功與氣體的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)輕氣體，因?yàn)?/p>

氣體R大，所以在相同壓力下需要的壓縮功就比壓縮重氣體大從

壓縮表達(dá)式可以看出)，但由于同一壓縮機(jī)及壓縮同一體積流量

的不同氣體，所提供的葉片功是相同的，也即H葉片與氣體性質(zhì)

武官，所以在同一壓力比要求下，壓縮輕氣體需要的級(jí)數(shù)比重氣

體多。

D多變過(guò)程是具有損失的過(guò)程，多變指數(shù)m反映多變壓縮過(guò)

程所需功的大小。損失使氣體得到附加熱量，采用中間冷卻器，

目的是為了向等溫壓縮過(guò)程靠近。各個(gè)不同壓縮過(guò)程在P-V圖和

T-S圖上的表示如下圖2圖3所示。各個(gè)過(guò)程的壓縮功就是各壓

縮過(guò)程線縱坐標(biāo)及P=P1、P=P2兩條等壓線所包括的面積。

圖2T-S圖上各種不同壓縮過(guò)程圖3P-V圖上各種不同壓縮過(guò)程

(4)壓縮機(jī)的效率

壓縮機(jī)或級(jí)的效率主要是用來(lái)說(shuō)明供給氣體的機(jī)械能的利用

程度。由于有三種壓縮過(guò)程，則相應(yīng)的把壓縮機(jī)效率分為多變效

率Rpol、絕熱效率nad和等溫效率Ls。

多變效率指由壓力P1增加到P2所需要的多變壓縮功與實(shí)際消

耗的功之比。目前離心式壓縮機(jī)的多變效率為0.7-0.84左右。

絕熱效率指由壓力Pi增加到P2時(shí)絕熱壓縮功與實(shí)際所需消耗

的功之比。

等溫效率指由壓力P1增加到P2時(shí)等溫壓縮功與實(shí)際所需消耗

的功之比。

實(shí)際的壓縮機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)沒(méi)有損失的絕熱壓縮過(guò)程，但它可以

作為比較標(biāo)準(zhǔn)。由于多變壓縮功,絕熱壓縮功〉等溫壓縮功，故有

nPoi>nad>ni”故要注意機(jī)器效率使用哪一種表示方法。

二、汽輪機(jī)基本原理、結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)是用蒸汽來(lái)作功的旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)。來(lái)自鍋爐或熱網(wǎng)的蒸

汽，經(jīng)脫扣節(jié)流閥或事故切斷閥、調(diào)速閥進(jìn)入汽輪機(jī)，依次告訴

流經(jīng)一系列環(huán)形培植的噴嘴(或靜葉柵)和動(dòng)葉柵而膨脹作功推

動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功。這便是汽輪機(jī)

簡(jiǎn)單的工作原理。汽輪機(jī)可按工作原理分為：沖動(dòng)式、反動(dòng)式、

沖動(dòng)式與反動(dòng)式的組合式汽輪機(jī)。

首先，我們對(duì)這幾類汽輪機(jī)的工作原理作一下介紹。

1、汽輪機(jī)的工作原理

(1)沖動(dòng)式汽輪機(jī)

沖動(dòng)式汽輪機(jī)的最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如圖4所示意。葉輪上配置一圈

動(dòng)葉片與噴嘴配合在一起，構(gòu)成一個(gè)做功的簡(jiǎn)單機(jī)械。我們把由

噴嘴和與其配合的動(dòng)葉片構(gòu)成的汽輪機(jī)作功的單元稱級(jí)。

由一個(gè)級(jí)組成的汽輪機(jī)叫做單級(jí)汽輪機(jī)。

噴嘴又叫靜葉片。它是一個(gè)截面形狀特殊且不斷變化的通道。

蒸汽進(jìn)入噴嘴后發(fā)生膨脹，消耗了蒸汽的壓力能，即消耗了蒸汽

的熱能，蒸汽的壓力及溫度都下降了，而蒸汽的流速卻增加了，

獲得了高速氣流。噴嘴的作用就是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。

動(dòng)葉片又稱工作葉片。在葉輪的外圓周上裝滿的一整圈葉片，

常叫動(dòng)葉柵。由噴嘴流出的高速氣流流至動(dòng)葉片時(shí)，其速度的大

小及方向是一定的，之后氣流由于受到動(dòng)葉片的阻礙（作用力）,

改變其原來(lái)的速度的大小及方向，這時(shí)候氣流必然給動(dòng)葉片一個(gè)

反作用力，推動(dòng)葉片運(yùn)動(dòng)，將一部分動(dòng)能成葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功。

由上述可知，在汽輪機(jī)連續(xù)工作過(guò)程中有兩次能量轉(zhuǎn)換，即：

熱能f蒸汽動(dòng)能f轉(zhuǎn)子機(jī)械能。

為了更好的理解汽輪機(jī)的工作原理，下面分析一下沖動(dòng)式汽輪

機(jī)的動(dòng)葉片型式。

如果我們用一個(gè)直立的平板，讓高速氣流沖擊到它的表面上，

平板由于受到氣流的沖擊作用而發(fā)生運(yùn)動(dòng)。但因在平板的表面附

近產(chǎn)生了很大的擾動(dòng)和渦流損失，如圖5-a所示，使蒸汽中大量

的有用能量不能得到很好的利用以至造成浪費(fèi)。所以經(jīng)過(guò)大量的

實(shí)踐改進(jìn)，現(xiàn)在汽輪機(jī)的動(dòng)葉片做成彎曲形。如果要產(chǎn)生最大的

作用力，就要使蒸汽的噴射方向與動(dòng)葉片的運(yùn)動(dòng)方向一致，然后

再轉(zhuǎn)一個(gè)180°而離開(kāi)動(dòng)葉片，如圖5-b所示，這時(shí)動(dòng)葉片受到

的沖擊力如圖6所示。

汽流以C1的速度流向曲面，它相當(dāng)于汽輪機(jī)的動(dòng)葉片，并能沿

平行于汽流的方向移動(dòng)。汽流進(jìn)入彎曲流道內(nèi)弧所構(gòu)成的氣道

后，便沿著內(nèi)弧逐步改變流動(dòng)方向，最后流出氣道時(shí)的速度為

C2方向恰與C1方向相反。當(dāng)氣流流過(guò)曲面時(shí)，實(shí)際上做圓周運(yùn)

動(dòng)，因此組成氣流的每一個(gè)蒸汽微團(tuán)都受到葉片所作用給它的一

個(gè)向心力，同時(shí)葉片受到氣流給它一個(gè)大小相等、方向向反作用

力。假如氣流微團(tuán)的離心力用向量表示。在1點(diǎn)處的離心力P1

可以分解成軸向分力Piz及運(yùn)動(dòng)方向上的分力Piu、在2點(diǎn)處的

離心力P2也可以分解成P2Z和P2U。軸向分力P1Z和P2Z恰好相互

抵消，因?yàn)榇硕Υ笮∠嗟?、方向相反，且共同作用在一個(gè)葉片

的同一條支線上。同樣，其它點(diǎn)的軸向分力也相互抵消，因此氣

流的離心力在軸向上的分力之和為零，即Piz+P2z+…=0

在彎曲面運(yùn)動(dòng)方向上的分力之和等于P,即

Plu+P2U+，，，-P

在這個(gè)P力的作用下,彎曲面（葉片）向右運(yùn)動(dòng)，通過(guò)葉輪及軸產(chǎn)

生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若帶動(dòng)壓縮機(jī)和泵、風(fēng)機(jī)等機(jī)械，就可以輸出機(jī)械

功。這就是沖動(dòng)式汽輪機(jī)的工作原理。

實(shí)際上，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的限制，從噴嘴流出來(lái)的氣流不

能與動(dòng)葉片的運(yùn)動(dòng)方向完全相同，而成一個(gè)夾角。動(dòng)葉片也不是

一個(gè)半圓弧，而是由好幾段曲線組成，一般是圓弧和拋物線弧。

如圖所示7所示。

圖7沖動(dòng)式動(dòng)葉片的斷面

(2)速度級(jí)和壓力級(jí)

前面已經(jīng)介紹級(jí)的概念，從結(jié)構(gòu)上看，汽輪機(jī)的一個(gè)級(jí)是有噴

嘴(幾個(gè)或整個(gè)圓周布置的噴嘴)和一列動(dòng)葉片組合起來(lái)的裝置,

從動(dòng)作原理來(lái)看，就是能造成高速氣流，能將速度能轉(zhuǎn)換成機(jī)械

能，并產(chǎn)生推力對(duì)外做功的基本單元。級(jí)可以分為壓力級(jí)和速度

級(jí)，簡(jiǎn)單介紹如下。

A.壓力級(jí)

