压缩机组培训教材

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第一节压缩机概述

一、压缩机定义和分类

压缩机是一种根据气体的压力取决于单位时间内气体分子撞

击单位面积的次数和强烈程度的原理，把其它形式的能量转化成

压力能并提高气体压力和输送气体的机器。在国民经济各部门得

到广泛的应用，特别是在石油、化工、动力和冶金等各个行业中

占有重要地位。在化工生产中，工艺气体经压缩机压缩提压后，

可满足各种工况的需要，使工艺过程得以实现。

压缩机种类很多，按工作原理分为：容积式压缩机和透平式压缩

机。

1.容积式压缩机种类、特点：

用增加单位容积内气体分子数，从而缩小分子间距来提高气体

压力。典型代表活塞式压缩机，具有压力范围广、效率高、排气

量基本不随压力变化的特点。另外还有滑片式、罗茨式、螺杆式

压缩机。

2.透平式压缩机种类、特点：

利用旋转叶片对气流的作功、通过气流的不断加速、减速因惯

性彼此挤压而缩短分子间距来提压。具有体积小、重量轻、结构

紧凑、流量大、维修工作量小、气体不受润滑油污染、适于汽轮

机或燃气轮机驱动有利于能源的综合利用等特点，在石化行业得

到广泛应用，并实现单机配制，适用于低、中压，大流量的场合。

按气体运动方向分类：

1.离心式：被压缩气体在压缩机内大致沿垂直于压缩机轴的径向

流动。

2.轴流式：气体在压缩机内大致沿平行于轴线方向流动；

3.轴流离心组合式：在轴流式的高压段配以离心式段。

按排气压力Pd分类：

通风机，Pd<0.0142MP(g)；鼓风机，0.0142MP(g)WPdW

0.245MP(g),压缩机，Pd>0.245MP(g)o

按用途分类：

制冷压缩机、高炉压缩机、空气压缩机、天然气压缩机、合成气

压缩机、二氧化碳压缩机等。

二、汽轮机的定义和分类：

汽轮机，又叫蒸汽透平，用蒸汽来做功的旋转式原动机。

来自锅炉或其它汽源的蒸汽通过调速阀进入汽轮机，一次高速

流过一系列环形配置的喷嘴(静叶栅)和动叶栅而膨胀做功，推

动汽轮机转子旋转(将蒸汽的内能转换成机械能)，汽轮机带动

发电机、压缩机或泵等负荷机旋转。

汽轮机按照热力过程分为：

1.凝汽式汽轮机蒸汽在汽轮机中作功后全部排入凝汽器冷凝，

凝汽器内部压力比大气压低。

2.抽汽凝汽式汽轮机

蒸汽在汽轮机膨胀至某级时，将其中一部分蒸汽从汽轮机中

抽出来，供给其它的蒸汽用户；其余蒸汽在后面级中作功后

排入凝汽器。

3.背压式汽轮机

蒸汽进入汽轮机膨胀作功后，在大于一个大气压的压力下排

出气缸，其排汽供其它低压用户。

4.多压式(注入式)汽轮机

若工艺过程中有某一压力的蒸汽用不完时，就把这些多余的蒸

汽通过管道注入汽轮机中的某个中间级内并同原来的蒸汽一起

在透平内膨胀作功，从而回收能量。

汽轮机按蒸汽压力分为低压Q.OMPa以下)、中压(2.0-

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

超临界(22.5MPa以上)的汽轮机。

按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动式与反动式的组合式

汽轮机等。

第二节离心式压缩机及汽轮机的基本原理和结构

一、离心式压缩机工作原理及结构

1.结构

从外观上首先看到的是机壳(气缸)，通常用铸铁或铸钢浇铸而

成。一台压缩机常常有两个或两个以上的气缸，按压力高低称低

压缸、中压缸和高压缸。

压缩机本体结构可分两大部分：

(1)、转动部分，有主轴、叶轮、平衡盘、推力盘及联轴器等

零部件组成，又称转子。

(2)、定子部分，由气缸、隔板、径向轴承、推力轴承、轴端

密封等零部件组成，常称转子。

在压缩机理论中常常沿气体流动线路，将压缩机分成若干个

级，级是由一个叶轮和与之相配合的固定元件扩压器、弯道和回

流器的基本单元组成。如图所示

压缩机每段进口处的级成为首级，除了上述元件还包括进气

室；压缩机排气口的级成为末级它没有弯道和回流器，取而代之

的是排气室。

在离心式压缩机中，气体流过一级之后，压力的提高是有限

的，要想压缩到较高压力时，就需要通过若干个级来完成，几个

级可以装在一个缸内。一个缸最多能装10级左右，更多的级需

要采用多缸。气体经压缩后温度就要升高，当要求压力比较高时,

常将气体压缩到一定压力时就从缸内引出，在冷却器内降温，然

后再进入下级继续压缩。根据冷却次数的多少，可将压缩分为几

个段。一个段可以是一个级也可以是几个级。一缸可分为一个段

或多段。

在多级离心压缩机中，由于每级叶轮两侧气体作用在其上的

力大小不同，因此，使转子受到一个指向低压端的合力，这个合

力称为轴向力。平衡盘是用自身两侧的压力差来平衡轴向力的零

件。它位于压缩机的高压侧，用来平衡大部分轴向力的，剩下的

轴向力作用于止推轴承上。有的压缩机叶轮采用背靠背的方法排

列来平衡轴向力。联轴节又叫背靠轮，它是汽轮机（或驱动电机）

和压缩机以及压缩机高低压缸间的连接件，现在通常采用挠性联

轴节。它允许较大的平行不对中、角度不对中和综合不对中。

定子包括机壳和壳内的固定元件，机壳有水平分和垂直剖分

两种型式。水平剖分便于拆装机制造，但密封面大，且强度差；

对于压力较高的情况，采用垂直剖分形式，壳体实际上是两缸，

内缸仍是水平剖分，转子及固定元件都装在内缸中，然后再装入

外缸，外缸为整个圆筒，在一端或两端有端盖，打开后即可把内

缸拉出。

机壳内有各种隔板，在机壳和隔板之间，隔板与隔板子之间

构成了吸气室、扩压室、弯道和回流器等固定元件。

2、通流部分各主要部件的作用

气体在压缩机中流经的主要通道部件是进气室、叶轮、扩压

器、弯道、回流器和蜗壳。这些部件我们称之为通流部件。下面

分述这些部件的作用。

（1）进气室：这是将进气室或中间冷却器的气体均匀地吸入

叶轮去进行增压的通道，因此在压缩机中每一段进口都设置进气

室。

（2）叶轮：叶轮也称为工作轮，它是压缩机的心脏部件，气

体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，气体由于受到旋

转离心力的作用以及在叶轮里的扩压流动，使气体压力得到提

高，速度也得到提高。所以叶轮是气体提高能量的关键部件。

（3）扩压器：气体被从叶轮甩出后，就有较高的流动速度，

在叶轮出口后设置流道截面逐渐扩大的部件称为扩压器。其目的

是进一步将气体的流动速度转化为压力。

（4）弯道：为了把扩压器后的气体引入到下一级叶轮的进口，

就必须改变气体流动的方向，使其由离心方向的流动改为向心方

向的流动，所以在扩压器的后面设置了弯道与其相连接。

（5）回流器：其作用是将弯道来的气体均匀的分布到下一级

叶轮的进口。

（6）蜗壳：蜗壳的主要目的是把扩压器或叶轮后面的气体汇

集起来，引到压缩机外面去，流向气体输送管道或气体冷却器，

此外在汇集气体的过程中，一般由于蜗壳外径的逐渐增大通流截

面也逐渐扩大，因此也祈祷一定的降速增压作用。

3、工作原理

离心式压缩机的工作原理与输送液体的离心泵相似。当驱动

机（如汽轮机、电动机等）带动压缩机转子旋转时，叶轮流道中

的气体受叶轮作用随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，气体被

甩到叶轮外的扩压器中去。因而在叶轮中形成了稀薄地带，入口

气体从而进入叶轮填补这一地带。由于叶轮不断旋转，气体就被

不断地甩出，入口气体就不断地进入叶轮，沿径向流动离开叶轮

的气体不但压力有所增加，还提高了速度，这部分速度就在后接

元件扩压器中转变为压力，然后通过弯道导入下级叶轮继续压

缩。

4、离心式压缩机的功耗及效率

（1）概述：压缩机气体需要消耗的能，大型离心压缩机由原

动机（如汽轮机、燃动机等）驱动，原动机轴端所传递的功率包

括压缩机轴承、齿轮箱及联轴节等传动部分的机械损失以及压缩

机内功率。内功率指的是压缩机转子对气体所消耗的功率。

压缩机转子是通过叶轮向气体传递能量的。叶轮除对气体作

功外，叶轮的轮盘、轮盖的外侧面及轮缘与周围气体的摩擦所产

生的轮阻损失、叶轮出口高压气体漏回到叶轮低压端的漏气损失

也都要消耗功。

对整个压缩机来说，叶轮对气体作功转换成下列三个部分：

A提高气体的静压能（压缩功），使气体从进口压力提高到出

口压力。

B提高气体的动能。在一般情况下，动能的提高不大，常常

可以忽略不计。

C克服气流在级中的流动损失。这部分流动损失，是指气流

在叶轮内和级的固定元件（如吸气室、扩压器、弯道、回流器、

蜗壳等）内的流动损失。

总之，压缩机级中的功耗有五部分组成，即静压能提高、动

能的变化、流动的损失、轮阻损失和漏气损失组成的，只有静压

能的提高对气体的升压是有用的。

（2）气体的压缩过程

静压能的提高与气体的压缩过程有关。热力学把气体的压缩

过程分为：等温压缩过程、绝热压缩过程、多变压缩过程。压缩

机中气体的实际压缩过程是多变压缩过程，但可以忽略与外界的

热交换。

现分析各压缩过程中的静压能提高（压缩功）。

设压缩机进出口参数分别为Pl、V］、「和P2、V2、T2,压缩

气体的所需能量的单位Kg.m/Kg,它表示压缩IKg气体所需要

的能量。

A等温压缩T=Const（恒定）

等温压缩功为His=RTiLn（P2/P］）（Kg.m/Kg）

B绝热压缩

气体在压缩过程中与外界无热交换且无气体流动损失和摩擦

损失。绝热压缩后气体温度:

