透平壓縮機

透平壓縮機，是指具有高速旋轉葉輪的動力式壓縮機。它依靠旋轉葉輪與氣流間的相互作用力來提高氣體壓力，同時使氣流產生加速度而獲得動能，然後氣流在擴壓器中減速，將動能轉化為壓力能，進一步提高壓力。在壓縮過程中氣體流動是連續的。透平壓縮機是在通風機的基礎上發展起來的。它廣泛用於各種工藝過程中輸送空氣和各種氣體，並提高其壓力。

基本介紹

• 中文名：透平壓縮機
• 外文名：turbocompressor
• 發展基礎：通風機
• 作用：提高氣體壓力
• 主要用途：壓縮氣體驅動各種風動機械
• 特點：具有高速旋轉葉輪

定義及主要用途

定義：壓縮機是用來提高氣體壓力和輸送氣體的機械。

主要用途：

⒈動力用壓縮機:

⑴壓縮氣體驅動各種風動機械，如：氣動扳手、風鎬。

⑵控制儀表和自動化裝置。

⑶交通方面：汽車門的開啟。

⑷食品和醫藥工業中用高壓氣體攪拌漿液。

2、紡織業中，如噴氣織機。

3、氣體輸送用壓縮機：

⑴管道輸送--為了克服氣體在管道中流動過程中，管道對氣體產生的阻力。

⑵瓶裝輸送--縮小氣體的體積，使有限的容積輸送較多的氣體。

4、製冷和氣體分離用壓縮機：如氟里昂製冷、空氣分離。

5、石油、化工用壓縮機：

⑴用於氣體的合成和聚合，如：氨的合成。

⑵潤滑油的加氫精制。

工作原理

透平式壓縮機的基本工作原理是由裝於軸上帶有葉片的工作輪(葉輪)在驅動機的驅動下做高速旋轉。葉片對氣體做功使氣體獲得動能，經擴壓流動後轉變為壓力能，從而提高氣體壓力。同時氣體溫度也相應提高。經過多級組合，也可以有中間冷卻的多段組合，甚至多缸組合壓縮獲得氣體所需要的最終壓力。

分類

按氣體流動方向的不同，透平壓縮機主要分為軸流式和離心式兩類。在軸流壓縮機中，氣體近似地沿軸向流動(見彩圖[軸流壓縮機結構圖])。在離心壓縮機中，氣體主要沿著徑向流動。另外還有一種斜流（混流）壓縮機，其氣體流動方向介於這兩者之間。排氣壓力在 0.15MPa～0.2MPa範圍內的透平壓縮機又稱作透平鼓風機。排氣壓力低於0.15MPa的則屬於通風機，不再稱為透平壓縮機。

性能

透平壓縮機主要性能參數是流量、排氣壓力、功率、效率和轉速。描繪這些參數之間的關係的曲線稱為透平壓縮機的性能曲線。圖1 [軸流壓縮機與離心壓縮機的性能曲線]

是軸流壓縮機和離心壓縮機在不同轉速下排氣壓力與流量關係的性能曲線。軸流壓縮機的性能曲線比離心壓縮機的陡得多，在高速下更為明顯。在等轉速下增大流量時，通過壓縮機的流量達到某一臨界值後便不再繼續增加，這一工況稱為阻塞工況。當減小流量至某一工況時，壓縮機和管路中氣體的流量和壓力會出現周期性低頻率、大振幅的波動，這種不穩定現象稱為喘振。一旦發生喘振，機組就會產生強烈振動，如不及時防止或停車，機組便會毀壞。把不同轉速下的喘振工況點連線起來的曲線稱為喘振線，它表示喘振不穩定工作區的界限。喘振工況點到同轉速下阻塞工況點的範圍稱為穩定工況區，壓縮機必須遠離喘振線而在穩定工況區工作。為了防止喘振，一般採取防喘振措施，例如放氣或回流以增加進口流量，把靜葉（導流器葉片）做成可以調整角度的形式。

透平壓縮機所需功率很大，其通流部分的完善程度，常用絕熱效率或多變效率（見熱力過程）來評定。軸流壓縮機級的絕熱效率一般可達86～90%，離心壓縮機級的多變效率一般可達80～85%。軸流壓縮機與離心壓縮機相比，前者流量大，壓力比小，而後者壓力比大，流量小。為了充分利用它們的特點，近代空氣分離設備中的空氣壓縮機有的採用軸流-離心串聯結構(圖2[軸流-離心串聯結構]),低壓部分採用軸流式，高壓部分採用離心式，並安置在同一機殼內。

