空分配套的透平压缩机讲义

回流器也叫消涡器，它紧接着弯道，和弯道配合使用。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。整体齿轮式压缩机和等温型压缩机也没有回流器。

6，蜗壳

蜗壳的作用是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。在大多数情况下，蜗壳对气流起到一定的降速扩压作用，但气流在蜗壳中扩压效率很低，故应在几何尺寸允许的情况下尽量降低气流进入蜗壳的流速。在某些场合也用环形通道代替蜗壳。

7，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。为防止气体级内倒流，在轮盖处设有轮盖密封；为防止气体级间倒流，在轮盘处设有轮盘密封；为防止气体与外界相互泄漏，在轴端设置了轴端密封；为减少气体在平衡盘的泄漏，在平衡盘设置了平衡盘密封。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。

8，轴承

轴承可以有多种形式，一般有滚动轴承、强制润滑油轴承、脂润滑轴承、气体静压轴承、气体动压轴承、磁浮轴承等

离心式压缩机一般采用强制润滑油轴承和滚动轴承，在空分设备中配套的离心压缩机由于转速较高均采用强制润滑油轴承。

离心式压缩机的每一个转子一般有二付径向轴承和一付止推轴承。 径向轴承有多种形式，常用的有圆瓦轴承、椭圆瓦轴承、错口瓦轴承、可倾瓦轴承、挤压油膜等，现在大量用的是可倾瓦轴承，图8-8是

可倾瓦块式，可倾瓦轴承有五个瓦块，周向均布，轴衬的配列位置与主轴颈同心。

瓦块“A”为钢制件，内孔浇铸巴氏合金。它与垫块“B”连在一起。装在轴承壳“C内”内的瓦块可以绕着自己的转动轴线（与主轴颈中心线平行）单独摆动，同时由螺栓“D”周向限位，使它在工作时不会与轴颈一起转动。这种轴承对于减振是十分有效的。油从轴承壳的外侧环形间供入，经过轴承间隙回油。

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。由于瓦块之间的间隙大，油膜不连续，与油膜旋转有关的不稳定性也就难以形成。

均压止推轴承带有油量控制环，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。

考虑油膜及轴的热膨胀，必须保持足够的间隙。 五，离心式压缩机的辅机

仅有离心式压缩机的主机是不够的，必须配套有辅机及辅助设备成为机组，才能发挥压缩机的作用。离心式压缩机的辅机有驱动机、齿轮增速机、气体冷却器、强制供油系统和气油水管路系统等

1，驱动机

离心式压缩机一般由电机、汽轮机或燃气轮机驱动。冶金、化肥等行业较多采用电机驱动，石化等行业由于蒸汽充足较多采用汽轮机驱动，西气东输的管线压缩机采用燃气轮机驱动。

2，齿轮增速机

四极电机的转速为~1500RPM 二极电机的转速为~3000RPM，而离心式压缩机比较合适的转速比电机要高得多，因此齿轮增速机是提高转速的最佳选择。对于整机压比较高的压缩机，会分成几个缸，各缸之间的转速也不一样，也需要齿轮增速机。对于整体齿轮式压缩机，齿轮增速机根本就是压缩机密不可分的一部分。

齿轮增速机大概有二种结构：平行轴式和行星轮式。

平行轴式齿轮增速机由一对或二对平行齿轮啮合来增速，结构比较简单，可以传递很大的功率。使用非常普遍。

行星齿轮增速机由内齿轮、太阳轮和三只行星轮来进行增速传递功率，结构非常紧凑，增速比很高。但内齿轮的加工较困难。

3，气体冷却器

气体冷却器在离心式压缩机中非常重要，也是离心式压缩机能耗高低的重要影响因素。要求有足够的冷却效果和较低的气体阻力。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。

空分配套压缩机的气体冷却器一般采用管壳式的列管式、叠片式、高低螺纹管式。杭氧的氧气离心式压缩机为列管式结构，氧气走管程冷却水走壳程，空气和氮气压缩机为叠片式或高低螺纹管式，气走壳程冷却水走管程。湿空气冷却器还带有气水分离器。气体冷却器中卧式布置较多。

考虑到壳程和管程温度差别引起的热变形不同，一般要求采用浮动管板结构，利用管板的浮动来补偿。

4，强制供油系统

供油装置是对主电机、增速机和压缩机主机强制润滑和冷却的透平油的循环再生装置，是离心式压缩机运行的最基本条件。

采用滚动轴承、静动气体轴承和磁浮轴承的场合不需强制供油系统。

六，离心式压缩机的基本方程和热力学基本定理

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，我们不讨论复杂的三元流动，仅仅对经典的一元流动作一描述。为了研究方便，我们必须在工程精度范围内对流动作一定的假设：

（1），流体是连续的； （2），是理想流体，即无粘； （3），流动是定常的； （4），沿流道的每一截面气流参数是相同的，可用一平均参数来表达，即把离心式压缩机中的流动简化为一元流动。