T2/T1=(P2/P严)区

绝热压缩功为：

(K1)/K

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

C多变压缩过程：过程存在流动损失和摩擦损失，外界可以

有热交换或者无热交换。

多变过程气体温度计算式为：

(M1)/M

T2/T1=(P2/P1)-

多变压缩功为：

(M])/M

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

以上式中R为气体常数，被压缩气体组分越轻则R越大。

多变过程和理论绝热过程的公式具有同样形式，只是绝热指

数K代以多变指数mo多变指数和绝热指数不同，它不仅随气

体的种类而变化，而且与设备结构有关系。对于离心式压缩机来

说，多变指数m大于绝热指数Ko机器设计和控制的越合理，

则m越接近K值。

(3)压缩机过程分析讨论

A三种典型压缩过程，如气体温度和压比相同，则等温压缩

过程需要的压缩功最小，排气温度最低，等于进气温度。这是一

种理想情况，实际上只能接近而不能达到。多级压缩过程需要的

能量头最大，所以多级压缩机常做成多段，增加段间冷却器从而

使压缩过程向等温压缩过程靠近，对于具有中间冷却器的压缩机

常用等温效率来衡量机器完善程度。

B同质量流量的同种气体来说，如初温度相同，当压缩比相

同，其功耗也相同。例如把气体从10个大气压压缩到100个大

气压，与从1个大气压压缩到10个大气压所需要的功耗相同。

C气体所需要的压缩功与气体的性质有关，对轻气体，因为

气体R大，所以在相同压力下需要的压缩功就比压缩重气体大从

压缩表达式可以看出)，但由于同一压缩机及压缩同一体积流量

的不同气体，所提供的叶片功是相同的，也即H叶片与气体性质

武官，所以在同一压力比要求下，压缩轻气体需要的级数比重气

体多。

D多变过程是具有损失的过程，多变指数m反映多变压缩过

程所需功的大小。损失使气体得到附加热量，采用中间冷却器，

目的是为了向等温压缩过程靠近。各个不同压缩过程在P-V图和

T-S图上的表示如下图2图3所示。各个过程的压缩功就是各压

缩过程线纵坐标及P=P1、P=P2两条等压线所包括的面积。

图2T-S图上各种不同压缩过程图3P-V图上各种不同压缩过程

(4)压缩机的效率

压缩机或级的效率主要是用来说明供给气体的机械能的利用

程度。由于有三种压缩过程，则相应的把压缩机效率分为多变效

率Rpol、绝热效率nad和等温效率Ls。

多变效率指由压力P1增加到P2所需要的多变压缩功与实际消

耗的功之比。目前离心式压缩机的多变效率为0.7-0.84左右。

绝热效率指由压力Pi增加到P2时绝热压缩功与实际所需消耗

的功之比。

等温效率指由压力P1增加到P2时等温压缩功与实际所需消耗

的功之比。

实际的压缩机不可能实现没有损失的绝热压缩过程，但它可以

作为比较标准。由于多变压缩功,绝热压缩功〉等温压缩功，故有

nPoi>nad>ni”故要注意机器效率使用哪一种表示方法。

二、汽轮机基本原理、结构

汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式原动机。来自锅炉或热网的蒸

汽，经脱扣节流阀或事故切断阀、调速阀进入汽轮机，依次告诉

流经一系列环形培植的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而膨胀作功推

动汽轮机转子旋转，将蒸汽的动能转换成机械功。这便是汽轮机

简单的工作原理。汽轮机可按工作原理分为：冲动式、反动式、

冲动式与反动式的组合式汽轮机。

首先，我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍。

1、汽轮机的工作原理

(1)冲动式汽轮机

冲动式汽轮机的最简单的结构如图4所示意。叶轮上配置一圈

动叶片与喷嘴配合在一起，构成一个做功的简单机械。我们把由

喷嘴和与其配合的动叶片构成的汽轮机作功的单元称级。

由一个级组成的汽轮机叫做单级汽轮机。

喷嘴又叫静叶片。它是一个截面形状特殊且不断变化的通道。

蒸汽进入喷嘴后发生膨胀，消耗了蒸汽的压力能，即消耗了蒸汽

的热能，蒸汽的压力及温度都下降了，而蒸汽的流速却增加了，

获得了高速气流。喷嘴的作用就是将蒸汽的热能转变为动能。

动叶片又称工作叶片。在叶轮的外圆周上装满的一整圈叶片，

常叫动叶栅。由喷嘴流出的高速气流流至动叶片时，其速度的大

小及方向是一定的，之后气流由于受到动叶片的阻碍（作用力）,

改变其原来的速度的大小及方向，这时候气流必然给动叶片一个

反作用力，推动叶片运动，将一部分动能成叶轮旋转的机械功。

由上述可知，在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换，即：

热能f蒸汽动能f转子机械能。

为了更好的理解汽轮机的工作原理，下面分析一下冲动式汽轮

机的动叶片型式。

如果我们用一个直立的平板，让高速气流冲击到它的表面上，

平板由于受到气流的冲击作用而发生运动。但因在平板的表面附

近产生了很大的扰动和涡流损失，如图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费。所以经过大量的

实践改进，现在汽轮机的动叶片做成弯曲形。如果要产生最大的

作用力，就要使蒸汽的喷射方向与动叶片的运动方向一致，然后

再转一个180°而离开动叶片，如图5-b所示，这时动叶片受到

的冲击力如图6所示。

汽流以C1的速度流向曲面，它相当于汽轮机的动叶片，并能沿

平行于汽流的方向移动。汽流进入弯曲流道内弧所构成的气道

后，便沿着内弧逐步改变流动方向，最后流出气道时的速度为

C2方向恰与C1方向相反。当气流流过曲面时，实际上做圆周运

动，因此组成气流的每一个蒸汽微团都受到叶片所作用给它的一

个向心力，同时叶片受到气流给它一个大小相等、方向向反作用

力。假如气流微团的离心力用向量表示。在1点处的离心力P1

可以分解成轴向分力Piz及运动方向上的分力Piu、在2点处的

离心力P2也可以分解成P2Z和P2U。轴向分力P1Z和P2Z恰好相互

抵消，因为此二力大小相等、方向相反，且共同作用在一个叶片

的同一条支线上。同样，其它点的轴向分力也相互抵消，因此气

流的离心力在轴向上的分力之和为零，即Piz+P2z+…=0

在弯曲面运动方向上的分力之和等于P,即

Plu+P2U+，，，-P

在这个P力的作用下,弯曲面（叶片）向右运动，通过叶轮及轴产

生旋转运动。若带动压缩机和泵、风机等机械，就可以输出机械

功。这就是冲动式汽轮机的工作原理。

实际上，由于机械结构等方面的限制，从喷嘴流出来的气流不

能与动叶片的运动方向完全相同，而成一个夹角。动叶片也不是

一个半圆弧，而是由好几段曲线组成，一般是圆弧和抛物线弧。

如图所示7所示。

图7冲动式动叶片的断面

(2)速度级和压力级

前面已经介绍级的概念，从结构上看，汽轮机的一个级是有喷

嘴(几个或整个圆周布置的喷嘴)和一列动叶片组合起来的装置,

从动作原理来看，就是能造成高速气流，能将速度能转换成机械

能，并产生推力对外做功的基本单元。级可以分为压力级和速度

级，简单介绍如下。

A.压力级

在可以利用的蒸汽能量很大的情况下，只有一个级不能充分利

用这些能量。这时，我们把由喷嘴和动叶片组成的级串联在同

一根轴上，将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利用。从结构

来看，就是一列喷嘴和一列动叶片，其后又是一列喷嘴和一列

动叶片，这样逐次排列下去。在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力

最高，以后逐级降低，这就是常见的多级汽轮机的结构形式，

其中的每个级，都叫做压力级。

B.速度级

压力级外，在有些汽轮机上设有速度级（复速度级或寇蒂斯级）

速度级比压力级在结构上复杂一点。

图8是具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图，它比单级

冲动式汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点，由轴1、叶轮2、

