空分用离心式压缩机

空分用离心式压缩机第一页，共三十七页，2022年，8月28日一,精馏将空气冷凝成液体，然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。二,空气特性氧、氮、氩和其它物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压下它们呈气态。在标准大气压下，氧被冷却到90.188K,氮被冷却到77.368K,氩被冷却到87.29K,都变成液态。反之，蒸发为气态。空分原理概述第二页，共三十七页，2022年，8月28日液化循环第三页，共三十七页，2022年，8月28日空分简化流程第四页，共三十七页，2022年，8月28日压缩机的种类有很多，在空分领域用得比较多的有离心式压缩机、活塞式压缩机、螺杆式压缩机、轴流式压缩机等，这些压缩机从压缩原理上可分为速度式和容积式两种。原料空气流量大于300000Nm3/h的原料空气压缩机采用轴流加离心式(有的离心式机型可做到空气流量最大达600000Nm3/h)。原料空气流量在5000Nm3/h以下的原料空气压缩机采用螺杆式或活塞式等容积式压缩机。`此外，在非空分领域，离心式压缩机也有广泛的应用。如动力装置空压机、高炉风机、污水处理风机、药用空压机等等。离心、轴流等速度式压缩机由于气体压缩部分静动元件无接触，无须润滑，可以做到绝对无油和少维修。螺杆和活塞等容积式压缩机难以做到这点。概述第五页，共三十七页，2022年，8月28日

一,原料压缩机-----主空压机必须配置的，是空分设备原料和能量的主要来源气源来自大气，需有一定的抗腐蚀能力，必要时可带自清洗系统气量为氧产量的5∽6倍，排压为0.5∽0.6MPa(G)二,过程压缩机-----循环氮(空)压机是空分设备液体产品能量的主要来源气源来自空分设备内部循环气，为清洁气源气量和压力取决于液体产品冷量的需求要求具备较小的外泄漏量概述第六页，共三十七页，2022年，8月28日三,产品压缩机-----氧(氮)压机根据用户需要配置，为用户提供一定压力的气源在分馏塔上塔中部抽出的产品氧气，压力不超过20Kpa（G）（自增压设备除外）产品氮气在分馏塔上塔顶部抽出，压力比氧气更低，一般在5Kpa（G）左右排气压力根据用户需要设计，如氧压机一般为30MPa(G)氧气、氮气介质的特殊要求要求具备较小的外泄漏量（氧压机不允许外泄漏）氧压机的安全保证概述第七页，共三十七页，2022年，8月28日

杭氧透平生产的压缩机类产品为离心式。按结构分为单轴式、齿轮式两类

一，单轴式：氧压机气量：7000∽60000Nm3/h排压：0.6∽1.1Mpa(G)（单缸）2.0∽3.5Mpa(G)（双缸）典型型号：3TYS130+2TYS80主空压机气量：27000∽170000Nm3/h（三万空透已开发完毕）排压：0.5∽0.6Mpa(G)典型型号：4TYD112产品简介第八页，共三十七页，2022年，8月28日

二，齿轮式：

主空压机气量：11000∽110000Nm3/h排压：0.5∽0.6Mpa(G）典型型号：4TYC97循环空（氮）压机气量：17000∽68000Nm3/h进压：0.4∽0.6Mpa(G）排压：2.5∽3.2Mpa(G）典型型号：3TYC53氮压机气量：9000∽42000Nm3/h排压：0.5∽3.2Mpa(G)典型型号：5TYC55产品简介第九页，共三十七页，2022年，8月28日由装于轴上带有叶片的工作轮（叶轮）在驱动机的驱动下作高速旋转，叶片对气体作功使气体获得动能，经扩压流动后转变为压力能，从而提高气体压力，同时气体温度也相应升高。经过多级组合，也可以有中间冷却的多段组合，甚至多缸组合压缩，获得气体所需的终压要求。典型的离心压缩机段简图气体在压缩过程中温度会逐渐升高，而气体在高温下压缩会消耗更大的压缩功，因此对于压比较高的离心式压缩机，在压缩过程中往往增设中间冷却器

工作原理第十页，共三十七页，2022年，8月28日一，单轴式同缸的叶轮装在同一根主轴上的两个支承轴承之间，以同一转速旋转等温型压缩机，其特点是一级一冷却，获得气体所需的终压耗费的压缩功较小多级型压缩机，其特点是两次冷却之间的级数不止一级，适用于比热比较小或音速受限制的气体典型的单轴压缩机简图

