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1第第第第10章章章章轴流式压缩机轴流式压缩机轴流式压缩机轴流式压缩机气体在压缩机气缸中沿轴向流动的压缩机称为轴流式压缩机。轴流式压缩机与离心式压缩机都属于透平式压缩机。与离心式压缩机相比，轴流式压缩机具有流量大、体积小、重量轻和设计工况下效率高等优点；但是，它也存在稳定工况范围较窄、性能曲线较陡、变工况性能较差和叶片易磨损等缺点。轴流式压缩机多用于炼油、化工和钢铁等行业。10.1轴流式压缩机的基本组成及工作原理轴流式压缩机主要由机壳、转子、静叶承缸、调节缸等组成。基本结构和主要元件见图10－1所示。图10－1轴流式压缩机剖面图1－机壳；2－静叶承缸；3－调节缸；4－驱动环；5－轴承箱；6－径向轴承；7－油封；8、9－密封套；10－进口收敛器；11－扩压器；12－螺栓；13－垫圈；14－支腿；15－导向键；16－转子；17－联轴器；18－调节缸支撑；19、20－伺服马达；21位移监视器；22－止推轴承；23－径向轴承；24－热电偶轴流式压缩机气体的运动是沿着轴向进行的，其间排有动、静相间扭曲形的叶片，转子高速旋转使气体产生很高的流速，而当气体流过依次串联排列着的动叶片和静叶栅时，速度就逐渐减慢，气体得到压缩，其动压能转变为静压能，从而达到输送气体并增压的目的。10.2轴流式压缩机的分类轴流压缩机按末级是否配置离心叶轮可分为两大类，即纯轴流式压缩机和轴流－离心混合式压缩机。纯轴流式压缩机的末级未配置离心叶轮，轴流－离心混合式压缩机的末级配置有离2心叶轮。轴流－离心混合式压缩机因末级配置有离心叶轮，能防止已压缩介质在末级轴向级中膨胀，避免转子动叶中发生附加高动力负荷，增加了操作的安全可靠性，另外，还使机组性能曲线的阻塞线大幅下移。10.3轴流式压缩机的性能曲线图10－2恒速静叶可调轴流式压缩机的特性曲线对静叶可调型轴流压缩机来讲，静叶栅每一角度的变化，都对应于一条曲线，所以调节静叶角度，可使一根根孤立的、特性较陡的曲线形成流量变化范围宽阔的可调区域，从而满足操作的需要。恒速静叶可调式轴流压缩机的特性曲线如图10－2所示，其安全运行区域为A、B、C、D线所围成的区域。就某一静叶角度下的“流量―出口压力”特性曲线分析，它有以下特点：(1)随着流量减小，压力起初升高然后下降。最高点将特性线分成左右两支，右支对应流量减少时压力增加的情况，左支则对应流量减小压力下降的情况。左支部分的特性线发展情况可见图10－3。由于实际运行时不能在不稳定工况区，所以厂家只提供右支曲线以供使用。3图10－3左支部分的特性线发展情况(2)当气体流量减小到一定程度时，压缩机进入失速区(不稳定工况区)，叶片发生振动，各静叶角度下的特性线均有失速时的最小流量点，各点的连线叫失速边界线即喘振线，至于此时是否喘振还要取决于机后管网情况。(3)当气体流量增加到一定程度时，压力急速下降，压缩机进入阻塞区，叶片发生颤振。如同喘振边界线一样，也可作出一条阻塞边界线。(4)转速升高，特性曲线变陡。(5)在同一进气压力与温度条件下，“流量―出口压力”与“流量―效率”曲线都有最大值，但最高效率与最大压力并不在同一工况点上。(6)仅改变进气压力，压缩机的压比与效率不会变化，但流量与功率将与进口压力成正比变化。(7)大气温度变化对特性曲线的影响：①风机流量与大气绝对温度成反比例。气温低，吸入重量流量少；气温高，吸入流量多。为此，主风机在运行时应注意按季节特性操作，冬季可提高装置处理量以发挥主风机的供风能力，而夏季操作应注意喘振。②当气温下降时，压力呈上升趋势；气温上升时，压力呈下降趋势。10.4轴流式压缩机的旋转失速、喘振和阻塞轴流式压缩机在实际运行中，并不一定总是在设计工况下工作，当运行条件改变时，其工况点就会离开设计点，而进入非设计工况区域。这时实际的气流流动情况就与设计工况有差别，而且在一定条件下产生了不稳定流动工况。从目前来看，有这样几种比较典型的不稳定工况，即旋转失速工况、喘振工况及阻塞工况。