1，欧拉方程式

由于叶轮对气体作功，所以叶轮进口到出口截面气体运动速度就有变化。因此，研究叶轮作功大小，必须讨论叶轮进出口的气流速度。为了研究方便，我们把气体运动时的圆周速度、相对速度和绝对速度画成一个速度三角形，称为气流速度三角形。如图2－1所示，

c1

、c 2为叶轮进出口的气流绝对速度，c 1r、c 2r为叶轮进出口的气流绝对速度在径向的分速度，c 1u、c 2u为叶轮进出口的气流绝对速度在圆周方向的分速度；w1、w 2为叶轮进出口的气流相对速度；β1、β2为相对速度与圆周速度反方向的夹角，确定了叶轮进出口气流相对速度的方向；α1、α2为绝对速度与圆周速度方向的夹角，确定了叶轮进出口气流绝对速度的方向。从图可知如下关系式,

w 12=u12+ c 12-2 u 1 c 1u 1-1a w 22= u 22+ c 22-2 u 2 c 2u 1-1b

及

c 1u = u 12- c 1r cosβ1 1-2a c2u = u22- c2r cosβ2 1-2a

按照动量矩定理和能量守恒定理可以推导出单位质量气体理认能量头和气体速度之间的关系：

hth= c 2u u 2 - c 1u u1 1-3a

或

hth=( u22 -u 12 )/2+( w12 -w 22 )/2+( c22 -c 12 )/2 1-3b

公式(1-3a)和公式(1-3b)称为欧拉方程式，是透平压缩机的基本方程式。

2，能量方程式

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。

Htot= hth+ hl+ hdf 1-4

根据能量守恒定理可以推导出能量方程式，具体过程在此不作推导

Wtot±Q0= Cp(T2-T1)+ (c22-c12)/2=h2-h1+(c22-c12)/2 1-5

对于离心式压缩机，可以忽略与外界的热交换，则能量方程为：

Wtot = Cp(T2-T1)+ (c22-c12)/2=h2-h1+(c22-c12)/2 1-5 3，伯努利方程式

从气体动力学可知，离心式压缩机叶轮对单位气体所作的功，还可以与使气体升高的靜压能联系起来，由通用伯努利方程式来描述：

Wth =∫12dp/ρ+ (c22-c12)/2+hhyd 1-6

如果计及漏气损失和轮阻损失，通用伯努利方程式可写成：

Wth =∫12dp/ρ+ (c22-c12)/2+hhyd + hl+ hdf 1-6 4，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，现分别讨论三个过程的压缩功。

（1），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。因此

－∫12pdv＝－∫12（RT1）/vdv=RT1ln(v1/v2)= RT1ln(p2/p1) 及

∫12d(pv)= p2v2－p1v1=0 等温压缩功为：

Wt= RT1ln(p2/p1) 1-7

根据热力学第一和第二定理，等温压缩功在温熵（T-S）图中可以用过程曲线与坐标轴围成的面积来表示，如图1－1a中ab12”所围成的阴影面积，说明等温过程所加入的压缩功等于传给外界的热量。

（2），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

空分配套的透平压缩机

一，简述

深冷法的空气分离设备中，必须配套有各种用途的压缩机。可以粗分为压送原料空气的空压机，压送产品氧气的氧压机，压送产品氮气的氮压机三大机组，在内压缩流程和液体设备中还有对循环气体进行增压的循环压缩机。其他还可能有仪表空气压缩机，氩气压缩机，氦气压缩机等。

对于定指的空分设备，不是所有的压缩机都需要配置。需配置的压缩机的品种，数量和类型是由流程和用途来决定的，但是原料空气压缩机是每套空分必须配置的，因为它是外压缩流程空分设备原料和能量的唯一来源（内压缩流程空分的部分能量是由循环压缩机提供的）。

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。

空分工艺流程组织者根据空分设备工艺流程所要求的流量，压力等参数和各种压缩机的参数适用范围确定选用压缩机的类型。一般地，原料空气流量在5000Nm3/h（相当于一千空分）及以上和原料空气流量在300000 Nm3/h（相当于六万空分）以下的原料空气压缩机选用离心式。原料空气流量大于300000 Nm3/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600000 Nm3/h)。原料空气流量在5000 Nm3/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。

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。

二，离心式压缩机的工作原理

离心式压缩机基本工作原理是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。

图1-1为典型的离心压缩机简图。气体由吸气室吸入，经过叶轮做功获得能量，使气体的压力、速度提高，并同时提高气体温度，然后进入扩压器扩压，使速度降低，

压力进一步提高。弯道和回流器主要起导向作用，使气流顺利进入下一级继续压缩，最后由末级出来的高压气体经蜗壳和出气管排出。由于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，即由某中间级出口的高温气体，不直接进入下一级，而是引至冷却器进行冷却，冷却后的低温气体再进入下一级压缩。 三，离心式压缩机的典型结构

