汽轮机与压缩机Word下载.docx

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②中压汽轮机初压为2～4MPa

③高压汽轮机初压为6-10MPa

④超高压汽轮机初压为12-14MPa

⑤亚临界汽轮机初压为16～18MPa

⑥超临界汽轮机初压大于226MPa

三、汽轮机的结构

工业汽轮机由转子和静子两大部分组成。

（1）转子汽轮机中所有转动部分的组合体叫做转子，转子是汽轮机最重要的部件之一，它包括转轴、叶轮或转鼓、动叶片及其它附属部件，转子将蒸汽机的动能转变为机械能，传递作用在叶片上的蒸汽圆周分力所产生的扭矩，向外输出机械功，以驱动压缩机泵等。

按其结构型式转子可以分为轮式转子和鼓式转子两种。

按制造工艺可以分为套装式、整锻式、焊接式等。

（2）静子静子是由汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等不转动的部分组成。

四、汽轮机的汽封系统

汽轮机中存在着许多可能产生蒸汽泄漏的部位。

如动叶和静叶顶部的漏汽，隔板和中间隔板与转子之间的径向间隙漏汽以及汽轮机轴穿过汽缸两端处径向间隙漏汽等。

这些漏汽的存在，使作动的蒸汽量减少，降低了汽轮机运行的经济性，有时还会影响到汽轮机的安全运行。

因此，必须在可能产生漏汽的部位安装汽封装置以尽量减少漏汽量。

根据汽封所在工作部位的不同，有端部汽封，内部汽封，叶片汽封等，但它们的工作原理都一样。

（1）端部汽封汽封都是由旋转部分及静止部分两大部分构成的。

静止部分是由安装在转子上的汽封体（或叫密封体）内的汽封片（或叫密封带）构成。

旋转部分是装在转子上的汽封片或者直接从转子轴上车出来的梳形齿。

上述旋转部分静止部分配合在一起，就构成了透平转子和汽缸之间的非接触式迷宫密封系统或汽封系统。

（2）内部密封内部密封指应用于中间隔板和平衡活塞上的汽封装置。

抽汽式汽轮机，采用中间隔板分隔高压区和低压区。

在此，内部密封的任务就是在两个相邻的膨胀范围间进行密封。

平衡活塞密封装置保持前后一定压差用来平衡由于叶片中蒸汽引起的轴向推力。

五、汽轮机工作原理

（1）汽轮机工作原理汽轮机依据惯性定律和作用力反作用力定律进行工作。

即：

工质蒸汽经过主汽阀和调节阀进入汽轮机，依次变速流过一系列环形配制的喷嘴（或静叶栅）和动叶栅而膨胀作功，推动汽轮机转子旋转，从而实现将蒸汽的热能变成动能继而再转换为机械能的目标。