双列动叶片3及6构成转子；由喷嘴4、导向叶片7、气缸5、

排气气管8等组成的静子部分。

如果冲动式级在工作时，离开动叶片的气流速度仍很大，这说

明还没有充分利用蒸汽的动能来做功。为了利用这部分能量，

在同一叶轮的轮缘上再要装置第二动叶珊，使蒸汽流过两列转

动的叶珊，第一列动叶珊通道中蒸汽能量中的一部分转换为机

械能，而其余的蒸汽能则由第二列动叶珊继续将能量转换为机

械能。为了使蒸汽流以一定的方向流入第二动叶珊，在第一、

二列动叶珊之间装一列固定的叶片，起导向作用，称之为导向

叶片，它是装在气缸上的。

速度级与冲动式压力级的工作原理是一样的，不同的就是蒸汽

的速度在第一、二列动叶珊中分别加以利用。

除双列速度级以外，还有三列速度级，但常用的是双列速度

级。经常用它做成小功率的汽轮机,带送风机及其他各种泵等,

也可以用它做多级汽轮机的第一级。

⑶反动式汽轮机

反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转

换成机械能的。反动式汽轮机的工作原理同样是基于惯性定律

和作用力与反作用力定律的。

图9是反动式汽轮机的结构示意图。动叶片安装在转鼓上，轴、

平衡活塞及转鼓组成了转子。静叶片安装在气缸上，与进、排

管等组成静子。

反动式的级仍然是由一列静叶珊组成。它的工作原理是：在

静叶珊中气流与经过喷嘴时相似，压力降低，容积膨胀，速度

增加；而它的动叶珊也作成截面渐收缩的气道,气流在动叶珊

中进一步降压，膨胀加速。根据惯性定律可知，运动的物体如

果不受外力的作用的话，则一定按照它原来的速度大小及方向

运动下去。气流既然在动叶珊中获得了加速度，那必然有外力

作用在其气流上，这个力是由于在动叶珊上降低了气流的压力

和温度，即气流的热能转换为动能所获得的。在动叶珊中进一

步使气流降压、增速并以高速离开，这时气流必须给动动叶珊

一个大小相等、方向相反的作用力，使动叶珊转动带动轴旋转

的对外做功。这就是反动式汽轮机的工作原理。

反动原理在汽轮机中的实际应用，如图10所示。这是反动

式汽轮机中的一个级的断面示意图。蒸汽在静叶栅中膨胀的内

弧改变方向，因此动叶片就受到由于冲动原理产生的冲击力，

记为P冲；又由于气流在动叶栅气道内从P1膨胀降压至P2,

因而动叶片上又受到由于反动原理而引起的反作用力P反的作

用，P冲与P反的合力为Pu。此外，动叶片前后有压差也引起一

个轴向力PgPu与P轴的合力为P总，这就是作用在动叶片上

的力。沿动叶片运动方向的分力，使动叶片向右移动，并做机

械功，因此，作用在反动式汽轮机的级的动叶片上的力，既有

冲动式，椰油反作用力。

实用的反动式汽轮机，都采用多级型式，其工作原理与前面

分析的单级反动式汽轮机的工作原理基本一样。

为了分析方便，前述冲动式级，实际上是指在动叶栅中没有

膨胀发生的情况，有人把它叫做纯冲动式级。

近代常用的汽轮机，实际上用的是带反动度的冲动式汽轮

机。在这种汽轮机中，动叶栅中也有气流膨胀，但比喷嘴中的

膨胀程度小些。

所谓反动度，就是在动叶栅中蒸汽膨胀的程度占级中总的应

该膨胀程度的比例数，或是在动叶栅中的理想熔降之比，常用

P表示反动度。

纯冲动式级的P=o；反动级的P=0.5；带反动度的冲动式级

的0<P<0.5。带有不大反动度的冲动级使用最广泛，它可以提

高冲动式汽轮机的效率。

(4)冲动反动组合式汽轮机

这类汽轮机的前一级或前几级为冲动式，后面的即为反动

式。

2、汽轮机的结构及用途

汽轮机实现能量的转换，主要是通过喷嘴把热能转换为动

能，通过动叶栅把动能转换为机械能。因此，喷嘴一般做成静

止部分；而动叶栅则安装在转动轴上，形成汽轮机的转子部分。

所以汽轮机主要是由转子、静子两大部分组成。

(1)转子部分

也就是汽轮机的转动部件，靠固定于汽缸上的前后两个轴承

支撑，由主轴、叶轮、叶片组成，并通过联轴器与被驱动机械

相连。转子作高速旋转，把蒸汽作用到叶片上力矩传递给驱动

机械，达到对外做功的目的。

转子的性能要求

为使转子能安全可靠的运行，必然满足下列条件：

A必然有一定的强度，以满足支持自身重量和传递转矩的要

求。

B必须经过严格的动平衡，以免高速旋转时产生过大的离心

力引起汽轮机振动和损坏。

C必须使汽轮机的临界转速和运行转速避开一定距离，以免

产生共振。

D必须安装平衡盘、推力盘和轴套，用以平衡转子的轴向推

力并确定转子在轴向定位。

转子结构形式，一般有正锻式、套装式、组合式、焊接式、

转鼓式等。

转子的轴向推力及其平衡

蒸汽在汽轮机的通流部分膨胀做功时，转子上受两部分力，

一部分叫做轮周力，是产生转矩对外做功的有益力；另一部分

沿叶轮轴向从高压端指向低压端，企图推动转子向气流方向运

动，所有叶轮轴向力之代数和，就是整个转子的轴向推力。转

子的轴向推力一般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推

力轴承承担。如果推力过大，就会影响轴承寿命，严重时会烧

坏轴瓦，引起转子上动静部分碰撞，以致损坏机器，因此，在

运行中必须严密监视转子轴向推力变化，确保机组安全运行。

一般来说，作用于汽轮机转子的轴向推力来源于以下几种因

素：

a叶轮两侧的压力差。

b动叶片上的轴向力。

c轴上各处直径不同引起的受力。

汽轮机转子所受轴向推力很大，高压汽轮机（反动式）可达

到几百吨，为确保机组的安全运行，一般采取下列措施平衡轴

向力。

a使用推力轴承。目的是固定转子在气缸中的轴向位置，承

受转子上的少部分轴向推力。

b使用平衡活塞或平衡盘。如图11所示，在转子通流部分

对侧，将转子做成阶梯形，以产生相反的轴向推力，此阶梯凸

台就叫平衡活塞。其右侧为高压蒸汽，左侧与汽室相通，受低

压蒸汽作用，因而产生向左的轴向力，以平衡部分轴向力。对

冲动式汽轮机因其总的轴向推力不大，一般将高压汽封套直径

做大些，也可以起到类似的作用。

c开平衡孔。由于汽轮机叶片两侧存在压力差，在轮盘上开

有贯通两侧的小孔，即平衡孔，可减少轮盘上的轴向推力。平

衡孔一般开5-7个奇数孔，以免在叶轮同一直径上形成对称孔,

影响叶轮强度。另外开奇数孔对减轻叶轮震动也有好处。但此

发会使汽轮机效率有所降低。

d采用相反流向布置。如图12所示，使蒸汽在高低压缸或

各区域内流向相反，而产生反方向的轴向推力，以相互抵消而

达平衡。

（2）静子部分

即汽轮机的静止部分，包括汽缸、前后支承轴承、推力轴承、

喷嘴组、隔板、支撑与滑销系统、汽封等。

A汽缸（机壳）

汽缸的作用是支撑转子、容纳并通过蒸汽，将汽轮机通流部

分（喷嘴、转子、隔板等）与大气隔开，保证蒸汽在机壳内完

成其做功过程。

在运行中，汽缸会承受蒸汽与大气压力差、轴向拉应力、部

件重量、振动及热应力等多种作用，一般作为薄壳双层，既要

可靠的固定在机座上，又要有一定的自由膨胀裕度。

B支撑与滑销系统

目的是承受汽缸重量，并使汽缸在受热状况下按一定方向进

行膨胀。

C喷嘴组和隔板

喷嘴作用如前所述，它是将蒸汽热能转化为动能的重要部

件；隔板则使各组叶轮在单独的蒸汽室中进行，达到热能的充

分利用。

D汽封装置

在汽缸两端、叶轮和隔板处，为避免动静部件碰撞而留有间

隙。由于这些间隙前后压力差存在，主轴通过间隙处必然有漏

气，从而降低机组运行的经济性并造成损失。汽封装置作用就

是减少漏气，确保机组安全运行。

轴端漏气不但造成部分蒸汽热能的浪费，影响汽轮机经济

性，还会破坏润滑、造成油中带水、轴承润滑不良等后果。另

外，汽缸后侧漏入空气，对排气温度和凝汽设备的真空建立也

有一定危害。

汽轮机的汽封装置有多种形式，最常用的是迷宫式汽封，通

过蒸汽的节流降低密封齿前后的流动压差和流速，从而减少漏

气量，达到密封的目的。

E轴承

按其所起的作用可分为支持轴承(又叫径向轴承)和推力轴

承。支持轴承的作用是承受径向力，保持主轴与汽缸中心线一

致，确保转子的正常运转。推力轴承则用来承受转子轴向力，

限制转子轴向串动，保持转子轴向位置。目前汽轮机和离心式

压缩机绝大多数采用的是油润滑动压轴承，通过建立油膜压力

承受载荷。

3、汽轮机的功率和效率

(1)汽轮机的功率

我们知道，汽轮机的功是热能转换来的，而功率则表示单位

时间的功。在汽轮机运行管理工作中，将接触到以下几种功率:

A理想功率

表示不考虑任何损失，蒸汽在汽轮机中作理想膨胀，单位时

间内将全部热能都转换为功。

1公斤蒸汽具有的能量可用热量表示为：

g=io-i排=6111

式中：i—在入口状态参数下的新蒸汽的焙

iL排气压力、温度下的蒸汽的焰

Ht—理想焰降

在理想的情况下，蒸汽能量都转化为机械功应为：

L=427Q=427GHt

在实际工作中，知道每小时的重量流量，就可相应算出相应

的理想功率。

B内功率

从理想功率中扣除内部损失后得到的功率叫做内功率。它表

示汽轮机通流部分可以发出的功率。（所谓通流部分就是流经

汽轮机的蒸汽，经过各级喷嘴和动叶栅的流道完成二次能量转

换，这条汽道叫做通流部分）。

C轴功率

从内功率中扣除外部损失消耗后的功率，叫做轴功率，它表

示汽轮机轴端输出功率，是可以被利用的功率，所以也叫有效

功率。

D汽轮机的效率

效率是横向经济性的重要指标，由于汽轮机实际工作有各种

损失，所以热能并不能全部转变为功。实际发出的功率与理论

上应发出的功率之比，就是汽轮机的效率，叫做相对效率。

相对内效率：内效率与理想功率之比叫做相对内效率，它说

明内部损失的大小。

相对有效效率：汽轮机的轴功与理想功之比叫做相对有效效

率。

有效效率表明汽轮机内部及外部损失的大小，表示汽轮机的

综合经济指标，汽轮机的功率越大，有效功率就越大，有效功

率就越大。实际工作中还用实际有效汽耗率表示汽轮机的经济

性。汽耗率表示单位轴功率所消耗的蒸汽量。

实际汽轮机汽耗率是用实验或计算的方法求得的。

汽轮机的机械效率反映了汽轮机在机械方面的工作效能，它

是轴功率和内功率之比，一般为0.96-0.995。

第二节离心式压缩机、汽轮机运行有关概念

一、临界转速

我们知道，任何一个振动系统都有自己固有的自振频率，在一

个初始干扰力作用以后就会以一种固有的振动频率产生振动。如

果一个周期性的干扰力是自始至终作用在系统上，就会迫使其作

强迫振动，振动的频率等于干扰力的频率。如果干扰力的频率恰

好等于系统的自振频率，那么振动将随时间的增加而迅速增加，

在无阻尼的情况下，振幅会无限的增加下去，这种现象就是共振。

压缩机转子就是一个共振系统，本身有自己的固有自振频率。在

运转的过程中总会受到一些干扰力的作用，如气流力、增速器传

动齿轮的作用力、相邻汽缸转子不对中时联轴节传来的作用力以

及转子本身残余偏心产生的旋转离心力等，这些力都是周期性

的，并会以一定的频率作用在转子上。在这些干扰力中转子残余

偏心产生的离心力对横向振动影响最大。这个离心力与转速的平

方成正比，使转子做横向强迫运动。其振动频率恰好等于空。当

转子达到某个转速，这种强迫振动频率恰好等于转子自振频率或

是其整数倍时，就发生共振，振幅就随时间的增而迅速增加，这

个转速就是转子的临界转速。

转速在第一临界和第二临界转速之间的转子称为柔性轴，工作

转速低于第一临界转速的转子为刚性轴。美国API标准对临界转

速以及运行转速和临界转速之间的隔离裕度有严格的规定说明。

由于在临界转速下运转时转子振动振幅很大，工作不稳定，所

以如果运行时间较长，会引起轴和密封损坏及动、静部件相碰等

严重事故。因此不允许转子在临界转速附近的转速范围内运行。

对柔性轴来将，开车时必须迅速越过临界转速，这样才不会发生

危险。

二、旋转脱离、喘振

离心压缩机的运行有一定的稳定工作区。由于实际上常在变工

况下运行，有时就会偏离工作区运行而出现异常现象，从而对机

器设备造成危害。比如当气流小于一定值时，会发生旋转脱离，

此时工况将是不稳定的；如进一步减少流量，则会发生喘振，这

时会产生强烈的气流脉动和周期性震荡；当流量增大到一定值

时，又会出现堵塞或滞止工况，这时流量不可能再增加。由于喘

振在以后大机组运行时是最重要的，我们将较多地介绍其有关内

容。下面就旋转脱离、喘振分别予以介绍。

1.旋转脱离

离心压缩机在设计工况运行时，气流的流动方向与叶片的安装

角基本一致，无论是叶轮还是叶片扩压器，气流均能顺利地进入

流道，不出现（或略微产生）边界层分离现象，如图14所示。

当流量增大时，进气角增大，如图所示，气流射向吸力面，在工

作面上将产生气流边界层分离现象。由于工作面出口处速度增

加，压力降低，使边界层分离现象有些收缩，而不扩大，在这种

情况下，工况仍然是稳定的。

但当流量见效时，进气角随之减小，这时气流射向压力面，在

吸力面上将产生边界层分离现象；同时由于吸力面出口处，速度

降低，压力增加，存在逆向压力差，从而使分离区进一步扩大，

如图所示。当流量小于一定值时，分离区会很快扩大，甚至充满

某几个叶道，这时局部流通面积堵塞，气流不能顺利流过叶道，

甚至局部出现倒流，工况将出现不稳定现象，这种现象称作失速。

设计工况（b）小流:S工况（c）大流量工况

图14变工况时流道中的分离现象

由于气流的不均匀性以及叶片几何参数不可能完全相同（由于

叶片型线加工情况和安装情况不可能完全相同），当流量小到一

定值时，叶道中气流边界层的分离不可能在所有叶片表面上一下

子同时发生，而总是在一个或几个叶片上首先发生，形成了一个

或几个脱离团。如图15所示，假定叶道II最先产生脱离团，因

而流入该叶道的气流受到阻碍，因而相邻叶道偏转，使流如叶道

I的气流角增大，流向叶道III的气流角减少，于是解除了叶道I