离心式压缩机有单轴型结构的，即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。单轴型离心式压缩机又有一些不同的种类，如图1-2为单轴等温型压缩机，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。图1-3为单轴多级型压缩机，

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。图1-4a为整体齿轮型压缩机（双轴），图1-4b为整体齿轮型压缩机（三轴），其特点是一根轴一个转速，可以使每个叶轮处于最佳的比转速，最佳的线速度，可以充分发挥每个叶轮的能力，轴向进气也使叶轮效率较高。因此整体齿轮型压缩机近几年的发展较快。

图

1-5为英格索兰的多轴型压缩机结构，其特点与整体齿轮型压缩机类似，但它没有蜗壳，并将气体冷却器集成于排气结构上，使整体结构更紧凑。

上述种类的离心式压缩机在空气分离设备中均获得了广泛应用。 四，离心式压缩机的基本组成

无认何种型式的离心式压缩机，都是由各种零件组成。我们将各种组成零件分成两大类：可以转动的零、部件统称为转子，不能转动的零、部件统称为静子或固定元件。气流在各种零、部件相互之间构成的流道中流动，在某些零、部件中获得能量，提高压力和流速；在某些零、部件中进行扩压，提高静压；在某些零、部件中整理流场，为后续工作服务。

（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。

1，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。

离心叶轮按结构型式一般分闭式叶轮和半开式叶轮两种：①由轮盘、轮盖和叶片组成为闭式叶轮；②由轮盘和叶片组成为半开式叶轮。

离心叶轮按叶片形状一般分一元叶轮、二元叶轮和三元叶轮三种：一元叶轮在压缩机中已不用；二元叶轮的叶片为非空间扭曲的：三元叶轮的叶片比较复杂，叶片面是扭曲的空间曲面。若空间曲面的母线是直线则称为直纹面叶轮，这种叶轮可以侧铣加工；若空间曲面没有直线母线则称为自由曲面叶轮，这种叶轮只能点接触加工或压模压制叶片然后焊接。

离心叶轮按工艺方法又可分为铆接叶轮、焊接叶轮、铣制焊接叶轮、整体铣制叶轮、钎接叶轮、整体铸造叶轮等。

2，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。

3，平衡盘

在多级离心式压缩机中，由于每个叶轮两侧的气体作用力不同，使叶轮具有非零的轴向力，这个力一般指向叶轮进口，而各叶轮的排列无法完全平衡这些轴向力，其合力就是转子的轴向力，若轴向力太大，设置的止推轴承无法承受，则对离心式压缩机的正常运转不利。因此，我们就在转子上设置一平衡盘，它一般位于高压端。平衡盘的外径是迷宫密封，密封前面是高压，密封后面的腔（平衡腔）接入压缩机进口等低压区域，形成平衡盘前后的压力差，依靠压力差，在平衡盘上产生一与叶轮轴向力之和相反的轴向力与之平衡，从而降低转子轴向力。通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余轴向力由设置的止推轴承承受，这样能使转子在变工况和其余外加力的影响下不会产生轴向串动，使压缩机能稳定运行。

（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。

1，机壳（或箱体）

对于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。它是静子中最大的零件，通常是铸造或焊接的，高压离心式压缩机为圆筒形锻钢。压力不太高的机壳一般有水平剖分面，以便于装配及检修。上下机壳用定位销定位，用螺栓连接。吸气室和蜗壳可以部分或全部由机壳形成。

对于整体齿轮式压缩机，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，因此，齿轮箱体是整体齿轮式压缩机静子中最大的零件。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。

2，进口导叶

进口导叶也叫进口导流器 进口导叶安装在每个叶轮的进口（大部

分情况仅在第一级进口前设置）。它由一 组彼此联动旋转的小叶片组成，叶片呈放射状分布（径向型导叶是一环形叶栅），每一个叶片均有一个小圆锥齿轮与一个大锥形齿轮圈啮合，如图4-7所示。可以通过气动或电动的执行机构自动控制大锥形齿轮圈的转动，也可用手动控制。小圆锥齿轮则带动全部叶片转动，

图4-7 入口导流器调节装置 从而改变叶轮进口处的流通截面，同时改变叶轮进口处的气体流动方向，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。由于齿轮加工成本较高以及齿侧间隙引起的导叶不同步，目前大部分用铰链传动代替齿轮传动。

3，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。扩压器一般有无叶扩压器、叶片扩压器和少通道扩压器等多种形式。

叶片扩压器又有机翼型扩压器、低稠度扩压器（LSD）、单圆弧叶片扩压器、直壁型扩压器等多种形式。

4，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。它一般是由机壳和隔板或隔板与隔板构成的环形空间。整体齿轮式压缩机、等温型压缩机和带少通道扩压器的场合没有弯道。