（2）汽轮机的级由喷嘴和与之相配合的动叶构成的汽轮机的基本作功单元叫汽轮机的级。

该单元完成：

热能、动能、机械能的转变过程。

有压力级和速度级之分。

①压力级：

当蒸汽能量很大时，将若干级串联在同一轴上，蒸汽依次通过，压力渐降，能量分别利用，其中的每个级叫压力级。

②速度级：

喷嘴产生的高速汽流，经多列动叶栅转换成机械能，这样的做功单元叫速度级。

它多用作多级汽轮机的头一级。

（3）喷嘴及其作用喷嘴是一截面形状特殊且不断变化的通道。

其作用是将蒸汽的热能转换成动能。

（4）动叶片（工作叶片）的作用在强行改变来自喷嘴工质的速度和方向的同时，接受工质的反作用力，使动叶片运动，从而将工质的一部分动能变成机械能。

（5）冲转式和反动式汽轮机

蒸汽在喷嘴内膨胀，高速汽流进入动叶栅，进行能量转换，这种汽轮机叫冲动式汽轮机。

工质在静叶栅内膨胀，进入动叶栅继续膨胀，实现能量转换，这种汽轮机叫反动式汽轮机。

六、汽轮机轴向推力及其平衡方法

蒸汽在汽轮机通流部分膨胀作功时，转子上受到两部分力；

一部分叫轮周力，它是产生转矩对外作功的力；

另一部分是从高压指向低压端，企图推动转子向汽流流动方向移动的力，叫做轴向推力。

对轴向推力应设法将其平衡掉。

各台汽轮机的轴向推力都不一样，但都是相当大的，有的反动式高压汽轮机的轴向推力竟可达二、三百万吨。

大功率的冲动式汽轮机其轴向推力虽不及反动式汽轮机大，但也有几十吨之大。

如此大的轴向推力，单靠推力轴承是不行的，往往要采取措施将其中大部分平衡掉，余下小部分由推力轴承来承受。

推力轴承除了承受转子上残余轴向推力外，它还起保证转子在汽缸中的轴向位置得到固定的作用。

在运行中，若轴向推力增加，且超过推力轴承的负荷时，推力块上的巴氏合金就会烧化，会使转子发生轴向移动。

这将引起转子与静子，动叶片与喷咀产生碰撞，导致重大事故。

由此可见，对汽轮机的运行及检修人员来说，了解轴向推力是如何产生的，以及懂得平衡轴向推力的方法，对确保推力轴承和机组安全运行是十分必要的。

（1）轴向推力的产生

在一般情况下，作用在汽轮机转子上的轴向推力有下面几种：

①作用在动叶片上的轴向推力

②作用在叶轮上的轴向推力

③由于轴的直径差别而产生的轴向推力

④在汽封凸肩处产生的轴向推力

（2）平衡汽轮机转子轴向推力的几种方法在多级汽轮机中，希望作用在转子上的轴向推力尽可能设法自动平衡，而使推力轴承主要用来固定转子的轴向位置，并承担较小的未完全平衡的剩余的轴向推力，这样既可使轴承的尺寸较小，制造方便，又可使推力轴承安全可靠地工作。

