上一课：空压机100课之015：容积式-滑片机、涡旋机的结构、原理及优缺点

•离心式压缩机普遍适用于：流量/压力100~2000m³/min、0.07~70MPa；

•轴流式压缩机普遍适用于：流量/压力1000~20000m³/min、0.3~0.7MPa。

(由于轴流压缩机过于大型，我们一般很少接触得到，故简单带过)

离心式和轴流式压缩机都属于速度式(也称动力式)压缩机的范畴，原理都是通过气体加速继而转化为压力能，而对气体加速做功的都是旋转的叶轮(叶片)，故也常被称为透平压缩机。

一张轴流压缩机的老照片

离心式和轴流式压缩机的区别：压缩过程中气体的大致流向。

从其名字就能直观了解：离心式为径向(离开轴心的方向)，轴流式是轴向(沿着轴向流动)。基于此差别，这两种压缩机自然就有结构上的不同。

至于经常听到的什么离心或者轴流的风机、鼓风机的称呼，只是因为排气压力的不同，结构有所不同，但原理是一致的。

此部分参见：空压机100课之005：速度型(离心、轴流...)压缩机工作原理与结构形式

离心压缩机

在早期，离心式压缩机主要用来压缩空气，并且只适用于中低压和大气量场合。但随着新技术、新工艺及新结构的应用，压力方面目前已应用到高压领域，流量方面不断有向更大和更小流量发展的趋势，如国内某大厂早已推出的40m³产品。

“离心”这种结构是个多面手，比如离心泵、离心通风机、离心鼓风机等等，这些结构的相似点在于都有一个叶轮(叶片)和一个蜗壳。

离心压缩机用在其它气体压缩，如合成气、裂解气、二氧化碳等，有些气体压缩机在结构上会有所不同，这里不多探讨。

离心压缩机按结构和传动方式的不同，分为三种结构：水平剖分型、垂直剖分型(又称筒型)和等温型，前两者指的是结构上气缸剖分方式，后者的主要区别是采用了级间冷却，大多为多轴结构。

•水平剖分型的气缸被剖分为上、下两部分，用螺栓紧固，拆卸方便。一般用于中低压力的空气压缩机，不适用高压和含氧多且分子量小的气体。大多数单级离心空压机都是这种结构。

水平剖分型的基本结构

•垂直剖分型(筒型)，筒型气缸内装入垂直剖分的隔板，两侧端盖用螺栓紧固。气缸为筒型抗内压能力强，对温度和压力引起的形变也比较均匀。

此种压缩机缸体强度高、密封性好、刚性好，但是拆装困难，检修不便。适用于高压或要求密封性好的场合。

垂直剖分型的基本结构

•等温型压缩机，为了能在较小的动力下对气体进行高效的压缩，将各级叶轮压缩后的气体通过级间冷却器冷却后再导入下一级，尽量趋同于等温压缩状态而得名。

这种类型的压缩机通常设计成多轴，即一个大齿轮带动数个小齿轮轴，以获得高转速。这种压缩机适于压缩中、低压力的空气、惰性气体等。也就是我们空压机行业常见的离心空压机结构。

多轴等温型的基本结构

离心压缩机的基本工作原理：

气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体做功后，使气体的压力、速度得到提高，然后再进入扩压器，将气体的动能转变为静压能。

当一级叶轮对气体做功、扩压后不能达到输送要求时，就必须再进入下一级继续压缩。为此，多级压缩机设置了弯道、回流器等，使气体由离心方向变为向心方向，均匀的进入下一级叶轮入口，最后在末级由蜗壳汇集后输出。