5，回流器

比热比。过程方程式为pvk=常数。因此

－∫12pdv＝－∫12p1v1k/v k dv=1／（k-1）RT1 ((p2/p1)(k-1)/k-1)

及

∫12d(pv)= p2v2－p1v1=RT2-RT1 等熵压缩功为：

Ws=k/(k-1) RT1((p2/p1)(k-1)/k-1) 1-7

根据热力学第一和第二定理，等熵压缩功在温熵（T-S）图中可以用过程曲线与坐标轴围成的面积来表示，如图1－1b中ab2’2”所围成的阴影面积。比较图1－1a和图1－1b可知，等熵压缩过程比等温压缩过程多了一块12’2”的面积，这部分面积的功是为了克服由于压缩过程中气体温度升高，分子运动速度加快，分子间斥力增加而多耗的功。

（3），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：

Wpol=m/(m-1) RT1((p2/p1)(m-1)/m-1) 1-7

根据热力学第一和第二定理，多变压缩功在温熵（T-S）图中可以用过程曲线与坐标轴围成的面积来表示，如图1－1c阴影面积。比较图1－1a、图1－1b和图1－1c可看出，多变压缩过程比等熵压缩过程多了一块122’的面积，由于多变压缩过程存在损失，耗散部分的功转化为热量使温度升高，这部分面积的功就是为此而多耗的，损失越大耗功越大。从以上三个过程的比较可以得出如下结论：在同一压缩比下，气体终温越高，耗功越大，越接近等温过程，耗功越省。

因

此在工程实践中，采用设置中间冷却的办法来减少压缩功是一个非常经济的选择，图1－1描述了相同压缩比下无中间冷却和有二次中间冷却的耗功差别。无中间冷却时，压缩所需功为ab2’2”围成的面积；有中间冷却时，压缩所需功为aa113’2”,a1a212’12”和a2b11’11”所围成的面积，少了11”12”12’和12”13’2” 所围成的面积，这部分面积所表示的就是通过冷却器传递给外界的热量。

5，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ηT，等熵效率ηs和多变效率ηpol。

（1），等温效率ηT

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 ηT＝WT／Wtot

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。

（2），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＝Ws／Wtot

略去动能变化，还可写成

ηs＝(T2’-T1)／(T2-T1) （3），多变效率ηs

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＝Wpol／Wtot

略去动能变化，还可写成

ηpol＝(m/(m-1))／(k/(k-1)) 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)

七，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。

1， 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。

流量下降，冲角增大，由于进口气流本身的不均匀性、加工上的问题而造成各叶片间几何结构的微小差异等原因，总会在某一个或几个叶片上最先发生气流脱离现象，形成一个或几个脱离区，我们称之为“脱离团”。该叶片附近的流动情况即恶化，而出现了明显的流量减小区，这个受阻滞的气流使它附近的气流方向有所改变，引起流向转向后面叶片的气流冲角增大，转向前面叶片上的冲角减小。于是后面叶片叶背上出现脱离，同时解除了前面叶片上的脱离。如此，在相对坐标系上看，引起了脱离团沿转速的反方向传递。由试验得知，叶轮中脱离团的传递速度小于转速，所以从绝对坐标系来观察，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”，这种压

缩机级在非设计工况下，由于工况变化导致叶片通道中产生严重的气流脱离，形成旋转脱离现象，而使级性能明显恶化的情况，称之为“旋转失速”。旋转失速可以沿气流流动方向向后扩展。

由于工况改变，流量明显减小，而出现严重的旋转脱离，流动情况大大恶化。这时叶轮虽仍在旋转，对气体作功，但却不能提高气体的压力，压缩机出口压力明显下降。如果压缩机后的管网容量较大，其背压的反应不敏感，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，气流由压缩机出口向进口倒灌，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，气流又在叶片作用下正向流动，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，流量又下降，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”。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。

从上面的分析中得知，喘振的发生首先是由于变工况时压缩机叶栅中的气动参数和几何参数不协调，形成旋转脱离，造成严重失速的结果。但并不是旋转失速都一定会导致喘振的发生，喘振还与管网系统有关。所以说喘振现象的发生包含着两方面的因素：从内部来说，它取决于压缩机在一定条件下流动大大恶化，出现了强烈的旋转失速；从外部来说，又与管网的容量及管网特性线有关。

对压缩机，可以在不同转速下用实测法近似地得出各喘振点，作出喘振界限线，在该线之右是正常工作区，在该线之左为喘振区。按现在的技术水平，通过CFD的分析，可以相当准确地计算出压缩机的喘振点和喘振界限线。

除了压缩机设计时，加宽稳定工况区外，为了保证运行时避免喘振的发生，还可以在流程布置和控制上采用防喘放空、防喘回流等措施。前面已讲到喘振产生的原因是压缩机的流量减小所致，而采用这两种方法，就是要增加压缩机的进气量，以保证压缩机在稳定工作区运行。