典型结构第十一页，共三十七页，2022年，8月28日

二,齿轮式一～二级叶轮装在一龆轮的二个悬臂端，一根轴一个转速，可以使每个叶轮处于最佳的比转速，充分发挥每个叶轮的能力等温型压缩机轴向进气外泄漏点较多，不适用于有毒气体、化工气体使用典型的齿轮压缩机简图

典型结构第十二页，共三十七页，2022年，8月28日

一，转子转子是离心式压缩机的主要部件，它是由叶轮、主轴、轴套、平衡盘、齿轮轴、推力盘等组成。叶轮叶轮是离心式压缩机最重要的部件，气体流过高速旋转的叶轮时由于叶片的推动作用，气体跟着叶轮高速旋转获得速度，以及在叶轮流道中的扩压流动，使气体通过叶轮后的压力、速度均获得提高。因此，可以认为叶轮是气体获得能量的唯一途径主轴或齿轮轴

主轴或齿轮轴上安装了所有的旋转零件。它的作用是支承旋转零件和传递扭矩平衡盘剩余轴向力由止推轴承承受，使转子不产生轴向串动

基本组成第十三页，共三十七页，2022年，8月28日

二，静子或固定元件

静子或固定元件不能转动。一般包括机壳（或箱体）、进口导叶、进气室、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、轴承和密封等。机壳（或箱体）

单轴型离心式压缩机，机壳容纳了离心式压缩机所有零、部件，也包容了所压缩的气体。通常是铸造或焊接的。整体齿轮式压缩机，没有一个完全独立的机壳包容所有零、部件，一般是将零、部件组装在齿轮箱体上，箱体一般是水平剖分的，箱体内部是齿轮副和轴承，轴承进油管一般在箱体上加工出来。进口导叶改变叶轮进口处的流通截面及气体流动方向，使叶轮获得一定的预旋，改变叶轮的作功能力，从而达到输气量调节的目的。

基本组成第十四页，共三十七页，2022年，8月28日扩压器气体离开叶轮时具有较高的流速，为了充分利用这部分速度能，常常在叶轮后设置流通面积逐渐扩大的扩压器，用以把速度能转化为压力能，提高气体的压力。弯道在多级离心式压缩机中，气体要进入下一级压缩就必须使离心方向流动的气流拐弯变为向心方向流动，弯道就起到了这个作用。回流器其作用是将弯道出口的向心方向流动的气流均匀地导入下一级。

基本组成第十五页，共三十七页，2022年，8月28日蜗壳将叶轮后面或扩压器后面的气体汇集起来，引至压缩机外面，去气体输送管道或去中间冷却器冷却。密封密封有轮盖密封、轮盘密封、轴端密封和平衡盘密封等。密封的作用是防止气体级内或级间倒流以及与外界的相互泄漏。最常见的为迷宫密封（也叫梳齿密封），迷宫密封为有泄漏密封。对于绝对不允许向外泄漏的特殊气体（有毒气体和易燃易爆等危险性气体），轴端密封会采用干气密封、浮动碳环密封、机械密封和磁流体密封等无泄漏密封。

基本组成第十六页，共三十七页，2022年，8月28日轴承每一个转子一般有二付径向轴承和一付止推轴承。径向轴承一般采用可倾瓦轴承，典型结构如图所示，设有五个可倾瓦块，周向均布，轴衬的配列位置与主轴颈同心。运转中，每块瓦块随着轴颈旋转而产生的流体动力调整自己的位置，从而使每个瓦块具有最佳油楔。

止推轴承一般带有油量控制环，以减少油耗量。在推力盘的每侧装置有若干块止推块，足以承受双向的设计负荷。

基本组成第十七页，共三十七页，2022年，8月28日驱动机离心式压缩机一般由电机、汽轮机或燃气轮机驱动联轴器绝缘型叠片联轴器及膜片式弹性联轴器齿轮增速机平行轴式，渐开线、单斜齿，齿面渗碳淬火，强度高，齿轮副配磨、修形，接触精度高气体冷却器气体冷却器的结构很多，主要有：管壳式的列管式、叠片式、高低螺纹管式和板翅式等。供油系统设置排烟风机，维持系统负压，油烟安全排放气油水管路系统

辅机第十八页，共三十七页，2022年，8月28日气体在叶轮中的流动是非常复杂的，是一种粘性可压缩的三维非定常流动。随着计算机技术的发展，理论界对流体动力学研究的深入研究，各种数值计算方法的出现和完善，使得可以利用计算机模拟流动。因此计算流场的方法——计算流体力学（CFD）从理论界走向了工程界。