在多级汽轮中，常用的平衡轴向推力的方法有以下几种：

①平衡活塞在转子通流部分的对侧，将转子做成阶梯形状，以产生相反方向的轴向推力。

这个平衡轴向推力的阶梯凸台，叫做平衡活塞。

活塞右侧为高压蒸汽，左侧为低压蒸汽，这是由于左侧与汽轮机排汽室由一根管路相联。

因此作用在平衡活塞上有一个向左的轴向推力，以抵消部分转子上的蒸汽向力。

为了减少平衡活塞两边漏汽，在平衡活塞的外圆周表面上装有汽封片。

②开平衡孔在冲动式汽轮机的叶轮上，虽然叶轮上两边的压力差不大，但是叶轮上的面积都很大，因而作用在叶轮上的轴向推力可能达到相当大的数值。

为了减少这个力，在轮盘上开有几个贯通两侧的孔，叫做平衡孔。

孔的个数为奇数，一般开5-7个孔。

平衡孔使轮盘两侧蒸汽流动，减少压力差，从而减少轮盘上的轴向推力。

③采用相反流动的布置方法为了自动平衡轴向推力，可把蒸汽在汽轮机内的流动安排成向相反方向的流动，使产生的轴向推力方向相反，以相互抵消而达到平衡。

七、汽轮机转子的临界转速

汽轮机在升速过程中，在某个特定转速下运行时，转子产生强烈振动，当转速离开这些特定转速后旋转即趋向平稳，这些特定的转速为转子的临界转速。

汽轮机转子如长时间在临界转速下运动，会使转子振动加剧，严重时会造成破坏事故，特别对那些动平衡质量较差的转子，振动更大，后果更为严重。

因此在汽轮机运行时工作转速一定要避开各临界转速，以保证安全。

转子在临界转速下产生的强烈振动是由共振引起。

转子在制造和装配过程中（或者由于材质不均匀）不可避免地产生质量偏心，即重心与回转中心不重合。

转子转动时，质量中心偏移产生的离心力就成为周期性的激振力作用于转子上，使转子产生受迫振动。

当激振力的频率，即转子的每秒转速，与转子的弯曲自振频率相接近时，即产生共振，振动加剧，此转速即为转子的临界转速。

刚性转子与挠性转子汽轮机转子的临界转速不止一个，通常可能遇到的是第一、第二临界转速，尤以第一阶关系密切。

当转子的工作转速高于第一阶临界转速者，这类转子称为挠性转子；

低于一阶临界转速者称为刚性转子。

工作转速应避开临界转速，为确保运行安全，双支点叶轮转子的工作转速必须避开临界转速一定范围，并应满足下述条件：

挠性转子1.4nc1＜n＜0.7nc2

刚性转子nc1≥（1.20～1.25）n

式中：

n—汽轮机工作转速；

nc1—转子的第一临界转速；

nc2—转子的第二临界转速

对变转速汽轮机的挠性转子，一般要求转子的第二阶临界转速比最高工作转速大20～25%。

压缩机

一、压缩机的应用

压缩机是一种提高气体能量和输送气体的机器，在石油、化工、冶金、矿山及国防工业中已成为必不可少的关键设备。

下面就压缩气体使用的目的不同，将压缩机在国民经济中的应用分成下面四个方面。

（1）化工生产中的应用压缩气体用于合成及聚合。

例如在合成氨的生产中，根据生产工艺的要求必须将原料气在不同的压力和温度下进行净化、合成，合成时将氢、氮混合气加压到320×

102kPa。

又如二氧化碳和氢合成甲醇，氨和二氧化碳合成尿素等。

再如高压聚乙烯的聚合反应要求把乙烯加压到2000×

102kPa以上。

（2）气体输送在石油、化工生产中，许多原料气要输送，常用压缩机增压。

气体输送分管输送和装瓶输送两种方式。

气体量大时由管道输送，例如远程管道输送煤气时，压力可达30×

量小时用瓶装，如氧气厂生产的氧气要加压到150×

102kPa装瓶后再供给用户。

此外，在化工生产中为了使系统内未反应气体循环再用，常用循环压缩机加以增压。

（3）动力工程上的应用空气经过压缩后可以作为动力用，以驱动各种风动机械与风动工具，要求空气的压力为（7～8）×

用于控制仪表及自动化装置上的气源压力为6×

车辆刹车、门窗启闭要求压力为（2～4）×

国防工业中某些武器的发射、潜水艇的沉浮、鱼雷的发射等需要压缩空气。

（4）制冷和气体分离气体经压缩后送入冷凝器，使之变成液体，若再膨胀至低压，液体蒸发而吸热，可达到制冷的目的。

若液化的气体为混合气体，则可根据其各组分的不同的气化温度，而将其分离出来，得到各种纯度的气体。

因此，压缩机是制冷装置和气体分离设备中的主机。

冰箱、冷库、空调器都是常见的制冷装置。

它们可按制冷工质不同，常使用氨压缩机或氟里昂压缩机等。

制冷用压缩机的压力大都为（8～12）×

二、压缩机的种类

压缩机各类繁多，按照压缩气体的原理可分为容积式（活塞压缩机就是最常见的一种）压缩机和速度式压缩机，其分类如下：

（1）容积式压缩机容积式压缩机是使气体直接受到压缩，从而使气体容积缩小、压力提高的机器。

一般这类压缩机具有容纳气体的气缸，以及压缩气体的活塞。

按照活塞运动方式的不同，它又有往复活塞式和回转活塞式两种结构，前者简称为“活塞式压缩机”，后者简称为“回转式压缩机。

”

a、活塞式压缩机

在圆筒形气缸中具有一个可作往复运动的活塞，气缸上装有可控制进、排气的气阀。

当活塞作往复运动时，气缸容积便周期地变化，借以实现气体的吸进、压缩和排出。

b、膜式压缩机，是属于液压驱动的一类，但在膜式压缩机中，活塞的作用已为一膜片所代替。

图－活塞式压缩机

1-排气管2-排气阀3-气缸盖4-气缸；

5-活塞

6-吸气阀7-进气管8-连杆9-曲轴10-机身

（2）回转式压缩机它主要依靠机内转子回转时产生容积变化而实现气体的压缩。

按其结构形式的不同，回转压缩机也有多种，常见的有：

a、滑片式压缩机，滑片式压缩机如图所示，其机内转子偏心地装在机壳内，转子上开有若干径向滑槽，槽内装有滑片，当转子转动时，滑片与机壳内壁间所形成的压缩腔容积不断缩小，从而使气体受到压缩。