控制重點

透平式壓縮機運行中經常遇到的問題主要有以下幾個方面：

(1)振動或斷油等其他情況導致軸承的失效；

(2)各傳動部件之間不同心度引起的振動等故障：

(3)迷宮式密封器泄漏：

(4)轉子的不平衡造成的機組振動及其他故障；

(5)空氣冷卻器泄漏或其他原因引起的冷卻效果差。

這些故障直接導致機組不能正常運行，因此必須對引起這些故障的部件作為檢修質量的重點。

軸承檢修

透平壓縮機採用的多為液體動壓軸承，充分考慮到液體動壓軸承的工作特點，是軸承檢修動壓控制的關鍵。

密封泄漏

迷宮密封是在軸與殼體之間，帶有若干個依次排列的小游隙的凹凸環形密封齒組合，密封齒與軸之間形成一系列節流游隙和膨脹空腔，飛濺的潤滑劑每通過一道密封齒，必將遇到很大的阻力，從而產生節流效應，使潤滑劑的速度不斷減弱，減弱後的潤滑劑順著密封齒的內側流淌到環形空腔的下部，然後，通過到環形空腔下部的回油孔返回軸承室內，達到防止潤滑劑外漏的作用。常用的迷宮密封一般有徑向密封、軸向密封、浮動式密封和複合式密封等型式，這類結構特別適用於防止高速軸的潤滑劑泄漏。

可以構想，如果密封齒的數量足夠多，那么不論潤滑劑的飛濺速度多快，都可以做到完全密封的效果，但實際上，密封齒數目的增加，使得軸向尺寸增大，因此，過多地增設密封齒在設備上是很難辦到的。為了提高迷宮密封的密封效果，原則上要求密封齒與軸的間隙越小越好。

漏油故障的原因有：迷宮密封的密封齒嚴重磨損或損壞；軸承室油位偏高；迷宮油封與軸的游隙偏大；油封背面與軸承室的密封不嚴；安裝時，油封回油孔的位置不正確或堵塞等。

振動淺析

透平壓縮機的振動是壓縮機設計製造、安裝和運行管理的綜合反映。也就是說，導致或影響透平壓縮機正常運行的內部和外界因素很多，而眾多因素反映出的就是振動。簡述三台H200－6.3/0.97型透平壓縮機組幾年來的運行情況，和由於振動所造成的嚴重危害。

振動的原因：

開車運行後的振動

1　原先在安裝時電動機和大齒輪的同軸度完全根據設計要求來校正。由於機組啟動電流大，瞬間扭力也很大，造成電動機有移位感。根據氣溫，設計要 求安裝時徑向軸向誤差允許在±0.02mm，我們嚴格照辦。機組運行一段時間後再測，明顯測得軸向無變動，而徑向的水平方向走動了0.18～0.20mm 左右。這說明機器在對中後走調的情況下運行，振動就會很大。

2　空氣中帶有腐蝕性氣體的冷凝水造成轉子（尤其是3～4級）、氣封、擴壓器、碳鋼空氣管道等腐蝕十分嚴重，產生空氣渦流的振動。管道氧化物的被沖刷造成子平衡百戰不殆，振動激烈，因此而被迫停車，此類事故已發生兩次。

3　頻繁開停車對機組振動也有影響。由於客觀條件不允許或機械故障被迫一年中開停多次，使轉子平衡被破壞。停車時會把積在轉子上的塵土或其他氧化物不均衡地脫落，破壞了轉子的平衡。

檢修後的振動：

1　齒輪偏載造成工頻振動。透平機 的轉速很高，1～2級轉速為15200rpm，3～4級為19200rpm，因而齒輪的精度要求也很高。保持較高的齒輪接觸面很重要，在靜態下檢查齒輪接 觸面無法得到動態的實際接觸情況，我們的做法是在靜態下使接觸面不低於85%。其中一台機組在檢修時發現齒輪接觸面差，一隻新齒輪只運行兩個多月就嚴重點 蝕和大齒面剝落（一隻大齒現價30萬元左右）。機組振動很大，齒輪的損壞就呈惡性循環，難以挽救。

2　油膜渦動引起的低頻振動。軸承中的油膜在轉軸和軸承間運行起著盜運和潤滑作用，如軸承穩定性不好，會導致油膜半速渦動。我三透平機 轉速為19200，約在10000左右產生低頻振動。低頻振動產生與轉子工作轉速不合拍的激振力，對轉子和軸壽命的影響程度超過工頻振動的影響，它使轉子 振動總量增大，這歷來被人們所禁忌。如低頻值是工頻值的105時，就應引起重視。我們原有的機器低頻值大於工頻值的5%，已造成嚴重後果。軸瓦的錫基合金 多次剝落（其實是撞落），被迫停機。2級轉子振裂落掉一塊（累計運行了13442小時），約1.5mm2,3～4級轉子軸頭振斷裂（累計運行11000小 時）。更換兩根轉子要幾十萬無，還直接影響生產。