想象力不够动图来凑

在离心压缩机中，习惯上将叶轮和主轴的组件统称为转子。主轴上还装有平衡盘、推力盘、轴套、联轴器等。

而定子就是机壳了，包括入口导流器、吸气室、级间隔板(扩压器、弯道、回流器)、排气室(蜗壳)、轴封、级间密封等，也称为固定元件。

•在结构上,叶轮典型的有三种型式：

⑴闭式叶轮：由轮盘、轮盖、叶片三部分组成。

⑵半开式式叶轮：无轮盖、只有轮盘、叶片。

⑶双面进气式叶轮：两套轮盖、两套叶片，共用一个轮盘。

安装在主轴上的叶轮

•叶轮的结构以叶片的弯曲形式来分：

⑴前弯式叶轮：叶片弯曲方向与叶轮的旋转方向相同。叶片出口角＞90°。

⑵后弯式叶轮：叶片弯曲方向与叶轮的旋转方向相反，叶片出口角＜90°。

⑶径向式叶轮：叶片出口方向与叶轮的半径方向一致，叶片出口角＝90°

后弯式叶轮

多轴等温型离心压缩机爆炸图

•在空分装置中采用的离心压缩机由于转速高，一般采用电动机通过齿轮增速箱来拖动。

对于齿轮的材质要求相当高，一般采用优质合金钢，并经渗碳处理，以提高硬度，同时要求提高加工精度。在出厂前，并经严格的静、动平衡实验。

增速齿轮

小齿轮轴和叶轮

其它辅助设备有进气导叶、冷却器、密封组件等等，这里略过。

当前，在生产中除了流量较小(＜100m³/min)和超高压的气体输送外，大多数倾向采用离心式压缩机。

与其它压缩机相比，

离心机具有以下优点：

①生产能力大，供气量均匀；

②相较活塞机结构简单、紧凑，占地面积小，土建投资少；

③易损件少，便于检修，运转可靠。尤其是连续运转周期长，操作和维护的工作量较少；

④转子与定子之间，除轴承和轴端密封之外，没有接触摩擦；

⑤气缸内无需润滑(无油)适用广。

离心机的主要缺点：

①只在设计工况下工作时才有较高效率，离开设计工况点效率就会下降，变工况能力差；

②单级压比低，不容易在高压比的同时得到小流量，这主要是因为流量小，气流通道变窄，因此制造加工困难，压缩空气流动损失大，效率很低；

③操作的适应性比较差，气体的性质对操作性能有较大影响。

喘振

所谓喘振是指当离心式压缩机的入口流量低于一特定值时压缩机的能量头不足以克服背压而在气道内形成的一种周期性往复振荡现象。

当流量减小到某一值(称为最小流量)时，就不能稳定工作，它将使压缩机产生强烈的振动和噪声，严重时会损坏叶片甚至整个机组。

这一流量极限称为喘振流量，压缩机性能曲线的左端只能到此，不能再减小了。离心机的喘振是一个很复杂的物理现象，它既与气流边界层有关，又与压缩机所在的管网系统有关。

•目前防“喘振”的常用方法：

为了防止当压缩机工况发生变化时发生喘振现象，机组采取反喘振措施之一。即从压缩机出口旁通—部分气流直接进入压缩机的吸入口，加大它的吸入量，从而避免喘振现象的发生。

(简单理解为“旁通”)

之二在离心式压缩机上采用独立的反喘振系统。系统根据出入口压力、温度计算出当前工况下的入口流量并与系统中的当前工况喘振流量进行比较，从而控制反喘振控制阀的开度。

(简单理解为“躲避”)

堵塞

在转速不变时，当级中流量加大到某个最大值时，压力比和效率会垂直下降，就会出现堵塞现象，所以，压缩机性能曲线的右端只能到此。

这可能出现两种情况：

第一，流量加大，摩擦力及冲击损失都很大，叶轮对气体做的功全部用来克服流动损失，级中的气体压力不能得到提高。

(类似于战斗机高速飞行时的“音障”，即气体流速接近音速时会遇到极大的障碍)

第二，在压缩机内部流道中某个截面出现“失速”，气流达到了音速，不可能再加速，流量不可能再增加。

(此类似于战斗机突破“音障”)。

临界转速

转轴的转速达到某一数值时，轴所受的外力频率与轴的自振频率一致，将发生共振。

此时轴的运转便不稳定而发生显著的反复变形。严重时将使轴、轴承、零件甚至于整个机械设备遭到破坏，轴共振时的转速称为临界转速。

临界转速与转轴材料的弹性特性，轴的形状、尺寸、支承形式以及轴上圆盘动件质量有密切的关系。离心压缩机的轴为挠性轴，工作在高于临界转速上。

离心压缩机决不允许在临界转速上运行，在压缩机的转速控制系统中，临界转速的±5%区域均不允许停留。

密封

离心式压缩机的密封是指将压缩机的压缩介质与外部环境相隔离，防止机内介质向机体外泄漏的一种装置。

由于离心式压缩机用于多种气体，且转速高/动能大，密封条件复杂，所以密封方式尤其重要。

常用的密封方式有：浮环密封、迷宫密封、阻塞密封、油润滑机械密封以及干气密封等。其中，干气密封在压缩机领域的应用越来越普及。

离心压缩机的运行特点：

①在一定转速下，压缩机的压力比同流量成反比；

②在一定转速下，当流量为设计流量时，压缩机的效率最高，当流量大于和小于此值时，效率都将下降，此设计流量即为设计工况点。

③压缩机运行受到喘振工况和堵塞工况的限制，在这两者之间称为离心压缩机的稳定工况区。

*衡量一个离心压缩机性能优劣的重要指标之一，不仅要求在设计流量下有最高的效率和较高的压力比，还要有较宽的稳定工况范围。

④压缩机的级数越多，则气体密度变化的影响越大，压缩机的性能曲线越陡，稳定工况区越窄。

《016课》完

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