内的气流脱离，而使叶道HI内出现脱离团。流入叶道HI的气流中

又将发生偏转；偏转的气流不断使它前面的叶道解除脱离，而使

后面的叶道形成脱离，出现脱离团的传播。脱离团相对叶轮来说,

是和叶轮旋转方向相反的方向旋转移动，但由于旋转移动速度小

于叶轮旋转速度，所以在绝对运动中，分离团移动方向与叶轮旋

转方向相同，这种现象称作“旋转脱离二

扩压器中也同样存在旋转脱离。带叶片扩压器的压缩机，一般

是在叶片扩压器中最先发生旋转脱离，如果是无叶扩压器，则在

工作叶轮中先出现旋转脱离。

旋转脱离现象的出现，使级进出口压力、流量等参数产生强烈

脉动，且对叶片产生了周期性的交变作用力，导致叶片振动。

2、喘振

(1)喘振的概念

喘振是离心式压缩机本身固有的特性，而造成喘振的唯一直接

原因是进气量减小到一定值。

从前面我们已经知道，当气量减小到一定程度时，会出现旋转

脱离，如这时进一步减小流量，在叶片背面将形成很大的涡流区

域，气流分离层扩及整个通道，以至充满整个叶道，而把流道阻

塞，气流不能顺利的流过，这时流动严重恶化，压缩机的出口压

力会突然大大下降，由于压缩机总是和管网系统联合工作，这时

管网中的压力不会马上减低，于是管网中的气体压力就发大于压

缩机的出口处的压力，因而管网中的气体就倒流向压缩机，一直

到管网中的压力下降到低于压缩机的出口压力为止，这时倒流停

止，压缩机又开始向管网供气，经过压缩机的流量又增大，压缩

机又恢复到正常工作。但当管网中的压力恢复到原来压力时，压

缩机的流量又减少，系统中的气流又产生倒流，如此周而复始，

就在整个系统中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象就称作

“喘振”。

喘振现象不但和压缩机中严重的旋转脱离有关，还和管网系统

有关。管网的容量越大，则喘振的振幅越大，频率越低。喘振的

频率大致和管网容量的平方跟成反比。

⑵喘振的现象及判断

机组喘振时，压缩机和其后的管道系统之间产生了一种低频高

振幅的压力波动，整个机组发生强力的振动，发出严重的噪音，

调节系统也大幅度的波动。一般根据下列方法判断是否进入喘振

工况。

A监测压缩机出口管道气流噪音。正常工况时出口的声音是连

续且较低的，而接近喘振时，整个系统的气流产生周期性的振荡,

因而在出口管道处声音是周期性的变化，喘振时，噪音加剧，甚

至有爆音出现。

B观测压缩机流量及出口压力的变化。离心式压缩机稳定运行

时其出口压力和进口流量变化是不大的，是脉动的：当接近或进

入喘振工况时，二者的变化很大，发生周期性大幅度的脉动。

C观测机体和轴振动情况。当接近或进入喘振工况时，机体和

轴振动都发生强烈的振动变化，其振幅要比平常运行时大大增

加。

(3)喘振的危害

喘振是离心式压缩机性能反常的一种不稳定运行状态。发生喘

振时，表现为整个机组管网系统气流周期性的振荡。不但会使压

缩机的性能显著恶化、气流参数(压力、流量)产生大幅度脉动、

大大加剧了整个压缩机的振动，还会使压缩机的转子及定子元件

经受交变动应力，级见压力失调引起强烈的振动，使密封及轴承

损坏，甚至发生转子及定子元件相碰、压送气体外泄、引起爆炸

等恶性时间，因此在操作中必须避免在喘振工况下运行。

⑷喘振的基本原因

实际运行中引起压缩机喘振的原因很多，但基本原因上不外乎

下述两种：第一种：实际运行流量小于喘振流量，诸如生产减量

过多、吸入气源不足、入口过滤器堵塞、管道阻力大、叶轮通道

或气流通道堵塞等。

第二种：压缩机的出口压力低于管网压力。诸如管网阻力增大、

进气压力过低、压缩机转速变化等。压缩机的出口压力低于管网

压力，就会导致压缩机的运行工作点向小流量区域移动，从而进

入喘振工况。这与前面提高的“造成喘振的唯一直接原因是进气

减小到一定值”并不矛盾。

⑸喘振曲线和防喘振曲线

由于对每一转速，压缩机都有对应的喘振流量，小于喘振流量,

压缩机即发生喘振，我们将各转速下所发生的喘振的点连接起来

（特性曲线上的喘振点连接起来），即可以得到一曲线，即为压

缩机的喘振曲线，如图16所示。

因此，千万不要让压缩机在图示的喘振区内运行。这将通过防

喘振控制系统来实现。后面介绍。

喘振曲线通常呈抛物线形，而考虑了防喘振裕度后，就可以在

其右边画出一条与喟振曲线相近的一条线，这就是保护曲线。保

护曲线没有必要与此同时振曲线完全相似，或由喘振曲线平移

来获得，而只要能保证压缩机在正常运转范围内有合适的裕并即

可。这就使得防喘振控制系统仪表的配置和选用变得极为简单，

并更具合理性。

在某一转速下，压缩机的实际流量与该转速下的喘振流量

之比叫喘振裕度。裕度太大，则功率耗量增加，经济性差，太汪

则离喘振点太近，安全性差。一般防喘振裕度在110%—125%左

右，在决定裕度大小时，还应把调节仪表的误差因素考虑进去。

三、离心式压缩机的性能曲线、压缩机与管网联合工作

1.离心式压缩机的性能曲线

压缩机在运行时工况不断变化，压缩机必须改变流量、压力

等参数以满足要求。在一定转速下，把不同流量时的排气压

力（或压力比）、功率和效率用曲线表示出来，这些曲线就

称压缩机的性能曲线。图17所示的是压缩机性能曲线示意

图，该图表示的仅为某一转速下的压缩机性能曲线。在不同

的转速时，可以得到不同的性能曲线，如下图18所示。

性能曲线的特点:

A每个转速下都有一条对应的性能曲线。当转速一定时，流

量增加，出口压力减少；流量减少，出口压力增加。流量一

定，转速越高，排气压力越高；转速增加，性能曲线向右上

方移动。

B随着转速增加，性能曲线变得越来越陡。

C有最大和最小流量限制。

2.压缩机稳定工作区

我们知道压缩机在流量上有最大和最小流量限制；压力方面

有最大压力限制；转速方面有最大转速限制；一般压缩机允许短

期超速到设计转速的105—110%挠性转子必须越过一阶临界转

速。因此，压缩机稳定工作区就是有最大压力限、最大流量限和

防喘振边界线（防护曲线）以及最低运行转速所围成的工况运行

区，,如图19所示。

进汽流量

图19,压缩机稳定工作区

3.离心式压缩机管网系统

实际运行时，压缩机并不是总在设计点工作，这是由于压缩

机总是和管网系统一起联合工作的，管网系统的参数及外界条件

是可能变化的，这就要求压缩机适应管网特性的要求，改变自己

的参数。下面首先介绍管网系统。

所谓管网系统是指压缩机后面压缩气体所需经过的全部装

置的总称，如化工用的压缩机就和化工设备的各种管道与容器连

接工作。这些损失主要是沿管道的速度损失与局部阻力之和。

每一种管网系统都有自己的性能曲线，它是指通过管网的气

体与保证这个流量通过管网所需的压力之间的关系曲线，即p=f

(Q)o由连接管道和压力容器组成的管网，它的管网特性曲线可

近似用下式表示：

P=Pr+AQ2

Pr、A、Q、P分别为容器中的压力、管网的容积流量、管

网的阻力系数和管网的入口压力(等于压缩机的排气压力)。上

式表明，管网阻力是由容器压力和管道阻力两部分组成。如果接

管很短，容器压力高，则管网阻力主要由容器压力确定，管网入

口压力P=Pr为一水平线：如果无压力容器，压缩气体通过管道

和阀门又排往大气，压力下降到大气压力Pa则上式变为：

P=Pa+AQ2

4.离心压缩机与管网的联合运行

如果将压缩机性能曲线与管网性能曲线按同样比例画在一

起，则两个性能曲线的焦点恰好满足二者平衡条件，即稳定运行

点，亦即压缩机与管网联合运行点，如图20所示。则时通过压

缩机的流量与管网流量相等，压缩机产生的压力也正好等于管网

的阻力，整个系统保持平衡。

如果调整管网阀门的压开度，则改变了管道阻力系数A,管

网性能曲线便移动；如果阀门关小，A增加，曲线向上移动。调

整阀门开度，移动管网特性曲线，使压缩机和管网的联合运行点

改变，进而使流量和压力发生变化。管网曲线向上不断移动时，

流量不断减少，减少到一定的程度时，即发生喘振。

压缩机和管网联合工作，在管网中储存一定量气体，因此当

压缩机出口压力突然下降时，管网中压力会大于压缩机出口压

力，气流会从管网流向压缩机，很容易造成喘振。

第四节离心式压缩机组辅助系统

离心式压缩机组的运行只有离心式压缩机及汽轮机本体是

不够的，必须还有一些辅助系统。这些辅助系统主要有：压缩机

的段间冷却系统、汽轮机的蒸汽系统、机组油系统、压缩机密封

系统、机组负荷调节及保护系统、压缩机房喘振系统等。机组运

行中发生的一些事故很多就是由于辅助系统的设计和操作维护

不当引起的。下面就对这些系统作一简介。

一、压缩机的段间冷却系统

我们知道，等温压缩所消耗的功最小。为降低能耗使实际的压

缩过程接近等温压缩，常把气体从压缩机中引出来进行冷却，冷

却到一定的温度后再送回压缩机继续压缩。对压缩比较大的压缩

机尤其如此，这就设置了中间冷却器。确定具体压缩机的冷却次

数应考虑到省功、被压缩介质的特性、以及用户的具体使用条件

等因素。

二、汽轮机的凝汽系统

三、1.凝汽系统的作用和组成

凝汽系统的作用是建立和维持给定有利的排气压力，增大蒸

气的可用焰降，并将排除蒸汽凝结成水，作为锅炉给水循环

利用。蒸汽系统一般由表面凝汽器、循环水回路、凝结水泵

和抽气器等组成。凝汽系统的简图如21所示。

2.抽气器作用：时将蒸汽中带入的空气或由于处在真空系统下

工作的设备及其工作管线、法兰等处结合不严密而漏入的空

气从凝汽器中抽出，以维持凝汽器的经济真空。当然处抽气

器外，还有抽汽冷却器。其作用是将抽气器抽出的蒸汽与空

气混合物中的蒸汽凝结成水，回收利用。

三、机组油系统

1.概述：

机组油系统包括油箱、油泵、管路和阀门、冷却器、过滤

器等。油系统对设备润滑、驱动调节系统、冷却轴承和保证

联锁装置的可靠动作等起着十分重要的作用，是机组安全运

行的保障。供油系统如果不正常，机组就不能启动，如果出

现故障，就会造成压缩机组停车。

2.任务和作用

油系统在机组运行中担负着两个任务：一是向压缩机、汽

轮机轴承及齿轮相等部位提供润滑油；二是向汽轮机调节系

统提供调节油。此外，对于采用油膜浮环密封的压缩机还提

供密封油。

润滑油的主要作用：一是其润滑支撑作用，润滑油形成的油

膜附着机器的摩擦付的润滑间隙中，支承转子并润滑，使其

不至于发生干摩擦，从而大大减小摩擦力。二使其冷却作用，

润滑油；连续不断流入流出，可以把零件由于相对滑动而产

生的热量带出压缩机轴承，以防轴承及机部件因温度过高而

发生“咬合”。

采用油膜浮环密封的压缩机的密封油的作用是通过压力油注

入轴与浮环之间的间隙内，达到用油密封高压气体的目的。

调节油的主要作用是供给调节系统进行信号转化的调节油，

同时供给信号放大机构用的动力油。油系统设置蓄压器的作

用是保证油泵在切换过程中的油压稳定，以免油压波动引起

连锁跳车。蓄压器中有一氮气囊，当油压降低时，气囊扩张,

将蓄压器中的油压出，维持总管油压，以免油压波动大引起

联锁跳车。

四、防喘振控制系统

离心式压缩机常用的防喘振控制系统方案有两种：

1.单参数防喘振控制

单参数防喘振控制系统的原理是使压缩机的负荷永远高于

某一固定流量，如图22所示。

该固定流量通常是最高转速下的特性曲线上喘振点所对应的

流量。这样，压缩机无论在哪一转速下运行，只要能满足负

荷不低于Qmax（考虑到控制系统的超调和安全，一般来说控

制点须大于Qmax的5%—8%,见图中Qmax）,就能防止

喘振的发生。单参数防喘振控制系统的结构比较简单，实施

比较方便，尤其对于经常处于高负荷状态运行的机组来说，

这种控制方式适用的。但是在机组负荷变化比较大的情况下,

特别当机组在低转速运行时，从节能的角度来看，往往有很

大一部分气体被回流和放空，这样就造成了浪费，所以说这

种情况下该控制方式又不太适宜。图22是单参数防喘振系统

原理图。FY是开方器，压缩机入口流量Q入经孔板FE、差

压变送器FT及开方器FY后，输出一个与入口流量成一定比

例的信号作为调节器FC的输入信号,FC的给定值为Qimax。

正常操作时，Q入〉Q^max,调节器存在正偏差，FCV关闭。

当压缩机的负荷降低而使Q入＜Q^max时，调节阀打开时部

分气体回流或放空，以维持打气量大于或等于Qimax。这样

就保证了压缩机安全运行，也就防止了喘振的发生。

2.双参数防喘振控制

若机组的负荷变化较大，为节约能量一般采用双参数防喘

振控制。其原理是以与喘振线有一定距离的一条曲线为控制

线。这样在任何转速下都会有一个不同的流量来控制压缩机,

也就克服了单参数防喘振控制的缺点。图23是不同转速下压

缩机工作特性曲线与控制曲线的关系图。

在实际情况下，如果工艺生产过程中当工艺负荷变化不大时,

压缩机的转速变化也不会大。此时控制线就可以用一条直线

来代替抛物线（见图中的C线）。这种方法能够满足要求，且

能使系统的结构变得简单。

防喘振控制系统的组成元件包括变送器、设定器、运算器、

调节器和调节阀等。变送器感受压力、流量参数的大小及变

化后经运算，把控制县方程两边的计算结果输入调节器进行

比较，最后控制调节阀动作达到防喘振目的。

在手动操作时压缩机应严格遵守：

开车时，必须根据压缩机的性能曲线，遵循“先升速后升压”