喘振的危害性及后果是严重的，我国一些使用透平压缩机的装置上

已有多起因喘振导致事故的报道。所以运行人员对喘振的机理及现象也应有所了解，以便在喘振未出现或刚出现时就采取适当措施妥善处理。

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：

⑴．测听压缩机排气管的气流噪声：离心式压缩机在正常工况下，其噪声较低且是连续稳定的，而当接近喘振工况时，排气管中气流发出的噪声时高时低，并作周期性变化。当进入喘振工况后，噪声明显增大，发出异常的周期性吼叫或喘气声，甚至出现爆音。

⑵．观测压缩机出口压力和进口流量的变化，在稳定工况下运行时，压缩机的出口压力和进口流量变化不大，也有规律，所测得的数据在平均值附近作小幅波动。当接近或进入喘振工况时，二者都发生了周期性大幅的脉动。

⑶．对于增压机，需观测增压机压比的变化是否正常。

⑷．观测壳体和轴承的振动情况：当接近或进入喘振工况时，壳体和轴承会发生强烈震动，其振幅要比正常时大很多。

发生喘振时，上述的几点现象可能部分或同时存在。

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。

2， 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。

八，空分设备配套的原料空气压缩机

原料空气压缩机是空分设备必须配备的，它是空分设备工艺流程中的第一个动设备。根据空分工艺流程的要求，原料空气压缩机的排压一般为0.5MpaG。基本要求是：1，连续运转时间不少于3年；2，具有比较高的等温效率；3，比较稳定的排气压力；4，在不同季节可以对流量进行调节。

1， 主要生产厂家：国外的主要生产厂家有德马格（西门子）、苏尔寿（曼透平）、阿特拉斯、库珀、英格索兰等；国内的主要生产厂家有杭州杭氧透平机械有限公司，沈阳鼓风机厂，陕西鼓风机厂，上海鼓风机厂，开封空分设备厂等有限的几家厂。

2， 典型结构：（1），单轴等温型。以杭州杭氧透平机械有限公司生产的5TYD160型单轴等温原料空气压缩机和4TYD112型单轴等温原料空气压缩机为例进行分析。图6－1为5TYD160型单轴等温原料空气压缩机的剖面图，图6－2为4TYD112型单轴等温原料空气压缩机的剖面图。5TYD160型单轴等温原料空气压缩机是杭州杭氧透平机械有限公司与西安交通大学合作开发的六千空分配套的成功机型，目前在国内市场上有近五十台在运行。该机型将冷却器置于两侧与主机结合在一起，十分紧凑。一级进口设置了轴向型进口导叶，由气动或电动的执行机构控制。一～五级叶轮按顺序排列，五级叶轮反置以平衡一部分轴向力，再由高压端设置的平衡盘来平衡大部分的轴向力。4TYD112型单轴等温原料空气压缩机是杭州杭氧透平机械有限公司于2002年自主开发的一万空分配套的成功机型，目前在国内市场上有十多台在运行。该机型采用四级压缩，低压级在外侧，高压级在中间，很好地平衡了大部分轴向力。一级进口设置了轴向型进口导叶，由气动或电动的执行机构控制。两种机型的径向均是稳定的可倾瓦轴承，止推采用均压止推轴承，保证了高稳定性的运行。均可采用电机或工业汽轮机作为原动机，若采用电机为原动机，一般需有增速机将电机的转速增至压缩机所需的转速。

单轴等温型原料空气压缩机有其比较突出的特点：1)，采用了简支梁的结构，转子动力学特性十分优良，因此运行的稳定性非常好；2)，采用剖分结构使得维护十分方便；3)，等温压缩，耗功较少；4)，叶轮的线速度较低，故噪音较小。其缺点是：1），机壳结构复杂，制造成本较高；2），每级均为径向进气，使得进气流场不很均匀，影响效率；3），每级压比较低，故获得相同的压力需要更多的级。

（2），整体齿轮型压缩机。整体齿轮型压缩机的历史要比单轴型短，但发展的速度比单轴型要快。在大型空分原料空气压缩机中整体齿轮型压缩机所占的比重较大。以杭州杭氧透平机械有限公司生产的4TYC97型空气压缩机为例进行分析，图6－3为4TYC97型空气压缩机的剖面图，该机型为四级压缩，一～二级叶轮装在一龆轮的二个悬臂端，三～四级叶轮装在另一龆轮的二个悬臂端。同一根转子上的二个叶轮方向相反，可以抵消一部分轴向力。每级均为轴向进气，有一个单独的连接在齿轮箱体上的蜗壳。一级进口设置了轴向型进口导叶，由气动或电动的执行机构控制。