在可以利用的蒸汽能量很大的情況下，只有一個(gè)級(jí)不能充分利

用這些能量。這時(shí)，我們把由噴嘴和動(dòng)葉片組成的級(jí)串聯(lián)在同

一根軸上，將蒸汽的能量分別在若干個(gè)級(jí)中加以利用。從結(jié)構(gòu)

來(lái)看，就是一列噴嘴和一列動(dòng)葉片，其后又是一列噴嘴和一列

動(dòng)葉片，這樣逐次排列下去。在第一列噴嘴進(jìn)口處的蒸汽壓力

最高，以后逐級(jí)降低，這就是常見(jiàn)的多級(jí)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，

其中的每個(gè)級(jí)，都叫做壓力級(jí)。

B.速度級(jí)

壓力級(jí)外，在有些汽輪機(jī)上設(shè)有速度級(jí)（復(fù)速度級(jí)或寇蒂斯級(jí)）

速度級(jí)比壓力級(jí)在結(jié)構(gòu)上復(fù)雜一點(diǎn)。

圖8是具有雙列速度級(jí)的單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)示意圖，它比單級(jí)

沖動(dòng)式汽輪機(jī)對(duì)蒸汽能量的利用更充分一點(diǎn)，由軸1、葉輪2、

雙列動(dòng)葉片3及6構(gòu)成轉(zhuǎn)子；由噴嘴4、導(dǎo)向葉片7、氣缸5、

排氣氣管8等組成的靜子部分。

如果沖動(dòng)式級(jí)在工作時(shí)，離開(kāi)動(dòng)葉片的氣流速度仍很大，這說(shuō)

明還沒(méi)有充分利用蒸汽的動(dòng)能來(lái)做功。為了利用這部分能量，

在同一葉輪的輪緣上再要裝置第二動(dòng)葉珊，使蒸汽流過(guò)兩列轉(zhuǎn)

動(dòng)的葉珊，第一列動(dòng)葉珊通道中蒸汽能量中的一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)

械能，而其余的蒸汽能則由第二列動(dòng)葉珊繼續(xù)將能量轉(zhuǎn)換為機(jī)

械能。為了使蒸汽流以一定的方向流入第二動(dòng)葉珊，在第一、

二列動(dòng)葉珊之間裝一列固定的葉片，起導(dǎo)向作用，稱之為導(dǎo)向

葉片，它是裝在氣缸上的。

速度級(jí)與沖動(dòng)式壓力級(jí)的工作原理是一樣的，不同的就是蒸汽

的速度在第一、二列動(dòng)葉珊中分別加以利用。

除雙列速度級(jí)以外，還有三列速度級(jí)，但常用的是雙列速度

級(jí)。經(jīng)常用它做成小功率的汽輪機(jī),帶送風(fēng)機(jī)及其他各種泵等,

也可以用它做多級(jí)汽輪機(jī)的第一級(jí)。

⑶反動(dòng)式汽輪機(jī)

反動(dòng)式汽輪機(jī)是利用反作用力與沖擊力將蒸汽的速度能轉(zhuǎn)

換成機(jī)械能的。反動(dòng)式汽輪機(jī)的工作原理同樣是基于慣性定律

和作用力與反作用力定律的。

圖9是反動(dòng)式汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。動(dòng)葉片安裝在轉(zhuǎn)鼓上，軸、

平衡活塞及轉(zhuǎn)鼓組成了轉(zhuǎn)子。靜葉片安裝在氣缸上，與進(jìn)、排

管等組成靜子。

反動(dòng)式的級(jí)仍然是由一列靜葉珊組成。它的工作原理是：在

靜葉珊中氣流與經(jīng)過(guò)噴嘴時(shí)相似，壓力降低，容積膨脹，速度

增加；而它的動(dòng)葉珊也作成截面漸收縮的氣道,氣流在動(dòng)葉珊

中進(jìn)一步降壓，膨脹加速。根據(jù)慣性定律可知，運(yùn)動(dòng)的物體如

果不受外力的作用的話，則一定按照它原來(lái)的速度大小及方向

運(yùn)動(dòng)下去。氣流既然在動(dòng)葉珊中獲得了加速度，那必然有外力

作用在其氣流上，這個(gè)力是由于在動(dòng)葉珊上降低了氣流的壓力

和溫度，即氣流的熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能所獲得的。在動(dòng)葉珊中進(jìn)一

步使氣流降壓、增速并以高速離開(kāi)，這時(shí)氣流必須給動(dòng)動(dòng)葉珊

一個(gè)大小相等、方向相反的作用力，使動(dòng)葉珊轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)

的對(duì)外做功。這就是反動(dòng)式汽輪機(jī)的工作原理。

反動(dòng)原理在汽輪機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用，如圖10所示。這是反動(dòng)

式汽輪機(jī)中的一個(gè)級(jí)的斷面示意圖。蒸汽在靜葉柵中膨脹的內(nèi)

弧改變方向，因此動(dòng)葉片就受到由于沖動(dòng)原理產(chǎn)生的沖擊力，

記為P沖；又由于氣流在動(dòng)葉柵氣道內(nèi)從P1膨脹降壓至P2,

因而動(dòng)葉片上又受到由于反動(dòng)原理而引起的反作用力P反的作

用，P沖與P反的合力為Pu。此外，動(dòng)葉片前后有壓差也引起一

個(gè)軸向力PgPu與P軸的合力為P總，這就是作用在動(dòng)葉片上

的力。沿動(dòng)葉片運(yùn)動(dòng)方向的分力，使動(dòng)葉片向右移動(dòng)，并做機(jī)

械功，因此，作用在反動(dòng)式汽輪機(jī)的級(jí)的動(dòng)葉片上的力，既有

沖動(dòng)式，椰油反作用力。

實(shí)用的反動(dòng)式汽輪機(jī)，都采用多級(jí)型式，其工作原理與前面

分析的單級(jí)反動(dòng)式汽輪機(jī)的工作原理基本一樣。

為了分析方便，前述沖動(dòng)式級(jí)，實(shí)際上是指在動(dòng)葉柵中沒(méi)有

膨脹發(fā)生的情況，有人把它叫做純沖動(dòng)式級(jí)。

近代常用的汽輪機(jī)，實(shí)際上用的是帶反動(dòng)度的沖動(dòng)式汽輪

機(jī)。在這種汽輪機(jī)中，動(dòng)葉柵中也有氣流膨脹，但比噴嘴中的

膨脹程度小些。

所謂反動(dòng)度，就是在動(dòng)葉柵中蒸汽膨脹的程度占級(jí)中總的應(yīng)

該膨脹程度的比例數(shù)，或是在動(dòng)葉柵中的理想熔降之比，常用

P表示反動(dòng)度。

純沖動(dòng)式級(jí)的P=o；反動(dòng)級(jí)的P=0.5；帶反動(dòng)度的沖動(dòng)式級(jí)

的0<P<0.5。帶有不大反動(dòng)度的沖動(dòng)級(jí)使用最廣泛，它可以提

高沖動(dòng)式汽輪機(jī)的效率。

(4)沖動(dòng)反動(dòng)組合式汽輪機(jī)

這類汽輪機(jī)的前一級(jí)或前幾級(jí)為沖動(dòng)式，后面的即為反動(dòng)

式。

2、汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及用途

汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，主要是通過(guò)噴嘴把熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)

能，通過(guò)動(dòng)葉柵把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。因此，噴嘴一般做成靜

止部分；而動(dòng)葉柵則安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，形成汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子部分。

所以汽輪機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、靜子兩大部分組成。

(1)轉(zhuǎn)子部分

也就是汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，靠固定于汽缸上的前后兩個(gè)軸承

支撐，由主軸、葉輪、葉片組成，并通過(guò)聯(lián)軸器與被驅(qū)動(dòng)機(jī)械

相連。轉(zhuǎn)子作高速旋轉(zhuǎn)，把蒸汽作用到葉片上力矩傳遞給驅(qū)動(dòng)

機(jī)械，達(dá)到對(duì)外做功的目的。

轉(zhuǎn)子的性能要求

為使轉(zhuǎn)子能安全可靠的運(yùn)行，必然滿足下列條件：

A必然有一定的強(qiáng)度，以滿足支持自身重量和傳遞轉(zhuǎn)矩的要

求。

B必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡，以免高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的離心

力引起汽輪機(jī)振動(dòng)和損壞。

C必須使汽輪機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速和運(yùn)行轉(zhuǎn)速避開(kāi)一定距離，以免

產(chǎn)生共振。

D必須安裝平衡盤(pán)、推力盤(pán)和軸套，用以平衡轉(zhuǎn)子的軸向推

力并確定轉(zhuǎn)子在軸向定位。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，一般有正鍛式、套裝式、組合式、焊接式、

轉(zhuǎn)鼓式等。

轉(zhuǎn)子的軸向推力及其平衡

蒸汽在汽輪機(jī)的通流部分膨脹做功時(shí)，轉(zhuǎn)子上受兩部分力，

一部分叫做輪周力，是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩對(duì)外做功的有益力；另一部分