的原则；停车时则相反，应“先降压后降速”。具有分段防喘

振控制系统的机组，在实际手动操作防喘振阀时，必须交替

进行，不可顾此失彼，这些必须注意。

五、汽轮机调速调压和保安系统

大型化工厂汽轮机的调速调压系统的作用是调节汽轮机的

转速和抽汽压力'背压维持在设定值上，机组的保安系统在

机组超速、轴向位移大、振动大、油压过低等异常情况出现

时能使机组得到保护。

六、密封系统

由于压缩机的转子和定子一个高速旋转而另一个固定不

动，两者之间必定具有一定的间隙，因此就一定会有气体在

机器内由一个部位泄漏到另一个部位，同时还向机器外界进

行泄漏。为了减少或防止气体的这些泄漏，需要采用密封装

置。防止机器内部通流部分各空腔之间泄漏的密封叫内部密

封；防止或减少气体由机器内部向外界泄漏的或由外界向机

器内部泄漏的密封，叫外部密封或轴端密封。内部密封如轮

盖、定距套和平衡盘上的密封，一般做成迷宫型。对于外部

密封来说，如果压缩的气体有毒或易燃易爆，例如氨气、甲

烷、丙烷、石油气、氢气等等，不允许漏至机外，必须采用

液体密封、机械接触式密封、干气密封等等；当压缩的气体

无毒，例如空气、氮气等等，允许有少量气体泄漏，亦可以

采用迷宫密封等。

1、迷宫密封：

为说明此密封原理，下面对气体通过密封的流动情况进行介

绍，如图24所示。

前后气体有一定的压差，气体从高压端流向低压端，当通过

密封齿和轴的间隙时，气流速度加快，气体压强和温度都要降低。

从间隙流入到下一个齿间空腔时，由于面积突然地扩大，形成强

烈的漩涡，在容积比间隙容积大很多的空腔中气流速度几乎等于

零，动能由于旋涡全部变为热量，加热气体本身，因而气体温度

又从流经间隙时的温度回升到流经间隙前的温度，但空腔中的压

强却回升很少，可认为保持流经间隙时的压强不变。气体再从这

个空间流经下一个密封齿和轴之间的间隙，又进入再下一个齿间

空腔，重复上述过程，如此流经一个个齿，最后从整个密封流出。

气体每从一个大的齿间空腔流经一个小的齿与轴间的间隙，再流

入另一个大的齿间空腔，压强就降低一次，而且随着流动气体比

容不断增加，通过间隙的速度不断加快，因而压强降低得越多，

如图25所示。

安装密封体时，要检查与轴的对中情况，存在偏心会引起漏

气量大大增加，为了保护利用上述现象可起到密封和减少泄漏量

的作用。一方面是因为设置密封装置可使密封齿和轴的间隙比不

设密封齿时的间隙减少很多，减少了流通面积；另一方面由于节

流使每个齿前后压差远比整个密封装置前后压差小。压差和通流

面积减少都使漏气量减少。

轴应注意密封片的材料选择，一般选用比轴软的材料。

2、干气密封

此密封技术源于七十年代初，七十年代末已进入商用阶段。

但运用到我国的压缩机上却比较晚。

原有的二氧化碳压缩机高压缸轴端密封就采用的是干气密

封，使用效果很好，操作维修也方便。

典型的干气密封如上图26所示，是由传统的机械密封变形改

进而来的，它与机械密封有些相似，也是由动环和静环组成,

动环固定在压缩机轴上，与轴一起旋转。与传统机械密封不

同的是干气密封的动环密封面上有一系列的螺旋槽，如图上

所示。

动环材质为碳化鸨（较硬），静环为碳环（较软），这样的设

计选材有利于干气密封的最佳运行及简便维修。

流体的密封是在动环和静环之间的径向结合面间进行的，静

止时密封表面高平面度地贴合在一起。

当旋转时，流体由外向螺旋槽根部运动时增压，该处构成了

密封坝。气流所受离心力和密封坝对流体的流动提供阻滞力,

提高了气体压力。所产生压力作用于动静环密封面并使其分

开；闭合力FC等于系统压力加上很小的弹簧力，分开力FO

等于系统压力降低加上螺旋槽产生的压力。平衡状态时，对

于常见流体，分开的动、静环密封面间间隙为3微米左右。

当FC=FO时，间隙就稳定下来，平衡状态时的受力图如图

27、28、29所示。

如果由于某种干扰，使得密封间隙减少，螺旋槽产生的分开

力将大大增加，这又使平衡恢复，如图所示；同样当由于某

种干扰，使密封间隙增大时，螺旋槽产生的分开力将大大缩

小，密封也同样很快恢复平衡状态。

干气密封允许转子有较大的振动，并且运行维护大大简化,

是目前最流行的密封。

干气密封需要干燥干净的缓冲气，这对于干气密封保持最佳

性能和延长寿命很重要，因此压缩机干气密封系统设计时就

要考虑这些要求，比如有过滤器，缓冲气一般从压缩机排出

管线抽出或来自外部供给气体；此外干气密封系统设计时还

要在干气密封和轴承区域之间注入隔离气（一般为氮气）以

防止泄漏气体进入轴承区域。

根据压缩机的工艺介质、压缩机的进口压力及现场条件，压

缩机轴端用干气密封一般可选用诸如单端面干气密封、双端

面干气密封、串联式干气密封以及带中间进气的串联式干气

密封等形式。单端面干气密封适用于少量工艺气泄漏到大气

中无危害的工况；双端面干气密封适用于不允许工艺气泄漏

到大气中，但允许阻封气（通常是氮气）进入机内的工况；

串联式干气密封也适用于允许少量工艺气泄漏到大气中的工

况，但第二级干气密封主要是作为安全备用密封，该级正常

运行时不承受或承受很小的差压；带中间进气的串联式干气