在这里，仅通过离心式压缩机的基本方程和热力学基本定理的描述，以帮助大家了解离心式压缩机的做功、气体升压、损失及效率。欧拉方程式

hth=c2uu2

-c1uu1

通过叶轮进、出口的气流速度的变化，反映叶轮对单位气体作功的大小。

（注：滑移系数、进口预旋的应用）

基本方程和热力学基本定理第十九页，共三十七页，2022年，8月28日能量方程式

htot=hth+hl+hdf

离心压缩机级对单位有效气体所消耗的总功由三部分组成，即叶轮对气体所作之功、级的内漏气损失和轮阻损失。伯努利方程式

hth=∫12dp/ρ+(c22-c12)/2+hhyd

叶轮对气体所作之功由三部分组成，即气体静压能（压缩功或气体升压）、气体动压能和流动损失。

基本方程和热力学基本定理第二十页，共三十七页，2022年，8月28日气体压缩过程和压缩功在伯努利方程中，靜压能的提高与气体在级中的压缩过程有关，所需的功称为压缩功，即：

∫12dp/ρ=∫12vdp=∫12d(pv)－∫12pdv

现分别讨论三个过程的压缩功（过程方程式为pvm=常数）。

基本方程和热力学基本定理第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日等温压缩功及等温压缩过程等温压缩过程的过程指数＝1，即过程方程式为pv=常数。

－∫12pdv＝－∫12（RT1）/vdv=RT1ln(v1/v2)=RT1ln(p2/p1)∫12d(pv)=p2v2－p1v1=0等温压缩功为：his=∫12vdp=RT1ln(p2/p1)

等熵压缩功及等熵压缩过程等熵压缩过程,即过程与外界没有热交换且无损失，其过程指数为比热比k。过程方程式为pvk=常数。－∫12pdv＝－∫12p1v1k/vkdv=1／（k-1）RT1((p2/p1)(k-1)/k-1)

∫12d(pv)=p2v2－p1v1=RT2-RT1

等熵压缩功为：hs=k/(k-1)RT1((p2/p1)(k-1)/k-1)基本方程和热力学基本定理第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日多变压缩功及多变压缩过程多变压缩过程即过程有损失，可与外界有热交换或无热交换，多变过程的过程方程式为pvm=常数，两个特例当m=k时，即等熵压缩过程当m=1时，即等温压缩过程同理，多变压缩功为：hpol=m/(m-1)RT1((p2/p1)(m-1)/m-1)

整机效率和级效率离心式压缩机整机或级的效率，是用来描述驱动机传递给气体的机械能的利用程度。我们一般定义为与上面所描述的几个压缩过程耗功的接近程度，即等温效率ηis，等熵效率ηs和多变效率ηpol。

基本方程和热力学基本定理第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日等温效率ηis等温效率是指从初压p1压缩到终压p2时等温压缩功与实际耗功之比

ηis＝his／htot

对于无内冷却的离心压缩机级，压缩过程中与外界无热交换，用等温效率来描述级没有意义。故等温效率一般用于有中间冷却的离心压缩机整机中，用来评定离心压缩机整机的好坏。在空分设备中配套的离心压缩机一般都设有中间冷却器，故常用等温效率来描述之。

等熵效率ηs等熵效率是指从初压p1压缩到终压p2时等熵压缩功与实际耗功之比ηs＝hs／htot

基本方程和热力学基本定理第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日多变效率ηpol

多变效率是指从初压p1压缩到终压p2时多变压缩功与实际耗功之比

ηpol＝hpol／htot

多变效率与等熵效率之间的关系：

ηs＝((p2/p1)(k-1)/k-1)/((p2/p1)(k-1)/(kηpol)-1)

基本方程和热力学基本定理第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日离心式压缩机的二个特殊工况：喘振和阻塞离心式压缩机流道的几何尺寸及结构是根据设计工况确定的。当压缩机在设计工况下运行时，气流在流道中流动顺畅，与几何尺寸配合良好，气流方向和叶片的几何安装角相一致。这时压缩机各级工作协调、整机效率高。当压缩机偏离设计工况时，效率、压比都有变化。当向大流量偏离时，效率、压比下降；当向小流量偏离时，效率下降，在一定范围内压比升高。当偏离情况不严重时，仍能维持稳定工作。一旦工况变化过大，这时由于流道中流动情况恶化，将导致压缩机性能大大下降而不能正常工作。喘振工况和阻塞工况就是在偏离极限时的二个特殊工况。