沿葉輪軸向從高壓端指向低壓端，企圖推動(dòng)轉(zhuǎn)子向氣流方向運(yùn)

動(dòng)，所有葉輪軸向力之代數(shù)和，就是整個(gè)轉(zhuǎn)子的軸向推力。轉(zhuǎn)

子的軸向推力一般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推

力軸承承擔(dān)。如果推力過(guò)大，就會(huì)影響軸承壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒

壞軸瓦，引起轉(zhuǎn)子上動(dòng)靜部分碰撞，以致?lián)p壞機(jī)器，因此，在

運(yùn)行中必須嚴(yán)密監(jiān)視轉(zhuǎn)子軸向推力變化，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)，作用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向推力來(lái)源于以下幾種因

素：

a葉輪兩側(cè)的壓力差。

b動(dòng)葉片上的軸向力。

c軸上各處直徑不同引起的受力。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子所受軸向推力很大，高壓汽輪機(jī)（反動(dòng)式）可達(dá)

到幾百噸，為確保機(jī)組的安全運(yùn)行，一般采取下列措施平衡軸

向力。

a使用推力軸承。目的是固定轉(zhuǎn)子在氣缸中的軸向位置，承

受轉(zhuǎn)子上的少部分軸向推力。

b使用平衡活塞或平衡盤(pán)。如圖11所示，在轉(zhuǎn)子通流部分

對(duì)側(cè)，將轉(zhuǎn)子做成階梯形，以產(chǎn)生相反的軸向推力，此階梯凸

臺(tái)就叫平衡活塞。其右側(cè)為高壓蒸汽，左側(cè)與汽室相通，受低

壓蒸汽作用，因而產(chǎn)生向左的軸向力，以平衡部分軸向力。對(duì)

沖動(dòng)式汽輪機(jī)因其總的軸向推力不大，一般將高壓汽封套直徑

做大些，也可以起到類似的作用。

c開(kāi)平衡孔。由于汽輪機(jī)葉片兩側(cè)存在壓力差，在輪盤(pán)上開(kāi)

有貫通兩側(cè)的小孔，即平衡孔，可減少輪盤(pán)上的軸向推力。平

衡孔一般開(kāi)5-7個(gè)奇數(shù)孔，以免在葉輪同一直徑上形成對(duì)稱孔,

影響葉輪強(qiáng)度。另外開(kāi)奇數(shù)孔對(duì)減輕葉輪震動(dòng)也有好處。但此

發(fā)會(huì)使汽輪機(jī)效率有所降低。

d采用相反流向布置。如圖12所示，使蒸汽在高低壓缸或

各區(qū)域內(nèi)流向相反，而產(chǎn)生反方向的軸向推力，以相互抵消而

達(dá)平衡。

（2）靜子部分

即汽輪機(jī)的靜止部分，包括汽缸、前后支承軸承、推力軸承、

噴嘴組、隔板、支撐與滑銷(xiāo)系統(tǒng)、汽封等。

A汽缸（機(jī)殼）

汽缸的作用是支撐轉(zhuǎn)子、容納并通過(guò)蒸汽，將汽輪機(jī)通流部

分（噴嘴、轉(zhuǎn)子、隔板等）與大氣隔開(kāi)，保證蒸汽在機(jī)殼內(nèi)完

成其做功過(guò)程。

在運(yùn)行中，汽缸會(huì)承受蒸汽與大氣壓力差、軸向拉應(yīng)力、部

件重量、振動(dòng)及熱應(yīng)力等多種作用，一般作為薄殼雙層，既要

可靠的固定在機(jī)座上，又要有一定的自由膨脹裕度。

B支撐與滑銷(xiāo)系統(tǒng)

目的是承受汽缸重量，并使汽缸在受熱狀況下按一定方向進(jìn)

行膨脹。

C噴嘴組和隔板

噴嘴作用如前所述，它是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的重要部

件；隔板則使各組葉輪在單獨(dú)的蒸汽室中進(jìn)行，達(dá)到熱能的充

分利用。

D汽封裝置

在汽缸兩端、葉輪和隔板處，為避免動(dòng)靜部件碰撞而留有間

隙。由于這些間隙前后壓力差存在，主軸通過(guò)間隙處必然有漏

氣，從而降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性并造成損失。汽封裝置作用就

是減少漏氣，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

軸端漏氣不但造成部分蒸汽熱能的浪費(fèi)，影響汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)

性，還會(huì)破壞潤(rùn)滑、造成油中帶水、軸承潤(rùn)滑不良等后果。另

外，汽缸后側(cè)漏入空氣，對(duì)排氣溫度和凝汽設(shè)備的真空建立也

有一定危害。

汽輪機(jī)的汽封裝置有多種形式，最常用的是迷宮式汽封，通

過(guò)蒸汽的節(jié)流降低密封齒前后的流動(dòng)壓差和流速，從而減少漏

氣量，達(dá)到密封的目的。

E軸承

按其所起的作用可分為支持軸承(又叫徑向軸承)和推力軸

承。支持軸承的作用是承受徑向力，保持主軸與汽缸中心線一

致，確保轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。推力軸承則用來(lái)承受轉(zhuǎn)子軸向力，

限制轉(zhuǎn)子軸向串動(dòng)，保持轉(zhuǎn)子軸向位置。目前汽輪機(jī)和離心式

壓縮機(jī)絕大多數(shù)采用的是油潤(rùn)滑動(dòng)壓軸承，通過(guò)建立油膜壓力

承受載荷。

3、汽輪機(jī)的功率和效率

(1)汽輪機(jī)的功率

我們知道，汽輪機(jī)的功是熱能轉(zhuǎn)換來(lái)的，而功率則表示單位

時(shí)間的功。在汽輪機(jī)運(yùn)行管理工作中，將接觸到以下幾種功率:

A理想功率

表示不考慮任何損失，蒸汽在汽輪機(jī)中作理想膨脹，單位時(shí)

間內(nèi)將全部熱能都轉(zhuǎn)換為功。

1公斤蒸汽具有的能量可用熱量表示為：

g=io-i排=6111

式中：i—在入口狀態(tài)參數(shù)下的新蒸汽的焙

iL排氣壓力、溫度下的蒸汽的焰

Ht—理想焰降

在理想的情況下，蒸汽能量都轉(zhuǎn)化為機(jī)械功應(yīng)為：

L=427Q=427GHt

在實(shí)際工作中，知道每小時(shí)的重量流量，就可相應(yīng)算出相應(yīng)

的理想功率。

B內(nèi)功率

從理想功率中扣除內(nèi)部損失后得到的功率叫做內(nèi)功率。它表

示汽輪機(jī)通流部分可以發(fā)出的功率。（所謂通流部分就是流經(jīng)

汽輪機(jī)的蒸汽，經(jīng)過(guò)各級(jí)噴嘴和動(dòng)葉柵的流道完成二次能量轉(zhuǎn)

換，這條汽道叫做通流部分）。

C軸功率

從內(nèi)功率中扣除外部損失消耗后的功率，叫做軸功率，它表

示汽輪機(jī)軸端輸出功率，是可以被利用的功率，所以也叫有效

功率。

D汽輪機(jī)的效率

效率是橫向經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，由于汽輪機(jī)實(shí)際工作有各種

損失，所以熱能并不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α?shí)際發(fā)出的功率與理論

上應(yīng)發(fā)出的功率之比，就是汽輪機(jī)的效率，叫做相對(duì)效率。

相對(duì)內(nèi)效率：內(nèi)效率與理想功率之比叫做相對(duì)內(nèi)效率，它說(shuō)

明內(nèi)部損失的大小。

相對(duì)有效效率：汽輪機(jī)的軸功與理想功之比叫做相對(duì)有效效

率。

有效效率表明汽輪機(jī)內(nèi)部及外部損失的大小，表示汽輪機(jī)的

綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，汽輪機(jī)的功率越大，有效功率就越大，有效功

率就越大。實(shí)際工作中還用實(shí)際有效汽耗率表示汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)

性。汽耗率表示單位軸功率所消耗的蒸汽量。

實(shí)際汽輪機(jī)汽耗率是用實(shí)驗(yàn)或計(jì)算的方法求得的。

汽輪機(jī)的機(jī)械效率反映了汽輪機(jī)在機(jī)械方面的工作效能，它

是軸功率和內(nèi)功率之比，一般為0.96-0.995。

第二節(jié)離心式壓縮機(jī)、汽輪機(jī)運(yùn)行有關(guān)概念

一、臨界轉(zhuǎn)速

我們知道，任何一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)都有自己固有的自振頻率，在一

個(gè)初始干擾力作用以后就會(huì)以一種固有的振動(dòng)頻率產(chǎn)生振動(dòng)。如

果一個(gè)周期性的干擾力是自始至終作用在系統(tǒng)上，就會(huì)迫使其作

強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)的頻率等于干擾力的頻率。如果干擾力的頻率恰

好等于系統(tǒng)的自振頻率，那么振動(dòng)將隨時(shí)間的增加而迅速增加，

在無(wú)阻尼的情況下，振幅會(huì)無(wú)限的增加下去，這種現(xiàn)象就是共振。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子就是一個(gè)共振系統(tǒng)，本身有自己的固有自振頻率。在