冷卻泄漏

冷卻的方式：主要有風冷、水冷。

冷卻的主要方面： 主電機、壓縮後的氣體、潤滑油。

為了降低壓縮機功率消耗和保證壓縮機的可靠運行，各級之間均設定有中間冷卻器。在中間冷卻器中，通過對流換熱的方式，由冷卻水將氣體冷卻。如果中間冷卻器泄漏，則氣體通道與冷卻水通道相通，其泄漏的方向視氣體與冷卻水的壓力而定。

空壓機第一級後面的中間冷卻器，冷卻水壓力通常高於氣體壓力。因此，如果第一級中間冷卻器發生泄漏，則冷卻水會進入氣體側，氣體中將夾帶有水，使第一級油水分離器吹除的水量明顯增加。

空壓機第二級以及以後各級中間冷卻器中，冷卻水壓通常低於氣體的壓力。因此，如果發生泄漏，則氣體會漏往冷卻水中。這樣在冷卻水收集槽里就會發現有大量氣泡溢出。根據以上兩種現象即可作出中間冷卻器泄漏的判斷。

能量損失

一、能的定義：

度量物質運動的一種物質量，一般解釋為物質作功的能力。能的基本類型有勢能、動能、熱能、電能、磁能、光能、化學能、原子能等。一種能可以轉化為另一種能。能的單位和功的單位相同。能也叫能量。

二、級內氣體流動的能量損失分析

壓縮機組實際運行中，通過葉輪向氣體傳遞能量，即葉輪通過葉片對氣體作功消耗的功和功率外，還存在著葉輪的輪盤、輪蓋的外側面及輪緣與周圍氣體的摩擦產生的輪阻損失，還存在著工作輪出口氣體通過輪蓋氣封漏回到工作輪進口低壓低壓端的漏氣損失。都要消耗功。這些損失在級內都是不可避免的，只有在設計中精心選擇參數，再製造中按要求加工，在操作中精心操作使其儘量達到設計工況，來減少這些損失。

另外，還存在流動損失以及動能損失以及在級內在非工況時產生衝擊損失。衝擊損失增大將引起壓縮機效率很快降低。還有高壓軸端，如果密封不好，向外界漏氣，引起壓出的有用流量減少。

故此，我們有必要研究這些損失的原因，以便在設計、安裝、操作中儘量減少損失，維持壓縮機在高效率區域運行，節省能耗。

1、流動損失：

定義：就是氣流在葉輪內和級的固定元件中流動時的能量損失。

產生的原因：主要由於氣體有粘性，在流動中引起摩擦損失，這些損失又變成熱量使氣體溫度升高，在流動中產生旋渦，加劇摩擦損耗和流動能量損失，因旋渦的產生就要消耗能量；在工作輪中還有軸向渦流等第二次流動產生，引起流量損失。在葉輪出口由於出口葉片厚度影響產生尾跡損失。彎道和回流器的摩擦阻力和局部阻力損失等。

2、衝擊損失：

定義：是一種在非設計工況下產生的流動損失。

葉輪進口葉片安裝角β1A（實際）一般是按照設計氣流的進口角β1（設計）來決定的。一般是β1=β1A，此時進氣為無衝擊進氣。但是當工況發生偏離設計工況時，氣流進口角β1大於或小於β1A將發生氣流衝擊葉片的現象。

習慣把葉輪進口葉片安裝角β1A（實際）與設計氣流的進口角β1（設計）之差叫做衝擊角，簡稱沖角。用i表示。

β1A<β1 ， i<0，叫負沖角。

β1A>β1 ， i>0，叫正沖角。

在正負沖角的情況下，都將出現氣流與葉片表面的脫離，形成旋渦區，使能量損失。衝擊損失的增加與流量偏離設計流量的絕對值的平方成正比。

3、輪阻損失

葉輪的不工作面與機殼之間的空間，是充滿氣體的，葉輪旋轉時，由於氣體有粘性，也會產生摩擦損失。又由於旋轉的葉輪產生離心力，靠輪的一邊氣體向上流，靠殼的一邊氣體向下流，形成渦流，引起損失。輪阻損失的計算，有實驗公式，有興趣可查書籍。

4、漏氣損失：

包括內漏和外漏。

內漏氣是指泄露的氣體又漏回到壓縮氣體中。包括兩種情況：一種是從葉輪出口的氣體從葉輪與機殼的空間漏回到進口。另一種是單軸的離心壓縮機，由於軸與機殼之間也有間隙，氣體從高壓的一邊經過間隙流入低壓一邊。

外漏是指壓縮氣體通過軸與機殼密封處間隙或機體的間隙直接漏到大氣中。

漏氣損失是一個不可忽視的問題，我們在維修、操作中應特別注意，有些空壓機出現氣量打不到設計值就是內漏和外漏引起的。