这三种工况都属于气体动力不稳定工况。当轴流式压缩机在上述这些不稳定工况下工作时，不仅会大大恶化工作性能，有时还会发生强烈的振动，使机器不能正常工作，甚至产生严重的破坏事故。410.4.1轴流式压缩机的旋转失速轴流式压缩机特性曲线静叶最小角度与最小工作角度线之间的区域称旋转失速区。旋转失速又分为渐进失速和突变失速两种类型。当风量小于轴流式主风机的旋转失速线限值时，叶片背面气流产生脱离，机内气流形成脉动流，使叶片产生交变应力而导致疲劳破坏。为了防止失速，要求操作者熟悉机特性曲线，启动过程中快速通过失速区，操作过程中应按制造厂的规定，使最小静叶角度不低于规定值。10.4.2轴流式压缩机的喘振在压缩机与一定容积的管网联合工作时，当压缩机在高压缩比、低流量下运行，一旦机流量小于某一定值，叶片背弧气流严重脱离，直至通道堵塞，气流强烈脉动，并与出口管网的气容、气阻间形成振荡，此时机、网系统气流的参数出现整体大幅度波动，即气量、压力随时间大幅度周期性变化；压缩机的功率以及声响均周期性变化。上述变化非常剧烈，使机身强烈振动，乃至机器无法维持正常运行。这种现象称为喘振。由于喘振是整个机、网系统发生的现象，因此它不但与压缩机内部流动特性有关，且决定于管网特性，其振幅、频率受管网容积的支配。喘振所造成的后果常常是严重的，它会使压缩机转子与静子元件经受交变应力而断裂，使级间压力失常引起强烈振动，导致密封及推力轴承的损坏，使转子与静子相碰，造成严重事故。特别是高压的轴流式压缩机，发生喘振可能在短时间内即毁坏机器，所以是不允许压缩机在喘振工况下运行的。从上面的初步分析中得知，喘振的产生首先是由于变工况时压缩机叶栅中气动参数与几何参数不协调，形成旋转失速所造成。但并不是旋转失速都一定导致喘振的发生，后者还与管网系统有关。所以说喘振现象的形成包含着两方面的因素：从内部来说，它取决于轴流式压缩机在一定条件下出现强烈的突变失速，从外部来说，又与管网的容量及特性线有关。前者是内因，后者是外界条件，内因只有在外界条件的配合下，才促使喘振发生。10.4.3轴流式压缩机的阻塞压缩机的叶片喉部面积是固定的。当流量增大时由于气流轴向速度增大，气流相对速度增大，负冲角（冲角为气流方向与叶片进口安装角之间的夹角）也随之增大。此时，叶栅进口最小截面上平均气流将达到音速，这样通过压缩机的流量就达到一临界值而不再继续增大，这一现象叫阻塞。这种初级叶片的阻塞决定了压缩机的最大流量。当排气压力降低时，压缩机内的气体将因膨胀体积增加而使流速增加，当气流在末级叶栅达到音速时也发生堵塞。由于末级叶片气流受5阻，末级叶片前的气压升高，末级叶片后的气压降低，造成末级叶片前后的压差加大，这样末级叶片前后受力不平衡而产生应力，也可能导致叶片损坏。一台轴流式压缩机当其叶型和叶栅参数确定后，其阻塞特性也就固定了。轴流式压缩机不允许在阻塞线以下区域过久运行。一般来说，轴流式压缩机的防阻塞控制无需象防喘振控制那样严格，控制动作不要求很快，也不必设脱扣停车点。至于要不要设置防阻塞控制也由压缩机本身的要求决定。一些生产厂家因设计时已考虑到了叶片的加强，可以经受颤振应力的增大，可不设防阻塞控制。若厂家设计时未考虑阻塞现象出现时叶片强度需增加，则需设有防阻塞自控设施。轴流式压缩机的防阻塞控制方案如下：在压缩机的出口管路上设一蝶形防阻塞阀，将入口流量和出口压力这两个检测信号同时输入防阻塞调节器。当机出口压力异常下降，机运行工况点落在反阻塞线下面时，调节器的输出信号送进防阻塞阀使该阀关小，因而风压增加，流量减小，工况点进入反阻塞线以上，机摆脱阻塞工况。10.5轴流式压缩机的结构特点1．机壳轴流式压缩机机壳设计成水平剖分，便于拆卸和组装。机壳一般由铸铁铸造而成。铸铁结构具有不易变形、吸收噪音和减振性能好等优点。机壳的进出口法兰均垂直向下。机壳分4点支撑在底座上，4个支撑点设计在接近下机壳中分面处，分布在下机壳的两侧，而不是布置在机壳的两端，此种机壳支撑方式具有一定的稳定性，可减少热膨胀而引起的机组热变形。