整体齿轮型原料空气压缩机有其比较突出的特点：1)，每级均为轴向进气，进口流场较均匀，有利于级效率的提高；2)，无特别大的复杂零件，使得铸造和加工更容易；3)，级数可以增减，使得更易适应压力的变化；4)，每级叶轮的线速度均可达到较高水平，充分发挥了材料的潜力。使得较少的级数获得较高的压力；5)，每级叶轮的线速度均可达到较高水平，充分发挥了材料的潜力。使得较少的级数获得较高的压力。其缺点是：1），齿轮的加工精度要求较高；2），转子动力学设计的难度较大；3），级数有一定的限制，达到很高压力比较困难；4），外泄漏点较多，对压力很高、绝对不允许泄漏的有毒气体、化工气体等不是很适用。

３，原料空气压缩机的仪控调节及保安措施 3.1 仪控系统

仪控系统的成套仪表，其配置情况各个厂家有所不同，一般需参阅空气压缩机带控制点的工艺流程图（PID图）及成套空分设备的仪表清单和仪控系统的有关图纸。

中央控制室或机旁盘上设置了需要检测的主要的压力、温度、流量、振动、轴位移的显示仪表和调节仪表、报警装置、气动或电动阀门的操作按扭、压缩机的紧急停车开关等，并能与成套空分设备的仪控系统、电控系统相应地联系起来，从而保证使用本机可在中央控制室或机旁盘进行操作，并监控运行。 3.2 启动及停机操作

根据空透生产厂家的操作手册进行操作。 3.2.1启动

必须确认压缩机、仪表电器、阀门、管道、冷却器、供油系统等设备完好，安装正确，并确认高低压电源、仪表气源正常才能实施启动程序。

启动步骤：

1，按要求做系统冲洗前的准备工作，启动供油系统，进行油循环冲洗，冲洗过程中经常检查油品及油过滤器，确认冲洗干净。排净冲洗油，彻底清理油路，尤其要注意死角的清理。冲洗结束，按运行要求装复；

2，打开冷却水管路系统的所有控制阀门，检查冷却水路应畅通，并无漏水现象，排除各冷却器水腔上部的空气，水压应达到要求值；

3，按要求灌满新油，重新启动油泵，应注意油管内不要留有气泡，可打开油冷却器壳体上部和油过滤器顶部及主油泵出口管与回油管之间的放气旋塞将气体放出直到有油流出为止。要保证各润滑点充分油，

回油畅通，要求供油总管油压在起动前调整到比正常工作值高0.05Mpa；

4，拆除电机与压缩机间的联轴器，并用盘车扳手对电机盘车数圈，确认无卡死和碰撞现象，点动主电机，确认电机转向正确。启动主电机进行半小时到1小时的单独运转，检查电机运转是否平稳（如电机的定子温度、轴承温度、振动等是否正常）。

5，装复电机与压缩机向的联轴器，用盘车扳手在电机非输出端轴头盘车数圈，确认无卡死和碰撞现象。 机组气管路系统各阀门处于以下位置

出口旁通阀 旁通阀 放空阀 排出阀

全关位置 全开位置 全关位置 全关位置

进口导叶 全关位置

6，点动主电机，倾听机组内的声音是否正常，如有碰撞、摩擦等不正常的声音则应仔细检查，消除故障后方可进入下一阶段试车；

7，按规定启动主电机，待转速达到额定转速后即停车，注意整个起动过程是否正常，记录机组启动时间；

8，按规定启动主电机，若情况正常，可把进口导叶徐徐打开至60°，保持机组旁通阀全开，使机组轻负荷运行，在运行过程中，应密切监视压缩机各部的振动，转子的轴向位移及各轴承温度，不应有异常现象，逐渐全开导叶，压缩机在该工况运行2～4小时，确认正常后，可对机组逐步加负荷（可通过逐步关闭机组旁通阀来实现），直至到设计工况点，要求升压过程缓慢、均匀，并密切注意电机电流的波动情况。压缩机满负荷运行时间应不少于8小时，整个试车运行过程应对机组运行各参数做好记录。 3.2.2停机

将转换开关切换至自动状况，按自动程序实现压缩机正常停车，停车时应对惰转时间作好记录，并继续保持供油装置辅油泵运转半小时，以充分冷却各轴承。 3.3 联锁报警项目

包括起动联锁、参数越限报警（轻故障）及重故障停车三部分。 3.4 防喘振装置

3.4.1 用途

透平压缩机实际性能曲线，具有不稳定工作区域，通常称为喘振区，见图3透平压缩机性能曲线示意图。压缩机在运转过程中由于工况变化，负荷波动等原因，可以发生工作点趋近甚至进入喘振区，使压缩机发生喘振，严重时会影响压缩机的使用寿命，甚至损坏机器。防喘振装置就是用来防止压缩机进入喘振区的一种保安装置。

图3 透平压缩机性能曲线示意图

3.4.2 组成

防喘振装置，有很多种形式：１），以流量或排气压力为目标的单参数调节；２），以流量和排气压力为目标的双参数调节。在空分中用的比较多是以排气压力为目标的恒压力调节，一般由压力变送器，带PID作用的指示或记录调节器，电磁阀，带阀门定位器的调节阀组成的排气压力自动调节系统（如图4所示），这种系统在压缩机向空分设备或其他负荷变化不大的设备供气时，较为适用。