喘振与阻塞第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日喘振工况

当压缩机工作在设计点时，气流的进气角基本上等于叶轮叶片的进口几何安装角，气流顺利进入流道不会出现附面层脱离。当流量减小时，气流轴向速度减小，正冲角增大，气流射向叶片的工作面，使非工作面上出现脱离，由于气流在非工作面上是扩压流动，出现的脱离很容易扩张。所以流量减小时，脱离发展明显。当流量减小到某临界值时，脱离严重扩张，以至充满流道的相当大部分区域，使损失大大增加，破坏了正常流动。在叶片扩压器中也与叶轮中的流动情况类似。脱离团是以某一转速（大大小于工作转速）沿转向传递。这种现象即称之为“旋转脱离”。使级性能明显恶化的“旋转脱离”，称之为“旋转失速”。旋转失速使压缩机出口压力明显下降。如果压缩机后的管网容量较大，于是出现管网中的压力大于压缩机出口处压力的情况，就出现了倒流现象，一直到管网中的压力下降至低于压缩机出口压力为止。这时倒流停止，压缩机恢复正常工作。但当管网中的压力不断回升，又回复到原有水平时，压缩机正常排气又受到阻碍，系统中的气体又产生倒流。如此周而复始，在整个系统中发生了周期性的轴向低频大振幅的气流振荡现象，这种现象称之为压缩机的“喘振工况”。

喘振与阻塞第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日

管网容量越大，喘振频率越低、喘振能量越大，危害也越大。喘振所造成的后果常常是很严重的，它会使压缩机转子和静子经受交变应力作用而断裂；使级间压力失常而引起强烈振动，导致密封及推力轴承的损坏；使运动元件和静止元件相碰，造成严重事故。所以应尽力防止压缩机进入喘振工况。根据经验，判断压缩机是否已出现喘振现象，其方法大致有下面几点：测听压缩机排气管的气流噪声

观测压缩机出口压力和进口流量的变化对于增压机，需观测增压机压比的变化是否正常观测壳体和轴承的振动情况通过微小阻力件，直接判断气体是否倒流

由于引起喘振的原因可能是各种各样的，而后果又严重，因此应尽可能采用防喘振自动控制装置，使喘振自动消除。

喘振与阻塞第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日阻塞工况

当流量增大时，气流的轴向速度增大，冲角减小变成负值。这时气流射向叶轮叶片的非工作面，而在工作面上出现气流脱离现象，但由于叶片工作面对气流的强烈作用（叶片对气流做功），脱离层获得能量，限制了脱离的扩大化。此外，由于流量增加使流道的扩压度减小、气流的流速增大，也使气流分离不易扩大，所以在这种情况下，除了压缩机的级压比及效率都有些下降外，工作的稳定性尚不致于遭到破坏。当流量进一步增大，气流的流速也进一步增加，脱离层又占了部分通流面积，使流速更大。当某一截面出现音速时，流量则达到了最大值，此时的状态我们称之为压缩机的“阻塞工况”。在阻塞工况附近，压缩机效率很低、压比比设计工况也低得多，流量的微小变化也可以引起压力很大的变化。阻塞工况对压缩机的运行不会产生破坏作用。喘振工况与阻塞工况之间的区域就是离心式压缩机的稳定工况范围。

喘振与阻塞第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日性能曲线第三十页，共三十七页，2022年，8月28日性能曲线第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日

由于杭州杭氧透平机械有限公司所生产的离心式压缩机以配套空分设备为主，因此它的性能调整是以保证空分设备需求及工况的稳定性为前提，再结合离心式压缩机的防喘机理，形成特定的性能调整和防喘控制系统。

一，性能调整离心式压缩机的性能调整是通过调整入口导叶角度来完成。入口导叶的控制分为两类：排气量和进口压力。排气量控制主要应用于进口压力恒定（例如：直接从大气吸入）的原料空气压缩机。需增大排气量，开大入口导叶增加吸入量；需减小排气量，关小入口导叶减小吸入量。进口压力控制主要应用于进口压力可变的产品压缩机及循环压缩机。进口压力升高时，说明压缩机无法吸入空分设备供气的增加量，开大入口导叶增加吸入量；进口压力降低时，说明压缩机吸入量过大，关小入口导叶减小吸入量。

性能调整及防喘第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日

二，防喘控制

图中阴影部分为工作区域，它由line1、line2、line3构成。line1

由排气压力与进口压力的比值所决定。排气压力过高，通过打开放空阀（防喘阀），来防止排气压力过高；进口压力过低（进口压力可变