这类压缩机排气压力不高，常用于合成橡胶工业。

b、螺杆式压缩机，螺杆压缩机的机壳内置有两个转子—阴螺杆和阳螺杆，由同步齿轮带动。

工作时依靠螺杆表面的凹槽与机壳内壁间所形成的压缩腔容积不断变化，从而实现气体的吸入，压缩及排出。

这类压缩机除常作动力用的空气压缩机外，还应用于制冷工业。

（3）速度式压缩机（透平式压缩机）它首先使气体分子获得很高的速度，然后让气体停滞下来，使动能头转化为静能头，即使速度转化为压力。

速度式压缩机主要的型式有轴流式和离心式两种。

图滑片式压缩机

1-排气口2-机壳3-滑片4-转子5-压缩腔6-吸气口

图螺杆式压缩机

图离心式压缩机

①离心式压缩机离心式压缩机如上图所示，气体轴向地进入由主轴带着作高速旋转的叶轮，并随叶轮旋转，由于离心力的作用使气体高速飞出叶轮，进入具有扩压作用的固定导叶中，将速度降低而压力提高。

接着又被第二级叶轮吸入，通过第二级再提高压力。

以此类推，一直达到额定压力，由排出口排出。

由于它的速度高，压缩过程连续进行，生产能力大，气体又洁净，因此很适于大规模生产，在近代化工厂中已被广泛应用。

图轴流式压缩机

②轴流式压缩机轴流式压缩机与离心式压缩机相同，也是利用转动的叶片对气流作功。

轴流式压缩机图当叶片旋转时，气体被轴向吸入，经过叶轮获得速度，再轴向排入固定的导叶进行扩压而提高气体压力。

这类压缩机级中的气流路程较短，阻力损失较小，排气量也较大。

近代大型石油化工生产中也有采用轴流-离心组合式压缩机来处理大流量气体的压送问题。

此外，还有一种喷射泵也可认为是速度式压缩机的一种。

这类压缩机的最大优点是结构简单而紧凑，几乎不需要维修。

但它另外需要高压的工作介质，因而其使用受到一定的限制。

透平式压缩机

一、透平式压缩机的分类

（1）根据排气压力的大小进行分类：

①通风机排气压力为1000～1500Hg者；

②鼓风机排气压力在1000～1500mmHg以上到3-3.5kg/cm2者；

③压缩机排气压力在3～3.5kg/cm2以上者。

（2）根据气体在压缩机中的流动方向进行分类：

①离心式压缩机气体在压缩机中的运动方向是沿着垂直压缩机轴的半径方向。

气体压力的提高是由于气体流经叶轮对气体作功，使气体获得压力、速度，并通过渐扩通道，如扩大器等，使气体的动能继续转化为压力的提高。

离心式压缩机具有结构紧凑、重量足、尺寸小、流量大、单级压比大、操作维护简单等一系列优点，被广泛应用。

②轴流式压缩机气体在轴流式压缩机中的运动是沿着平行于压缩机轴的方向进行。

每排动叶和后面的静叶构成一个级。

动叶片对气体作功产生压力和速度，并通过渐扩流道使动能转化为压力的提高。

轴流式压缩机流量大，效率高但级数多，单级压比小。

③轴流一离心压缩机为了发挥离心式与轴流式压缩机各自优点，目前有应用轴流一离心式组合压缩机，即压缩机前面数级采用轴流式，后面数级采用离心式。

二、透平式压缩机的结构与工作原理

1、离心式压缩机

（1）离心式压缩机的结构

离心式压缩机由转子和定子构成。

转动部分称为转子，转子包括主轴、叶轮、平衡盘、止推盘、联轴节等。

固定部分称为定子，定子包括气缸、隔板（扩压器、弯道和回流器）、支持轴承、止推轴承和轴端密封等部件。

压缩机由一个或几个级组成，所谓级是一个基本单元，它是由一个叶轮和与之相应配合的固定元件（扩压器、弯道和回流器）组成。

离心式压缩机基本元件有：

（a）吸气室在每段入门都设有吸气室，将气体从进气管均匀地引入叶轮进行压缩。

（b）叶轮叶轮则又称工作轮，是离心式压缩机中最重要的部件。

它随轴高速旋转。