運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中總會(huì)受到一些干擾力的作用，如氣流力、增速器傳

動(dòng)齒輪的作用力、相鄰汽缸轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)聯(lián)軸節(jié)傳來(lái)的作用力以

及轉(zhuǎn)子本身殘余偏心產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)離心力等，這些力都是周期性

的，并會(huì)以一定的頻率作用在轉(zhuǎn)子上。在這些干擾力中轉(zhuǎn)子殘余

偏心產(chǎn)生的離心力對(duì)橫向振動(dòng)影響最大。這個(gè)離心力與轉(zhuǎn)速的平

方成正比，使轉(zhuǎn)子做橫向強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)。其振動(dòng)頻率恰好等于空。當(dāng)

轉(zhuǎn)子達(dá)到某個(gè)轉(zhuǎn)速，這種強(qiáng)迫振動(dòng)頻率恰好等于轉(zhuǎn)子自振頻率或

是其整數(shù)倍時(shí)，就發(fā)生共振，振幅就隨時(shí)間的增而迅速增加，這

個(gè)轉(zhuǎn)速就是轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速在第一臨界和第二臨界轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子稱為柔性軸，工作

轉(zhuǎn)速低于第一臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子為剛性軸。美國(guó)API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)臨界轉(zhuǎn)

速以及運(yùn)行轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)速之間的隔離裕度有嚴(yán)格的規(guī)定說(shuō)明。

由于在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)振幅很大，工作不穩(wěn)定，所

以如果運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)引起軸和密封損壞及動(dòng)、靜部件相碰等

嚴(yán)重事故。因此不允許轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。

對(duì)柔性軸來(lái)將，開(kāi)車(chē)時(shí)必須迅速越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，這樣才不會(huì)發(fā)生

危險(xiǎn)。

二、旋轉(zhuǎn)脫離、喘振

離心壓縮機(jī)的運(yùn)行有一定的穩(wěn)定工作區(qū)。由于實(shí)際上常在變工

況下運(yùn)行，有時(shí)就會(huì)偏離工作區(qū)運(yùn)行而出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，從而對(duì)機(jī)

器設(shè)備造成危害。比如當(dāng)氣流小于一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離，

此時(shí)工況將是不穩(wěn)定的；如進(jìn)一步減少流量，則會(huì)發(fā)生喘振，這

時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流脈動(dòng)和周期性震蕩；當(dāng)流量增大到一定值

時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)堵塞或滯止工況，這時(shí)流量不可能再增加。由于喘

振在以后大機(jī)組運(yùn)行時(shí)是最重要的，我們將較多地介紹其有關(guān)內(nèi)

容。下面就旋轉(zhuǎn)脫離、喘振分別予以介紹。

1.旋轉(zhuǎn)脫離

離心壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，氣流的流動(dòng)方向與葉片的安裝

角基本一致，無(wú)論是葉輪還是葉片擴(kuò)壓器，氣流均能順利地進(jìn)入

流道，不出現(xiàn)（或略微產(chǎn)生）邊界層分離現(xiàn)象，如圖14所示。

當(dāng)流量增大時(shí)，進(jìn)氣角增大，如圖所示，氣流射向吸力面，在工

作面上將產(chǎn)生氣流邊界層分離現(xiàn)象。由于工作面出口處速度增

加，壓力降低，使邊界層分離現(xiàn)象有些收縮，而不擴(kuò)大，在這種

情況下，工況仍然是穩(wěn)定的。

但當(dāng)流量見(jiàn)效時(shí)，進(jìn)氣角隨之減小，這時(shí)氣流射向壓力面，在

吸力面上將產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象；同時(shí)由于吸力面出口處，速度

降低，壓力增加，存在逆向壓力差，從而使分離區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，

如圖所示。當(dāng)流量小于一定值時(shí)，分離區(qū)會(huì)很快擴(kuò)大，甚至充滿

某幾個(gè)葉道，這時(shí)局部流通面積堵塞，氣流不能順利流過(guò)葉道，

甚至局部出現(xiàn)倒流，工況將出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱作失速。

設(shè)計(jì)工況（b）小流:S工況（c）大流量工況

圖14變工況時(shí)流道中的分離現(xiàn)象

由于氣流的不均勻性以及葉片幾何參數(shù)不可能完全相同（由于

葉片型線加工情況和安裝情況不可能完全相同），當(dāng)流量小到一

定值時(shí)，葉道中氣流邊界層的分離不可能在所有葉片表面上一下

子同時(shí)發(fā)生，而總是在一個(gè)或幾個(gè)葉片上首先發(fā)生，形成了一個(gè)

或幾個(gè)脫離團(tuán)。如圖15所示，假定葉道II最先產(chǎn)生脫離團(tuán)，因

而流入該葉道的氣流受到阻礙，因而相鄰葉道偏轉(zhuǎn)，使流如葉道

I的氣流角增大，流向葉道III的氣流角減少，于是解除了葉道I

內(nèi)的氣流脫離，而使葉道HI內(nèi)出現(xiàn)脫離團(tuán)。流入葉道HI的氣流中

又將發(fā)生偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)的氣流不斷使它前面的葉道解除脫離，而使

后面的葉道形成脫離，出現(xiàn)脫離團(tuán)的傳播。脫離團(tuán)相對(duì)葉輪來(lái)說(shuō),

是和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，但由于旋轉(zhuǎn)移動(dòng)速度小

于葉輪旋轉(zhuǎn)速度，所以在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中，分離團(tuán)移動(dòng)方向與葉輪旋

轉(zhuǎn)方向相同，這種現(xiàn)象稱作“旋轉(zhuǎn)脫離二

擴(kuò)壓器中也同樣存在旋轉(zhuǎn)脫離。帶葉片擴(kuò)壓器的壓縮機(jī)，一般

是在葉片擴(kuò)壓器中最先發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離，如果是無(wú)葉擴(kuò)壓器，則在

工作葉輪中先出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫離。

旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象的出現(xiàn)，使級(jí)進(jìn)出口壓力、流量等參數(shù)產(chǎn)生強(qiáng)烈

脈動(dòng)，且對(duì)葉片產(chǎn)生了周期性的交變作用力，導(dǎo)致葉片振動(dòng)。

2、喘振

(1)喘振的概念

喘振是離心式壓縮機(jī)本身固有的特性，而造成喘振的唯一直接

原因是進(jìn)氣量減小到一定值。

從前面我們已經(jīng)知道，當(dāng)氣量減小到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)

脫離，如這時(shí)進(jìn)一步減小流量，在葉片背面將形成很大的渦流區(qū)

域，氣流分離層擴(kuò)及整個(gè)通道，以至充滿整個(gè)葉道，而把流道阻

塞，氣流不能順利的流過(guò)，這時(shí)流動(dòng)嚴(yán)重惡化，壓縮機(jī)的出口壓

力會(huì)突然大大下降，由于壓縮機(jī)總是和管網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合工作，這時(shí)

管網(wǎng)中的壓力不會(huì)馬上減低，于是管網(wǎng)中的氣體壓力就發(fā)大于壓

縮機(jī)的出口處的壓力，因而管網(wǎng)中的氣體就倒流向壓縮機(jī)，一直

到管網(wǎng)中的壓力下降到低于壓縮機(jī)的出口壓力為止，這時(shí)倒流停

止，壓縮機(jī)又開(kāi)始向管網(wǎng)供氣，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的流量又增大，壓縮

機(jī)又恢復(fù)到正常工作。但當(dāng)管網(wǎng)中的壓力恢復(fù)到原來(lái)壓力時(shí)，壓

縮機(jī)的流量又減少，系統(tǒng)中的氣流又產(chǎn)生倒流，如此周而復(fù)始，

就在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就稱作

“喘振”。

喘振現(xiàn)象不但和壓縮機(jī)中嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離有關(guān)，還和管網(wǎng)系統(tǒng)

有關(guān)。管網(wǎng)的容量越大，則喘振的振幅越大，頻率越低。喘振的

頻率大致和管網(wǎng)容量的平方跟成反比。

⑵喘振的現(xiàn)象及判斷

機(jī)組喘振時(shí)，壓縮機(jī)和其后的管道系統(tǒng)之間產(chǎn)生了一種低頻高

振幅的壓力波動(dòng)，整個(gè)機(jī)組發(fā)生強(qiáng)力的振動(dòng)，發(fā)出嚴(yán)重的噪音，

調(diào)節(jié)系統(tǒng)也大幅度的波動(dòng)。一般根據(jù)下列方法判斷是否進(jìn)入喘振

工況。

A監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)出口管道氣流噪音。正常工況時(shí)出口的聲音是連