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1. 空气透平压缩机 2. 压力变送器

3. 指示或记录调节器 4. 带接点压力仪表 5. 气动活塞式调节阀 6. 二位三通电磁阀

图4 防喘振装置示意图

3.4.3动作过程简介

本系统是一个简单的单参数调节回路，但在这里可以起恒压调节作用，压缩机的排气压力应根据空分设备的要求保持一个恒定的值（以下简称PC）不变，若排气压力超过该值时，调节器就输出一个信号，经气电转换器后通过阀门定位器的功率放大及定位作用，推动活塞式调节中的活塞，把阀门打开放出部分压缩空气，从而使排气压力降到PC值以下，此时调节阀又自动关闭，压缩机排气压力又回升到PC值附近，如若再超过则又重复上述过程，因而保证了压缩机排气压力为PC值不变。在正常情况下，压缩机不会因排气压力过高以及气量减少使其工作点进入喘振区，从而保证压缩机的安全运行。即使上述排气压力自动调节系统由于某种原因失效，而压缩机同时出现不正常的工况而使排出压力继续升高达到某一值时，调节阀还可通过排出管路上另一取压点引出的管线上的压力控制器及其继电控制回路被迅速自动打开。

另外，在紧急情况下，为了确保压缩机的安全，还可手按机旁盘上的按钮或手动打开气动活塞调节阀，也可手揿在就地或中控室的电动放空阀控制按钮打开该阀（或直接手动打开）放空，使压缩机排气压力降低而远离喘振区。

3.5 在线轴振动及轴位移检测。

3.6 机组的维护，故障判断及排除方法 3.6.1 机组运转中的维护

机组运行中，应定期检查以下内容：机器内是否有异常声，各部振

动、温度、压力、油箱油位、油过滤器阻力。凡有指示的参数必须记录其数值，注意分折这些数据有无异常变化，如有则及时分析原因，加以处理；

1，注意油箱内的油面不得低于允许的最低油面；

2，根据L－TSA32汽轮机油的技术标准，定期检验油的品质，必要时应更换新油；

3，定期打开油箱放油阀，观察是否有水排出，若有水排出，应查明原

因，加以消除。

九，空分设备配套的氧气透平压缩机

一般地，考虑到到整个空分的能耗，在分馏塔上塔中部抽出的产品氧气，压力不超过20Kpa，如此低的压力无法将氧气送到用氧点。就需要氧气压缩机来提高氧气的压力。在市场上所见到的氧压机基本有两种：离心式氧气压缩机和无油润滑活塞式氧压机。氧气压缩机的基本要求是：1），非常稳定的运转性能和十分可靠的安全保护措施；２），不对氧气产生二次污染；３），连续运转时间不少于3年；４），具有比较高的等温效率；５），比较稳定的排气压力。在该处仅对离心式氧气压缩机进行阐述。

１， 主要生产厂家：国外的主要生产厂家有德马格（西门子）、苏尔寿（曼透平）、日立、神钢等；国内的主要生产厂家有杭州杭氧透平机械有限公司，沈阳鼓风机厂等有限的几家厂。

２， 典型结构：氧透的工作介质是氧气，氧气是强烈的助燃气体，因此氧透的设计、制造、安装、控制、运行都是以人身和设备安全为目标的。一般来讲，转子动力学特性优越的单轴型是氧气透平压缩机的首选。氧气在压缩和输送过程中的流速、温度有严格的控制，所以氧透每段的压比都不是很高，根据氧气不同的压力要求，我们将氧透设计成单缸、双缸、三缸等型式。现以杭州杭氧透平机械有限公司生产的2TYS60型氧透为例进行分析。图6－1为2TYS60型氧透的剖面图。2TYS60型氧透是杭氧从日本日立公司引进的原型机机型的高压缸，目前在国内市场上有近五十台在运行。该机型的低压缸一级进口设置了轴向型进口导叶，由气动长行程执行机构控制。一～六级叶轮按顺序排列，每二级为一段，六级叶轮的背面设置一平衡盘平衡一部分轴向力，剩余轴向力由均压止推轴承承担，低压缸经增速机增速后与高压缸联接，高压缸的四个叶轮也按顺序排列，每二级为一段，单独设置有平衡盘和止推轴承。

３， 由于氧气的强氧化作用，纯氧是一种危险性气体。尤其在高纯度、高压力、高流速的压缩机中，氧气温度的意外升高、外来杂质与流道的摩擦、与氧气接触的壁面含有橡胶或油脂等燃点较低的物质、转子与静止件的意外碰擦等都可能造成机毁人亡的重大事故。因此，对于透平氧压机来说，一切问题的核心是安全防火问题。如何保证氧压机长期、可靠、稳定地运转，避免人机事故的发生，就成了氧压机的设计、制造、安装和运行的中心课题。根据杭氧长期积累的实践经验，只要制造、安装和运行过程中都对这一问题有清醒的认识，给予足够的重视，采取必要的防范措施，遵照必要的安全技术规范和规定程序进行各项工作，完全可以避免事故的发生。自引进“日立”技术后，杭氧生产的一百多台氧压机在国内外用户一直长期正常运转，就是最好的例证。实际操作时应从下面几个来控制：