气体在旋转离心力和扩压流动的作用下，由叶轮出来后，压力和速度都得到提高，从能量转换观点来看，在离心式压缩机中叶轮是将机械能传给气体，以提高气体能量唯一元件。

（c）扩压器气体自叶轮流出时，具有很高的速度，为了将这部分动能充分地转变为压力的提高，在紧接叶轮设置扩压器。

它由前后隔板组成的通道，流通面积随直径增大而增加，流速逐渐减慢，压力得以提高。

（d）弯道和回流器为了把从扩压器出来的气体引导到下一级去继续压缩，设有弯道和回流器。

弯道是由隔板、和气缸组成的通道，回流器则由两块隔板之间的叶片组成。

（e）蜗壳蜗壳的主要目的是把从扩压器或从叶轮（在没有扩压器时）出来的气体汇集起来，引出机外。

在多数情况下，蜗壳还有一定的扩压作用。

离心式压缩机本体除了上述元件外，还有许多元件，例如减少气体从叶轮出口倒流到叶轮入口的轮盖密室密封；

减少级间漏气的定距套密封；

减少气体向机外泄漏的轴端密封，减少轴向推力的平衡盘；

承受转子的剩余轴向推力的止推轴承以及支撑转子的支持轴承等等。

为了使压缩机持续安全、高效率地运转，还必须有一些辅助设备和系统。

如增速器、中冷器、冷却系统、油路系统、自动控制及保安系统等等。

（2）离心式压缩机的工作原理

离心式压缩机由转子和定子组成。

气体从吸气室进入叶轮进行压缩气体能量升高；

离开叶轮的高速气流进入扩压室动能降低，压力提高；

离开扩压室的气体经弯道和回流器再引到下一级继续压缩，这样气体经分段多级压缩后，气体压力逐渐提高到实际需要值。

（3）离心压缩机的工作特点

A优点：

a、结构简单，易损件少，维修量少，运转周期长。

b、转速高，气流速度大，机器尺寸小，重量轻，占地面积小，投资省，运行安全可靠。

c、运行平稳，排气量大，气流平稳，排气均匀无脉冲，振动小，基础受力均匀。

d、机内不需要润滑，气体不易被润滑油所污染。

密封效果好，泄漏现象少。

e、易于实现自动化控制和大型化。

f、有平坦的性能曲线和较为宽广的平稳运行操作范围。

g、能长周期连续运转，国外离心式压缩机的使用周期为105h，能连续运转8～10年不需要大修。

h、便于综合利用热能，可采用汽轮机直接驱动，中间不设置齿轮变速器，比电动机驱动安全可靠，便于变转速调节。

B缺点

a、操作适应性较差，气体的性质对操作性能有较大的影响。

在装置开车、停车和正常运转时，介质的变化较大，负荷变化也较大，驱动机应留有较大的功率裕量。

但在正常运转时，显得空载消耗较大。

b、气流速度大，流道内的零部件表面有较大的摩擦损失，其效率不如活塞式压缩机高，固定式压缩机的多变效率一般为0.75～0.85。

c、有喘振现象，对机器具有极大的危害，必须采取一系列的措施，防止运行中发生喘振损坏设备。

d、两机并列操作运行较为困难。

2、轴流式压缩机

（1）轴流式压缩机的结构和离心式压缩机一样，轴流式压缩机的结构也分为转子和定子两部分组成，其流通部分的主要元件的作用如下：

（a）进气室进气室的作用是使大气或从进气管来的气体较均匀地进入环形收剑器；

（b）收剑器使进气室中的气流适当加速，以保证进气导流器前的气流具有均匀的速度场和压力场；

（c）进气导流器由装在气缸上的均布叶片组成，使气流以一定速度和方向进入第一级叶轮；

（d）动叶由装在转鼓上的叶片组成，它是轴流式压缩机对气体作功的唯一元件。

每一列动叶与其后面的静叶导流器组合在一起，称为轴流式压缩机的级。

转鼓和装在上面的动叶就构成转子。

转子高速旋转，叶片对气体作功，使气体在流出动叶时，速度和压力都得到提高；

（e）静叶导流器由均匀装在气缸上的叶片组成。

其作用有二：

一是将从动叶出来的气体动能尽量转换成压力的提高，二是使气流按照一定的方向和速度进入下一级继续进行压缩。