續(xù)且較低的，而接近喘振時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的氣流產(chǎn)生周期性的振蕩,

因而在出口管道處聲音是周期性的變化，喘振時(shí)，噪音加劇，甚

至有爆音出現(xiàn)。

B觀測(cè)壓縮機(jī)流量及出口壓力的變化。離心式壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行

時(shí)其出口壓力和進(jìn)口流量變化是不大的，是脈動(dòng)的：當(dāng)接近或進(jìn)

入喘振工況時(shí)，二者的變化很大，發(fā)生周期性大幅度的脈動(dòng)。

C觀測(cè)機(jī)體和軸振動(dòng)情況。當(dāng)接近或進(jìn)入喘振工況時(shí)，機(jī)體和

軸振動(dòng)都發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)變化，其振幅要比平常運(yùn)行時(shí)大大增

加。

(3)喘振的危害

喘振是離心式壓縮機(jī)性能反常的一種不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)生喘

振時(shí)，表現(xiàn)為整個(gè)機(jī)組管網(wǎng)系統(tǒng)氣流周期性的振蕩。不但會(huì)使壓

縮機(jī)的性能顯著惡化、氣流參數(shù)(壓力、流量)產(chǎn)生大幅度脈動(dòng)、

大大加劇了整個(gè)壓縮機(jī)的振動(dòng)，還會(huì)使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子及定子元件

經(jīng)受交變動(dòng)應(yīng)力，級(jí)見(jiàn)壓力失調(diào)引起強(qiáng)烈的振動(dòng)，使密封及軸承

損壞，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)子及定子元件相碰、壓送氣體外泄、引起爆炸

等惡性時(shí)間，因此在操作中必須避免在喘振工況下運(yùn)行。

⑷喘振的基本原因

實(shí)際運(yùn)行中引起壓縮機(jī)喘振的原因很多，但基本原因上不外乎

下述兩種：第一種：實(shí)際運(yùn)行流量小于喘振流量，諸如生產(chǎn)減量

過(guò)多、吸入氣源不足、入口過(guò)濾器堵塞、管道阻力大、葉輪通道

或氣流通道堵塞等。

第二種：壓縮機(jī)的出口壓力低于管網(wǎng)壓力。諸如管網(wǎng)阻力增大、

進(jìn)氣壓力過(guò)低、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化等。壓縮機(jī)的出口壓力低于管網(wǎng)

壓力，就會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)向小流量區(qū)域移動(dòng)，從而進(jìn)

入喘振工況。這與前面提高的“造成喘振的唯一直接原因是進(jìn)氣

減小到一定值”并不矛盾。

⑸喘振曲線和防喘振曲線

由于對(duì)每一轉(zhuǎn)速，壓縮機(jī)都有對(duì)應(yīng)的喘振流量，小于喘振流量,

壓縮機(jī)即發(fā)生喘振，我們將各轉(zhuǎn)速下所發(fā)生的喘振的點(diǎn)連接起來(lái)

（特性曲線上的喘振點(diǎn)連接起來(lái)），即可以得到一曲線，即為壓

縮機(jī)的喘振曲線，如圖16所示。

因此，千萬(wàn)不要讓壓縮機(jī)在圖示的喘振區(qū)內(nèi)運(yùn)行。這將通過(guò)防

喘振控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。后面介紹。

喘振曲線通常呈拋物線形，而考慮了防喘振裕度后，就可以在

其右邊畫(huà)出一條與喟振曲線相近的一條線，這就是保護(hù)曲線。保

護(hù)曲線沒(méi)有必要與此同時(shí)振曲線完全相似，或由喘振曲線平移

來(lái)獲得，而只要能保證壓縮機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)有合適的裕并即

可。這就使得防喘振控制系統(tǒng)儀表的配置和選用變得極為簡(jiǎn)單，

并更具合理性。

在某一轉(zhuǎn)速下，壓縮機(jī)的實(shí)際流量與該轉(zhuǎn)速下的喘振流量

之比叫喘振裕度。裕度太大，則功率耗量增加，經(jīng)濟(jì)性差，太汪

則離喘振點(diǎn)太近，安全性差。一般防喘振裕度在110%—125%左

右，在決定裕度大小時(shí)，還應(yīng)把調(diào)節(jié)儀表的誤差因素考慮進(jìn)去。

三、離心式壓縮機(jī)的性能曲線、壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作

1.離心式壓縮機(jī)的性能曲線

壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)工況不斷變化，壓縮機(jī)必須改變流量、壓力

等參數(shù)以滿足要求。在一定轉(zhuǎn)速下，把不同流量時(shí)的排氣壓

力（或壓力比）、功率和效率用曲線表示出來(lái)，這些曲線就

稱壓縮機(jī)的性能曲線。圖17所示的是壓縮機(jī)性能曲線示意

圖，該圖表示的僅為某一轉(zhuǎn)速下的壓縮機(jī)性能曲線。在不同

的轉(zhuǎn)速時(shí)，可以得到不同的性能曲線，如下圖18所示。

性能曲線的特點(diǎn):

A每個(gè)轉(zhuǎn)速下都有一條對(duì)應(yīng)的性能曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，流

量增加，出口壓力減少；流量減少，出口壓力增加。流量一

定，轉(zhuǎn)速越高，排氣壓力越高；轉(zhuǎn)速增加，性能曲線向右上

方移動(dòng)。

B隨著轉(zhuǎn)速增加，性能曲線變得越來(lái)越陡。

C有最大和最小流量限制。

2.壓縮機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)

我們知道壓縮機(jī)在流量上有最大和最小流量限制；壓力方面

有最大壓力限制；轉(zhuǎn)速方面有最大轉(zhuǎn)速限制；一般壓縮機(jī)允許短

期超速到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的105—110%撓性轉(zhuǎn)子必須越過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)

速。因此，壓縮機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)就是有最大壓力限、最大流量限和

防喘振邊界線（防護(hù)曲線）以及最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速所圍成的工況運(yùn)行

區(qū)，,如圖19所示。

進(jìn)汽流量

圖19,壓縮機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)

3.離心式壓縮機(jī)管網(wǎng)系統(tǒng)

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)并不是總在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作，這是由于壓縮

機(jī)總是和管網(wǎng)系統(tǒng)一起聯(lián)合工作的，管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)及外界條件

是可能變化的，這就要求壓縮機(jī)適應(yīng)管網(wǎng)特性的要求，改變自己

的參數(shù)。下面首先介紹管網(wǎng)系統(tǒng)。

所謂管網(wǎng)系統(tǒng)是指壓縮機(jī)后面壓縮氣體所需經(jīng)過(guò)的全部裝

置的總稱，如化工用的壓縮機(jī)就和化工設(shè)備的各種管道與容器連

接工作。這些損失主要是沿管道的速度損失與局部阻力之和。

每一種管網(wǎng)系統(tǒng)都有自己的性能曲線，它是指通過(guò)管網(wǎng)的氣

體與保證這個(gè)流量通過(guò)管網(wǎng)所需的壓力之間的關(guān)系曲線，即p=f

(Q)o由連接管道和壓力容器組成的管網(wǎng)，它的管網(wǎng)特性曲線可

近似用下式表示：

P=Pr+AQ2

Pr、A、Q、P分別為容器中的壓力、管網(wǎng)的容積流量、管

網(wǎng)的阻力系數(shù)和管網(wǎng)的入口壓力(等于壓縮機(jī)的排氣壓力)。上

式表明，管網(wǎng)阻力是由容器壓力和管道阻力兩部分組成。如果接

管很短，容器壓力高，則管網(wǎng)阻力主要由容器壓力確定，管網(wǎng)入

口壓力P=Pr為一水平線：如果無(wú)壓力容器，壓縮氣體通過(guò)管道

和閥門(mén)又排往大氣，壓力下降到大氣壓力Pa則上式變?yōu)椋?/p>

P=Pa+AQ2

4.離心壓縮機(jī)與管網(wǎng)的聯(lián)合運(yùn)行

如果將壓縮機(jī)性能曲線與管網(wǎng)性能曲線按同樣比例畫(huà)在一

起，則兩個(gè)性能曲線的焦點(diǎn)恰好滿足二者平衡條件，即穩(wěn)定運(yùn)行

點(diǎn)，亦即壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)，如圖20所示。則時(shí)通過(guò)壓

縮機(jī)的流量與管網(wǎng)流量相等，壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力也正好等于管網(wǎng)

的阻力，整個(gè)系統(tǒng)保持平衡。

如果調(diào)整管網(wǎng)閥門(mén)的壓開(kāi)度，則改變了管道阻力系數(shù)A,管

網(wǎng)性能曲線便移動(dòng)；如果閥門(mén)關(guān)小，A增加，曲線向上移動(dòng)。調(diào)