四个支撑点中，排气端的两点为固定点，进气端的两个点为滑动支撑点。机壳的中分面用予应力螺栓把上下机壳连接成二个刚性很强的整体，予应力螺栓的予紧力是通过计算确定的。2．静叶承缸静叶承缸也设计成水平剖分型，中分面用螺栓连接形成一个内孔有很小锥度的筒体，与转子组成一个轴流式压缩机的流道。这个通道的几何尺寸通过气动计算确定。叶片承缸的缸体一般由铸铁铸造而成，通过两端支撑在机壳上。靠进气侧一端为固定支撑，靠排气侧的一端设计成滑动支撑以满足缸体热膨胀的要求。承缸的进气侧相配的是进口圈，承缸排气侧相配的是扩压器，分别与其他元件组成一个收敛通道和扩压通道，从而构成一个完整的轴流通道。在叶片承缸上装有支撑静叶的静叶轴承，静叶及其附件全部支撑在静叶轴承上，静叶轴承6采用石墨材质，具有很好的自润滑作用和密封作用。静叶由2Crl3等坯料精加工而成，叶型表面进行湿式喷砂处理。3．调节缸调节缸一般用碳钢钢板焊接而成，水平剖分，有较好的刚性，支撑在机壳上，四个支撑轴承布置在靠近中分面的下缸体两侧。调节缸安装在机壳与静叶承缸之间，因此有时也称为中缸，机壳为外缸，叶片承缸为内缸。调节缸一般取4个轴承且是无油润滑轴承。调节缸的内部相对应于各级静叶片装有各自的导向环，分为上下两半，分别安装在上下缸体上。调节缸用于调节轴流式压缩机的静叶角度，在伺服马达作用下作轴向往复移动。导向环的作用是使滑块也作轴向往复移动，而滑块通过曲柄与静叶叶柄相连，因此调节缸的轴向移动可使静叶得到转动运动，从而实现调节静叶角度的目的。各级静叶调节角度的大小由各级曲柄的长度决定。4．转子及动叶片轴流式压缩机的转子是由主轴、各级动叶片、隔叶块及叶片锁紧装置等组成。作为高速旋转部件，对轴流式压缩机转子要求有足够的强度和刚度，结构紧凑。轴流式压缩机转子种类多，但基本上可以分为转鼓(鼓筒型)、轮盘型和盘鼓结合型三种(表10－1)。表10－1轴流式压缩机转子分类分类简图特点鼓筒型结构简单，加工量少，刚性好（多为刚轴），动叶周向装入。但强度差，轮缘许用周向速度低，u≤150～180m/s盘轴型叶轮与轴用过盈连接，可以不用键而靠过盈予紧力传递扭矩。动叶可轴向装配，刚性较差，一般为柔性轴焊接式盘鼓结合型径向销钉式刚性、强度都较好。使用最广泛。它又分：(1)焊接式。要求焊接技术较高，薄叶轮要求使用先进焊接技术，如电子束焊等7分类简图特点拉杆式（a）轴向（b）端面齿（c）摩擦传扭销钉传扭传扭(2)径向销钉式。叶轮过盈配合并压人轴向销钉(3)拉杆式。有中心拉杆和外围拉杆两种。传递扭矩有2轴向销钉传扭，端面齿传扭，端面摩擦传扭动叶分为叶身1，（图10－4）和叶根2，叶身为叶片的型线部分，厚度一般为弦长的2.5％～8％。叶根形式可分为燕尾型、纵树型、齿型以及销钉型等，将叶片固定在转鼓或轮盘上，传递叶片对转鼓或轮盘的作用力。燕尾型叶根尺寸紧凑，加工方便，轮缘强度好，是压缩机常用的叶根形式。叶片可以轴向或周向装配。周向装配时，在转鼓或轮盘上带有两个相距180°的槽口，装配时叶根（包括隔块）从槽口放入，顺环形槽推到应有的位置。为了使最后的一个叶片得以固定，可采用各种锁块加以锁紧。图10－5是一种齿型叶根锁紧法的示意。装入最后叶片4之后，装入附件l，并用楔子2予以压紧，而楔子则用螺钉3加以固定，为了使螺钉不脱出将螺钉冲压几个点。图10－4动叶(a)燕尾型叶根；(b)纵树型；(c)齿型；(d)，(e)销钉型L－叶身；2－叶根；3－过渡部分图10－5叶根锁紧法示意8图10－6所示的结构，适应于锁紧邻近的两排叶片。两排叶片合用一个槽口，装入最后一个叶片之后，可将锁紧块1放入，然后再装锁紧块2，并用楔子3予以固定。可用螺钉或锁紧块的嵌边将楔子固定。上述两种固定方法都是对叶根和间隔块做成一体的叶片而言，显然这种叶片的毛坯大，装配较复杂，在圆环槽上要开槽口，势必削弱转子的强度。因此，叶根和间隔块分开做（图10－7），叶根较窄，可以斜着放入槽内，然后再转动，使叶根嵌入槽中(图10－8)