⑴， 材料的选择

凡与氧气接触的金属表面，均采用化学稳定性好，不易氧化的材

料制造。一般地，压缩机机身、隔板用铸铁件，氧气流道及密封腔表面进行镀铜处理。密封器采用燃点极高的铜镍合金。转子、叶片扩压器、以及氧气、氮气、氧氮混合气和进油的管道、氧气阀门、冷却器（换热元件用铜制造）、过滤器、膨胀节，以及凡与氧气接触的其它辅助设备均采用不锈钢制造。用于氧气的密封垫片和填料用不含有机物的弹性材料制造。低压氧气垫片采用包氟式垫片，高压氧气垫片采用缠绕式垫片。

⑵，零部件的清洁度：铸铁件机加工过程中保持无油状态。氧压机出厂前，压缩机、冷却器等主要部机中凡与氧气接触的表面都经严格的脱脂处理，并清洗干净，经油份分析确认合格后再行组装。最后，机内充入氮气并经密封后才能发运出厂。现场最终安装前，除对上述设备的含油量进行复验外，还要对氧气管道和其它辅助设备进行脱脂及清洗处理。以保证全部氧气通道干净无油。

⑶，限制氧气的温升：氧压机中，氧气的最高温度发生在各段排气蜗壳处。设计者将采取必要的手段限制过高的温升。同时在各要害部位设置温度测点进行监控。当冷却水量不足、冷却器排气温度或蜗壳温度过高时，系统发出报警，提醒调整冷却水量或采取其他措施。当蜗壳温度超过连锁设定值时，系统即认为氧压机处于事故状态，自动紧急打开放空阀，关闭氧气进出口阀，同时向机内喷入氮气，停车，避免事故的扩大。此外，还将限制流经管道和阀门的氧气流速，避免混入氧气中的杂质与流道的过分磨擦生热。

⑷，防止氧气和油气外泄漏：氧压机在结构上的特点之一是轴封端特有的非活性气体（一般采用氮气）差压密封系统。对于压缩机两端的

轴承箱内的润滑油和油蒸气，通过排烟风机或喷射器保持包括轴承箱在内的整个油系统一定的真空度，并在轴承密封处充入一定压力的非活性气体进行密封，防止油和油气的外漏。对于压缩机两端的轴孔，通过与两轴端的一组密封腔相通的密封管路、相应的仪表和阀门控制氧－混合气、氮－混合气以及混合气－进口氧气的差压，确保压缩机轴端无氧气外漏。对于机体的剖分面，涂上不可燃的密封涂料防止漏氧。此外，通过下层防火墙上的两台通风机吹进新鲜空气防止意外泄漏的氧气浓度过高。

⑸，防火墙：作为保障人员安全的最后屏障，设置防火墙，把全部氧气设备、管道、阀门用阻燃材料构成的墙体与外界隔离。用于运行数据的显示、控制、操作的仪表、手柄（按钮）均设在防火墙外。因此在氧压机运转期间，工作人员均在危险区外，可以避免发生意外的人伤事故。

４， 氧透的仪表控制及保安措施

从保障人机安全和提高设备的操作控制水平出发，全部监测仪表及控制按钮均设在防火墙外的中控室和机旁盘上。氧压机运行期间操作人员无须进入防火墙内。氧压机的正常启动停车采用单手柄（按纽）操作，通过控制系统发出指令控制压缩机的启动或停车动作。进入正常运转后，操作者也可以发出指令改变氧压机的运行状况、调整氧压机的运行参数。设备的各个要害部位和运行状况均处于仪表在线的监控之下。一旦超出正常值，系统首先控制相关部机作出相应调整，保持正常运行；如果超出报警设定值，系统发出声光报警，提醒操作人员采取进一步的措施；如果达到设定的危险点（联锁点），系统将自动控制各相关部机作一系列的停车准备动作后紧急停车，保障设备和人员的安全。

3.1 仪控系统

仪控系统的成套仪表，其配置情况各个厂家有所不同，一般需参阅氧气压缩机带控制点的工艺流程图（PID图）及成套空分设备的仪表清单和仪控系统的有关图纸。

中央控制室、机旁盘和就地设置了需要检测的主要的压力、温度、流量、振动、轴位移的显示仪表和调节仪表、报警装置、气动或电动阀门的操作按扭、压缩机的紧急停车开关等，并能与成套空分设备的仪控系统、电控系统相应地联系起来，从而保证使用本机可在中央控制室或机旁盘进行操作，并监控运行。

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