整閥門(mén)開(kāi)度，移動(dòng)管網(wǎng)特性曲線，使壓縮機(jī)和管網(wǎng)的聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)

改變，進(jìn)而使流量和壓力發(fā)生變化。管網(wǎng)曲線向上不斷移動(dòng)時(shí)，

流量不斷減少，減少到一定的程度時(shí)，即發(fā)生喘振。

壓縮機(jī)和管網(wǎng)聯(lián)合工作，在管網(wǎng)中儲(chǔ)存一定量氣體，因此當(dāng)

壓縮機(jī)出口壓力突然下降時(shí)，管網(wǎng)中壓力會(huì)大于壓縮機(jī)出口壓

力，氣流會(huì)從管網(wǎng)流向壓縮機(jī)，很容易造成喘振。

第四節(jié)離心式壓縮機(jī)組輔助系統(tǒng)

離心式壓縮機(jī)組的運(yùn)行只有離心式壓縮機(jī)及汽輪機(jī)本體是

不夠的，必須還有一些輔助系統(tǒng)。這些輔助系統(tǒng)主要有：壓縮機(jī)

的段間冷卻系統(tǒng)、汽輪機(jī)的蒸汽系統(tǒng)、機(jī)組油系統(tǒng)、壓縮機(jī)密封

系統(tǒng)、機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)及保護(hù)系統(tǒng)、壓縮機(jī)房喘振系統(tǒng)等。機(jī)組運(yùn)

行中發(fā)生的一些事故很多就是由于輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作維護(hù)

不當(dāng)引起的。下面就對(duì)這些系統(tǒng)作一簡(jiǎn)介。

一、壓縮機(jī)的段間冷卻系統(tǒng)

我們知道，等溫壓縮所消耗的功最小。為降低能耗使實(shí)際的壓

縮過(guò)程接近等溫壓縮，常把氣體從壓縮機(jī)中引出來(lái)進(jìn)行冷卻，冷

卻到一定的溫度后再送回壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮。對(duì)壓縮比較大的壓縮

機(jī)尤其如此，這就設(shè)置了中間冷卻器。確定具體壓縮機(jī)的冷卻次

數(shù)應(yīng)考慮到省功、被壓縮介質(zhì)的特性、以及用戶的具體使用條件

等因素。

二、汽輪機(jī)的凝汽系統(tǒng)

三、1.凝汽系統(tǒng)的作用和組成

凝汽系統(tǒng)的作用是建立和維持給定有利的排氣壓力，增大蒸

氣的可用焰降，并將排除蒸汽凝結(jié)成水，作為鍋爐給水循環(huán)

利用。蒸汽系統(tǒng)一般由表面凝汽器、循環(huán)水回路、凝結(jié)水泵

和抽氣器等組成。凝汽系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如21所示。

2.抽氣器作用：時(shí)將蒸汽中帶入的空氣或由于處在真空系統(tǒng)下

工作的設(shè)備及其工作管線、法蘭等處結(jié)合不嚴(yán)密而漏入的空

氣從凝汽器中抽出，以維持凝汽器的經(jīng)濟(jì)真空。當(dāng)然處抽氣

器外，還有抽汽冷卻器。其作用是將抽氣器抽出的蒸汽與空

氣混合物中的蒸汽凝結(jié)成水，回收利用。

三、機(jī)組油系統(tǒng)

1.概述：

機(jī)組油系統(tǒng)包括油箱、油泵、管路和閥門(mén)、冷卻器、過(guò)濾

器等。油系統(tǒng)對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑、驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷卻軸承和保證

聯(lián)鎖裝置的可靠動(dòng)作等起著十分重要的作用，是機(jī)組安全運(yùn)

行的保障。供油系統(tǒng)如果不正常，機(jī)組就不能啟動(dòng)，如果出

現(xiàn)故障，就會(huì)造成壓縮機(jī)組停車(chē)。

2.任務(wù)和作用

油系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)行中擔(dān)負(fù)著兩個(gè)任務(wù)：一是向壓縮機(jī)、汽

輪機(jī)軸承及齒輪相等部位提供潤(rùn)滑油；二是向汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系

統(tǒng)提供調(diào)節(jié)油。此外，對(duì)于采用油膜浮環(huán)密封的壓縮機(jī)還提

供密封油。

潤(rùn)滑油的主要作用：一是其潤(rùn)滑支撐作用，潤(rùn)滑油形成的油

膜附著機(jī)器的摩擦付的潤(rùn)滑間隙中，支承轉(zhuǎn)子并潤(rùn)滑，使其

不至于發(fā)生干摩擦，從而大大減小摩擦力。二使其冷卻作用，

潤(rùn)滑油；連續(xù)不斷流入流出，可以把零件由于相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)

生的熱量帶出壓縮機(jī)軸承，以防軸承及機(jī)部件因溫度過(guò)高而

發(fā)生“咬合”。

采用油膜浮環(huán)密封的壓縮機(jī)的密封油的作用是通過(guò)壓力油注

入軸與浮環(huán)之間的間隙內(nèi)，達(dá)到用油密封高壓氣體的目的。

調(diào)節(jié)油的主要作用是供給調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)油，

同時(shí)供給信號(hào)放大機(jī)構(gòu)用的動(dòng)力油。油系統(tǒng)設(shè)置蓄壓器的作

用是保證油泵在切換過(guò)程中的油壓穩(wěn)定，以免油壓波動(dòng)引起

連鎖跳車(chē)。蓄壓器中有一氮?dú)饽?，?dāng)油壓降低時(shí)，氣囊擴(kuò)張,

將蓄壓器中的油壓出，維持總管油壓，以免油壓波動(dòng)大引起

聯(lián)鎖跳車(chē)。

四、防喘振控制系統(tǒng)

離心式壓縮機(jī)常用的防喘振控制系統(tǒng)方案有兩種：

1.單參數(shù)防喘振控制

單參數(shù)防喘振控制系統(tǒng)的原理是使壓縮機(jī)的負(fù)荷永遠(yuǎn)高于

某一固定流量，如圖22所示。

該固定流量通常是最高轉(zhuǎn)速下的特性曲線上喘振點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的

流量。這樣，壓縮機(jī)無(wú)論在哪一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，只要能滿足負(fù)

荷不低于Qmax（考慮到控制系統(tǒng)的超調(diào)和安全，一般來(lái)說(shuō)控

制點(diǎn)須大于Qmax的5%—8%,見(jiàn)圖中Qmax）,就能防止

喘振的發(fā)生。單參數(shù)防喘振控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，實(shí)施

比較方便，尤其對(duì)于經(jīng)常處于高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行的機(jī)組來(lái)說(shuō)，

這種控制方式適用的。但是在機(jī)組負(fù)荷變化比較大的情況下,

特別當(dāng)機(jī)組在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，從節(jié)能的角度來(lái)看，往往有很

大一部分氣體被回流和放空，這樣就造成了浪費(fèi)，所以說(shuō)這

種情況下該控制方式又不太適宜。圖22是單參數(shù)防喘振系統(tǒng)

原理圖。FY是開(kāi)方器，壓縮機(jī)入口流量Q入經(jīng)孔板FE、差

壓變送器FT及開(kāi)方器FY后，輸出一個(gè)與入口流量成一定比

例的信號(hào)作為調(diào)節(jié)器FC的輸入信號(hào),FC的給定值為Qimax。

正常操作時(shí)，Q入〉Q^max,調(diào)節(jié)器存在正偏差，F(xiàn)CV關(guān)閉。

當(dāng)壓縮機(jī)的負(fù)荷降低而使Q入＜Q^max時(shí)，調(diào)節(jié)閥打開(kāi)時(shí)部

分氣體回流或放空，以維持打氣量大于或等于Qimax。這樣

就保證了壓縮機(jī)安全運(yùn)行，也就防止了喘振的發(fā)生。

2.雙參數(shù)防喘振控制

若機(jī)組的負(fù)荷變化較大，為節(jié)約能量一般采用雙參數(shù)防喘

振控制。其原理是以與喘振線有一定距離的一條曲線為控制

線。這樣在任何轉(zhuǎn)速下都會(huì)有一個(gè)不同的流量來(lái)控制壓縮機(jī),

也就克服了單參數(shù)防喘振控制的缺點(diǎn)。圖23是不同轉(zhuǎn)速下壓

縮機(jī)工作特性曲線與控制曲線的關(guān)系圖。

在實(shí)際情況下，如果工藝生產(chǎn)過(guò)程中當(dāng)工藝負(fù)荷變化不大時(shí),

壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化也不會(huì)大。此時(shí)控制線就可以用一條直線