密封适用于既不允许工艺气泄漏到大气中，也不允许非工艺

气进入机内的工况，且第二级干气密封也起安全备用密封的

作用。

我们现在的循环气压缩机和氨压缩机轴端密封就采用了串联

式干气密封（干气密封为国内制造），而且氨压缩机低压缸轴

端干气密封第一级还是双端面干气密封。

第五节离心式压缩机工况调节的几种方法

一、概述

压缩机在运行时，系统的压力、流量是不断的变化的，这

就要求压缩机的流量、压力也要随着变化，也即要不断的改

变压缩机的运行工况。改变压缩机工况的方法就叫调节。由

于压缩机运行工况点是由压缩机本身性能曲线和管网性能曲

线共同决定的，所以改变运行工况既可以采用改变压缩机性

能曲线也可以采用改变管网性能的方法来实现。

二、几种调节方法介绍

压缩机调节方法有：压缩机出口节流调节、压缩机进口节

流调节、改变压缩机转速、采用可转动的进口导叶、采用可

转动的扩压器导叶调节等方法，下面就逐一介绍。

1.压缩机出口节流调节

这种调节方法是通过开大或关小压缩机出口阀门的开度实

现的，实际上也就是通过改变管网性能曲线实现工况点转移

的。

如下图所示，假设压缩机的出口气体被送往一恒压容器，容

器内压力始终为Pr。在不考虑压缩机出口与容器之间连接管

道阻力的理想情况下，压缩机应稳定在S点的工况下运行。

而实际情况是出口阀门和管道阻力是存在的，在考虑了出口

管道的性能曲线的情况下，压缩机的运行工况点实际上是在

S,点。此时若再关小压缩机出口阀，则管网性能曲线就变得

更陡，实际上工况点上移至1处，反之若开大出口阀，则管

网性能曲线趋于平坦，压缩机的运行工况点又下移至2处。

显然这种出口节流法会带来节流损失。当调节量比较大时，

阀门的这个附加损失也是相当大的，这种方法很不经济，而

且喘振限没有改变，一般很少用。

2.压缩机进口节流调节

这种调节是将调节阀门安装在进气管线上，通过改变阀

门开度的大小，就可以改变压缩机的性能曲线，从而达到调

节目的。这种方法实际上是通过改变实际压缩机进口压力而

改变压缩机运行工况点的。如上图30所示。

在下图31曲线上1为调节阀门全开时的压缩机性能曲线，这

时Pin=Po。调节时关小阀门即经过节流Pin〈Pa。在固定阀门

开度情况下，Pin的大小是随流量的大小而变化的，流量增加,

阀门的损失也就增加，Pin就愈低。若压缩机转速不变，压缩

机进口压力下降，则出口压力也下降，于是进口节流后的压缩

机的性能曲线就往右下方移动。通过改变进气节流阀开度，就

可以相应地改变压缩机性能曲线位置，正是利用这一点来进行

调节的。

进口节流比出口节流的经济性好，因为节流后喘振流量向

小流量方向移动，使压缩机能在较小的流量下工作，扩大了稳

定运行范围。但采用进口节流阀仍带来一定的节流损失，此外

节流时要注意使阀门后的气流保持均匀，以免影响到压缩机的

工作而降低效率。空分装置的增压机就采用这种调节方式。

3.改变压缩机转速调节

我们知道，当压缩机的转速改变时其性能曲线也跟着改

变，所以可用改变压缩机转速的方法改变工况点来满足

用户的要求。变转速调节并不引起其它附加损失，只是

调节后新的工作点不一定是效率最高点，而是效率有所

下降。这种调节方法不要求机器中装备调节用的可动部

件，因此压缩机本身的结构可以简单，制造方便，加之

目前大型压缩机大都采用蒸汽透平驱动，这样就可以方

便的满足改变转速的要求。氨压缩机就采用这种调节方

式。

4.采用可转动进口导叶调节（进气预旋调节）

这是一种改变叶轮前进口导叶的角度，使气产生预旋

转进而改变压缩机性能曲线的调节方法。进口导叶可绕本身的轴

转动。转动后使进口气流产省与叶轮旋转方向一致的旋绕，称为

正旋绕，反之称为负旋绕。当进口由正旋绕变成负旋绕时，这个

压缩机的性能曲线有向大流量区移动的趋势，而且在同一流量上

的能量头有明显的增加，能量头曲线变得愈来愈平坦，喘振流量

值有所增大，见图33所示。对强后弯叶轮的离心式压缩机，这

种调节方法不理想，而通风机和轴流压缩机采用这种方法还可

以。采用这种方法，可转动导叶的形状要设计得好，叶片要有良

好的气动性能，这样也就不会像进口节流阀门调节那样产生较大

的损失。所以采用这种方法有较好的经济性。循环气压缩机和空

压机就采用这种调节方式。

5.采用可转动的扩压器叶片调节

这种方法是装设可转动的扩压器叶片，在流量变化时相

应的改变叶片扩压器进口几何角度以适合改变了的工

况，避免在叶片扩压器中首先产生严重的脱离而导致喘

振，从而扩大了稳定工况范围。这种方法很少把它作为

单独的调节方法使用，一般是和其它方法联合使用，特

别是和改变转速的调节方法联合使用，有很好的效果。

这种方法的实质也是改变压缩机的性能曲线。

此外还有压缩机放气调节方法，这种方法的实质是改变

管网的性能曲线。放气调节时把出口气体放空一部分或

打循环到入口。无疑这种方法经济性最差，一般只用于

防喘振回路。

三、各种调节方法比较

1.改变压缩机转速的调节方法，经济性最好，调节范围广，

它适用于由蒸汽透平、燃气透平驱动的离心式压缩机。

2.压