（f）出口导流器其功用是使末级导流器出来的气流沿叶高均变为轴向流动，以避免气流在扩压器中由于旋绕运动增加损失，提高效率。

（g）扩压器使从出口导流器出来的气流均匀地减速，进一步提高气体的压力。

（h）排气室将气流沿径向收集起来，经排气管排出。

除了上述通流部分元件外，和离心式压缩机一样，轴流式压缩机还有密封、支持轴承、止推轴承等部件以及其他有关辅助设备和系统。

（2）轴流式压缩机的工作原理

轴流式压缩机由转子和定子组成，动叶是轴流式压缩机对气体作功的唯一元件，一列动叶和后面的静叶的组合构成轴流式压缩机的一个级，气体以一定的速度和方向进入动叶后，由于转子高速旋转，使叶片对气体作功，当气体流出动叶时，速度，压力都提高，流出动叶的气体通过静叶的作用一方面将气体动能尽量转换成压力的提高，另一方面使气流按一定的方向和速度进入下一级继续进行压缩。

这样，气体经多级压缩后，压力逐渐提高，直至符合要求。

三、透平式压缩机的轴封

由于压缩机的转子和定子一个高速旋转一个固定不变，两部件之间一定有间隙存在，因此就一定会有气体．在机内由一个部位泄漏到另一个部位，同时还向机外泄漏。

为了减少这些泄漏，需要采用密封装置。

防止机器内部通流部分各腔之间泄漏的密封口叫内部密封，防止或减少气体由机器向外泄漏或由外向机器内部泄漏（当机器内气体压力低于外界气压时）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作成迷宫形。

对轴端密封来说，如果被压缩气体有毒或易燃易爆，如氨气、氢气、甲烷等，不允许漏至机外，必须采用液体密封、机械密封、充气密封等，当被压缩的气体无毒，如空气、氮气等，允许少量漏出机外，亦可采用简单经济的迷宫密封。

压缩机的轴端密封一般采用以下四种型式：

（1）迷宫密封

迷宫密是利用节流原理工作。

环形梳齿与转轴形成狭缝，梳齿之间形成小室，当气流经过狭缝时，气体压力降低，速度加快，从狭缝流入小室时，面积忽然扩大，形成强烈的旋涡，使气流的动能大部分转变为热能，压力得不到恢复。

气流每经过一次梳齿，重复上述过程一次，即节流一次，依次经过若干个梳齿，依次节流，直到最后达到密封出口处气体压力。

由于通过密封的漏气量取决于一个梳齿前后的压差，而这个压差、又比整个密封前后压差小得多，因而和不装梳齿相比，可以大大减小漏气量。

迷宫密封的结构形式包括：

曲折型、平滑型、台阶型、峰窝型等。

（2）浮环油膜密封

浮环油膜密封是液体密封的一种，它的工作原理为浮环油膜密封既能在环与轴的间隙中形成油膜，环本身又能自由径向浮动，靠高压侧的环叫高压环或内环，低压侧的环叫低压环或外环，有时进低压环不只一道，则处手高压环与低压环之间的浮环叫中间环，这些环可以自由沿径向浮动，但有防转销挡住不能转动。

密封油以比工艺气压力高的压力注入密封室，一路经高压环和轴之间的间隙流向高压则，在间隙中形成油膜，将工艺气体封住，另一路则是由低压环与轴之间的间隙流出，浮环能自由浮动原理和轴承的工作原理一样，都是利用油膜产生的浮力来承担载荷，区别在于浮起对象不一样。

对轴承被浮起的是轴，轴瓦固定不动。

对浮环密封浮起的是浮环，固不动的是轴。

（3）机械接触式密封

机械密封又称端面密封，这种密封的特点是被密封介质的泄漏率很低，压缩的气体不允许向外泄漏时，常常使用。

主要由动环和静环等部件组成。

（4）干气密封

（a）干气密封的特点

干气密封是一种新型的无接触轴封，由它来密封旋转机器中的气体或液体介质。

与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低，被密封的流体不受油污染等特点。

因此，在压缩机应用