來(lái)代替拋物線（見(jiàn)圖中的C線）。這種方法能夠滿足要求，且

能使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。

防喘振控制系統(tǒng)的組成元件包括變送器、設(shè)定器、運(yùn)算器、

調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥等。變送器感受壓力、流量參數(shù)的大小及變

化后經(jīng)運(yùn)算，把控制縣方程兩邊的計(jì)算結(jié)果輸入調(diào)節(jié)器進(jìn)行

比較，最后控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作達(dá)到防喘振目的。

在手動(dòng)操作時(shí)壓縮機(jī)應(yīng)嚴(yán)格遵守：

開(kāi)車(chē)時(shí)，必須根據(jù)壓縮機(jī)的性能曲線，遵循“先升速后升壓”

的原則；停車(chē)時(shí)則相反，應(yīng)“先降壓后降速”。具有分段防喘

振控制系統(tǒng)的機(jī)組，在實(shí)際手動(dòng)操作防喘振閥時(shí)，必須交替

進(jìn)行，不可顧此失彼，這些必須注意。

五、汽輪機(jī)調(diào)速調(diào)壓和保安系統(tǒng)

大型化工廠汽輪機(jī)的調(diào)速調(diào)壓系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的

轉(zhuǎn)速和抽汽壓力'背壓維持在設(shè)定值上，機(jī)組的保安系統(tǒng)在

機(jī)組超速、軸向位移大、振動(dòng)大、油壓過(guò)低等異常情況出現(xiàn)

時(shí)能使機(jī)組得到保護(hù)。

六、密封系統(tǒng)

由于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)而另一個(gè)固定不

動(dòng)，兩者之間必定具有一定的間隙，因此就一定會(huì)有氣體在

機(jī)器內(nèi)由一個(gè)部位泄漏到另一個(gè)部位，同時(shí)還向機(jī)器外界進(jìn)

行泄漏。為了減少或防止氣體的這些泄漏，需要采用密封裝

置。防止機(jī)器內(nèi)部通流部分各空腔之間泄漏的密封叫內(nèi)部密

封；防止或減少氣體由機(jī)器內(nèi)部向外界泄漏的或由外界向機(jī)

器內(nèi)部泄漏的密封，叫外部密封或軸端密封。內(nèi)部密封如輪

蓋、定距套和平衡盤(pán)上的密封，一般做成迷宮型。對(duì)于外部

密封來(lái)說(shuō)，如果壓縮的氣體有毒或易燃易爆，例如氨氣、甲

烷、丙烷、石油氣、氫氣等等，不允許漏至機(jī)外，必須采用

液體密封、機(jī)械接觸式密封、干氣密封等等；當(dāng)壓縮的氣體

無(wú)毒，例如空氣、氮?dú)獾鹊?，允許有少量氣體泄漏，亦可以

采用迷宮密封等。

1、迷宮密封：

為說(shuō)明此密封原理，下面對(duì)氣體通過(guò)密封的流動(dòng)情況進(jìn)行介

紹，如圖24所示。

前后氣體有一定的壓差，氣體從高壓端流向低壓端，當(dāng)通過(guò)

密封齒和軸的間隙時(shí)，氣流速度加快，氣體壓強(qiáng)和溫度都要降低。

從間隙流入到下一個(gè)齒間空腔時(shí)，由于面積突然地?cái)U(kuò)大，形成強(qiáng)

烈的漩渦，在容積比間隙容積大很多的空腔中氣流速度幾乎等于

零，動(dòng)能由于旋渦全部變?yōu)闊崃?，加熱氣體本身，因而氣體溫度

又從流經(jīng)間隙時(shí)的溫度回升到流經(jīng)間隙前的溫度，但空腔中的壓

強(qiáng)卻回升很少，可認(rèn)為保持流經(jīng)間隙時(shí)的壓強(qiáng)不變。氣體再?gòu)倪@

個(gè)空間流經(jīng)下一個(gè)密封齒和軸之間的間隙，又進(jìn)入再下一個(gè)齒間

空腔，重復(fù)上述過(guò)程，如此流經(jīng)一個(gè)個(gè)齒，最后從整個(gè)密封流出。

氣體每從一個(gè)大的齒間空腔流經(jīng)一個(gè)小的齒與軸間的間隙，再流

入另一個(gè)大的齒間空腔，壓強(qiáng)就降低一次，而且隨著流動(dòng)氣體比

容不斷增加，通過(guò)間隙的速度不斷加快，因而壓強(qiáng)降低得越多，

如圖25所示。

安裝密封體時(shí)，要檢查與軸的對(duì)中情況，存在偏心會(huì)引起漏

氣量大大增加，為了保護(hù)利用上述現(xiàn)象可起到密封和減少泄漏量

的作用。一方面是因?yàn)樵O(shè)置密封裝置可使密封齒和軸的間隙比不

設(shè)密封齒時(shí)的間隙減少很多，減少了流通面積；另一方面由于節(jié)

流使每個(gè)齒前后壓差遠(yuǎn)比整個(gè)密封裝置前后壓差小。壓差和通流

面積減少都使漏氣量減少。

軸應(yīng)注意密封片的材料選擇，一般選用比軸軟的材料。

2、干氣密封

此密封技術(shù)源于七十年代初，七十年代末已進(jìn)入商用階段。

但運(yùn)用到我國(guó)的壓縮機(jī)上卻比較晚。

原有的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)高壓缸軸端密封就采用的是干氣密

封，使用效果很好，操作維修也方便。

典型的干氣密封如上圖26所示，是由傳統(tǒng)的機(jī)械密封變形改

進(jìn)而來(lái)的，它與機(jī)械密封有些相似，也是由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成,

動(dòng)環(huán)固定在壓縮機(jī)軸上，與軸一起旋轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)機(jī)械密封不

同的是干氣密封的動(dòng)環(huán)密封面上有一系列的螺旋槽，如圖上

所示。

動(dòng)環(huán)材質(zhì)為碳化鴇（較硬），靜環(huán)為碳環(huán)（較軟），這樣的設(shè)

計(jì)選材有利于干氣密封的最佳運(yùn)行及簡(jiǎn)便維修。

流體的密封是在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間的徑向結(jié)合面間進(jìn)行的，靜

止時(shí)密封表面高平面度地貼合在一起。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體由外向螺旋槽根部運(yùn)動(dòng)時(shí)增壓，該處構(gòu)成了

密封壩。氣流所受離心力和密封壩對(duì)流體的流動(dòng)提供阻滯力,

提高了氣體壓力。所產(chǎn)生壓力作用于動(dòng)靜環(huán)密封面并使其分

開(kāi)；閉合力FC等于系統(tǒng)壓力加上很小的彈簧力，分開(kāi)力FO

等于系統(tǒng)壓力降低加上螺旋槽產(chǎn)生的壓力。平衡狀態(tài)時(shí)，對(duì)

于常見(jiàn)流體，分開(kāi)的動(dòng)、靜環(huán)密封面間間隙為3微米左右。

當(dāng)FC=FO時(shí)，間隙就穩(wěn)定下來(lái)，平衡狀態(tài)時(shí)的受力圖如圖

27、28、29所示。

如果由于某種干擾，使得密封間隙減少，螺旋槽產(chǎn)生的分開(kāi)

力將大大增加，這又使平衡恢復(fù)，如圖所示；同樣當(dāng)由于某

種干擾，使密封間隙增大時(shí)，螺旋槽產(chǎn)生的分開(kāi)力將大大縮

小，密封也同樣很快恢復(fù)平衡狀態(tài)。

干氣密封允許轉(zhuǎn)子有較大的振動(dòng)，并且運(yùn)行維護(hù)大大簡(jiǎn)化,

是目前最流行的密封。

干氣密封需要干燥干凈的緩沖氣，這對(duì)于干氣密封保持最佳

性能和延長(zhǎng)壽命很重要，因此壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就

要考慮這些要求，比如有過(guò)濾器，緩沖氣一般從壓縮機(jī)排出

管線抽出或來(lái)自外部供給氣體；此外干氣密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還

要在干氣密封和軸承區(qū)域之間注入隔離氣（一般為氮?dú)猓┮?/p>

防止泄漏氣體進(jìn)入軸承區(qū)域。

根據(jù)壓縮機(jī)的工藝介質(zhì)、壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力及現(xiàn)場(chǎng)條件，壓

縮機(jī)軸端用干氣密封一般可選用諸如單端面干氣密封、雙端

面干氣密封、串聯(lián)式干氣密封以及帶中間進(jìn)氣的串聯(lián)式干氣

密封等形式。單端面干氣密封適用于少量工藝氣泄漏到大氣

中無(wú)危害的工況；雙端面干氣密封適用于不允許工藝氣泄漏

到大氣中，但允許阻封氣（通常是氮?dú)猓┻M(jìn)入機(jī)內(nèi)的工況；

串聯(lián)式干氣密封也適用于允許少量工藝氣泄漏到大氣中的工

況，但第二級(jí)干氣密封主要是作為安全備用密封，該級(jí)正常

運(yùn)行時(shí)不承受或承受很小的差壓；帶中間進(jìn)氣的串聯(lián)式干氣

密封適用于既不允許工藝氣泄漏到大氣中，也不允許非工藝

氣進(jìn)入機(jī)內(nèi)的工況，且第二級(jí)干氣密封也起安全備用密封的

作用。

我們現(xiàn)在的循環(huán)氣壓縮機(jī)和氨壓縮機(jī)軸端密封就采用了串聯(lián)

式干氣密封（干氣密封為國(guó)內(nèi)制造），而且氨壓縮機(jī)低壓缸軸

端干氣密封第一級(jí)還是雙端面干氣密封。

第五節(jié)離心式壓縮機(jī)工況調(diào)節(jié)的幾種方法

一、概述

壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的壓力、流量是不斷的變化的，這

就要求壓縮機(jī)的流量、壓力也要隨著變化，也即要不斷的改

變壓縮機(jī)的運(yùn)行工況。改變壓縮機(jī)工況的方法就叫調(diào)節(jié)。由

于壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)是由壓縮機(jī)本身性能曲線和管網(wǎng)性能曲

線共同決定的，所以改變運(yùn)行工況既可以采用改變壓縮機(jī)性

能曲線也可以采用改變管網(wǎng)性能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

二、幾種調(diào)節(jié)方法介紹

壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方法有：壓縮機(jī)出口節(jié)流調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)

流調(diào)節(jié)、改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)口導(dǎo)葉、采用可

轉(zhuǎn)動(dòng)的擴(kuò)壓器導(dǎo)葉調(diào)節(jié)等方法，下面就逐一介紹。

1.壓縮機(jī)出口節(jié)流調(diào)節(jié)

這種調(diào)節(jié)方法是通過(guò)開(kāi)大或關(guān)小壓縮機(jī)出口閥門(mén)的開(kāi)度實(shí)

現(xiàn)的，實(shí)際上也就是通過(guò)改變管網(wǎng)性能曲線實(shí)現(xiàn)工況點(diǎn)轉(zhuǎn)移

的。

如下圖所示，假設(shè)壓縮機(jī)的出口氣體被送往一恒壓容器，容

器內(nèi)壓力始終為Pr。在不考慮壓縮機(jī)出口與容器之間連接管

道阻力的理想情況下，壓縮機(jī)應(yīng)穩(wěn)定在S點(diǎn)的工況下運(yùn)行。

而實(shí)際情況是出口閥門(mén)和管道阻力是存在的，在考慮了出口

管道的性能曲線的情況下，壓縮機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)實(shí)際上是在

S,點(diǎn)。此時(shí)若再關(guān)小壓縮機(jī)出口閥，則管網(wǎng)性能曲線就變得

更陡，實(shí)際上工況點(diǎn)上移至1處，反之若開(kāi)大出口閥，則管

網(wǎng)性能曲線趨于平坦，壓縮機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)又下移至2處。

顯然這種出口節(jié)流法會(huì)帶來(lái)節(jié)流損失。當(dāng)調(diào)節(jié)量比較大時(shí)，

閥門(mén)的這個(gè)附加損失也是相當(dāng)大的，這種方法很不經(jīng)濟(jì)，而

且喘振限沒(méi)有改變，一般很少用。

2.壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)

這種調(diào)節(jié)是將調(diào)節(jié)閥門(mén)安裝在進(jìn)氣管線上，通過(guò)改變閥

門(mén)開(kāi)度的大小，就可以改變壓縮機(jī)的性能曲線，從而達(dá)到調(diào)

節(jié)目的。這種方法實(shí)際上是通過(guò)改變實(shí)際壓縮機(jī)進(jìn)口壓力而

改變壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的。如上圖30所示。

在下圖31曲線上1為調(diào)節(jié)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的壓縮機(jī)性能曲線，這

時(shí)Pin=Po。調(diào)節(jié)時(shí)關(guān)小閥門(mén)即經(jīng)過(guò)節(jié)流Pin〈Pa。在固定閥門(mén)

開(kāi)度情況下，Pin的大小是隨流量的大小而變化的，流量增加,

閥門(mén)的損失也就增加，Pin就愈低。若壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變，壓縮

機(jī)進(jìn)口壓力下降，則出口壓力也下降，于是進(jìn)口節(jié)流后的壓縮

機(jī)的性能曲線就往右下方移動(dòng)。通過(guò)改變進(jìn)氣節(jié)流閥開(kāi)度，就

可以相應(yīng)地改變壓縮機(jī)性能曲線位置，正是利用這一點(diǎn)來(lái)進(jìn)行

調(diào)節(jié)的。

進(jìn)口節(jié)流比出口節(jié)流的經(jīng)濟(jì)性好，因?yàn)楣?jié)流后喘振流量向

小流量方向移動(dòng)，使壓縮機(jī)能在較小的流量下工作，擴(kuò)大了穩(wěn)

定運(yùn)行范圍。但采用進(jìn)口節(jié)流閥仍帶來(lái)一定的節(jié)流損失，此外

節(jié)流時(shí)要注意使閥門(mén)后的氣流保持均勻，以免影響到壓縮機(jī)的

工作而降低效率?？辗盅b置的增壓機(jī)就采用這種調(diào)節(jié)方式。

3.改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

我們知道，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)其性能曲線也跟著改

變，所以可用改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的方法改變工況點(diǎn)來(lái)滿足

用戶的要求。變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)并不引起其它附加損失，只是

調(diào)節(jié)后新的工作點(diǎn)不一定是效率最高點(diǎn)，而是效率有所

下降。這種調(diào)節(jié)方法不要求機(jī)器中裝備調(diào)節(jié)用的可動(dòng)部

件，因此壓縮機(jī)本身的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單，制造方便，加之

目前大型壓縮機(jī)大都采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，這樣就可以方

便的滿足改變轉(zhuǎn)速的要求。氨壓縮機(jī)就采用這種調(diào)節(jié)方

式。

4.采用可轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)（進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)）

這是一種改變?nèi)~輪前進(jìn)口導(dǎo)葉的角度，使氣產(chǎn)生預(yù)旋

轉(zhuǎn)進(jìn)而改變壓縮機(jī)性能曲線的調(diào)節(jié)方法。進(jìn)口導(dǎo)葉可繞本身的軸

轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)后使進(jìn)口氣流產(chǎn)省與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致的旋繞，稱為

正旋繞，反之稱為負(fù)旋繞。當(dāng)進(jìn)口由正旋繞變成負(fù)旋繞時(shí)，這個(gè)

壓縮機(jī)的性能曲線有向大流量區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，而且在同一流量上

的能量頭有明顯的增加，能量頭曲線變得愈來(lái)愈平坦，喘振流量

值有所增大，見(jiàn)圖33所示。對(duì)強(qiáng)后彎葉輪的離心式壓縮機(jī)，這

種調(diào)節(jié)方法不理想，而通風(fēng)機(jī)和軸流壓縮機(jī)采用這種方法還可

以。采用這種方法，可轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉的形狀要設(shè)計(jì)得好，葉片要有良

好的氣動(dòng)性能，這樣也就不會(huì)像進(jìn)口節(jié)流閥門(mén)調(diào)節(jié)那樣產(chǎn)生較大

的損失。所以采用這種方法有較好的經(jīng)濟(jì)性。循環(huán)氣壓縮機(jī)和空

壓機(jī)就采用這種調(diào)節(jié)方式。

5.采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié)

這種方法是裝設(shè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的擴(kuò)壓器葉片，在流量變化時(shí)相

應(yīng)的改變?nèi)~片擴(kuò)壓器進(jìn)口幾何角度以適合改變了的工

況，避免在葉片擴(kuò)壓器中首先產(chǎn)生嚴(yán)重的脫離而導(dǎo)致喘

振，從而擴(kuò)大了穩(wěn)定工況范圍。這種方法很少把它作為

單獨(dú)的調(diào)節(jié)方法使用，一般是和其它方法聯(lián)合使用，特

別是和改變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法聯(lián)合使用，有很好的效果。

這種方法的實(shí)質(zhì)也是改變壓縮機(jī)的性能曲線。

此外還有壓縮機(jī)放氣調(diào)節(jié)方法，這種方法的實(shí)質(zhì)是改變

管網(wǎng)的性能曲線。放氣調(diào)節(jié)時(shí)把出口氣體放空一部分或

打循環(huán)到入口。無(wú)疑這種方法經(jīng)濟(jì)性最差，一般只用于

防喘振回路。

三、各種調(diào)節(jié)方法比較

1.改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法，經(jīng)濟(jì)性最好，調(diào)節(jié)范圍廣，

它適用于由蒸汽透平、燃?xì)馔钙津?qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)。

2.壓