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离心压缩机的基本原理
- u$ c2 V7 ]: Q0 L A. Q/ Y$ D5 `第一节 离心压缩机概述 * \( R. D# W8 b9 p7 ]8 S& a. m
离心压缩机是产生压力的机械，是透平压缩机的一种。透平是英译音“TURBINE”，即旋转的叶轮。在全低压空分装置中，离心压缩机得到广泛应用，逐渐出现了离心压缩机取代活塞压缩机的趋势。这一节说一说离心压缩机，大家一块学习吧！
3 v; e2 l! R7 k* D2 K. L一、定义：8 p% u0 n, k9 D* X9 k
离心压缩机：指气体在压缩机中的运动是沿垂直于压缩机轴的径向进行的。
+ g/ Y z- H. u2 }/ {8 _$ n二、工作原理： 是工作轮在旋转的过程中，由于旋转离心力的作用及工作轮中的扩压流动，使气体的压力得到提高，速度也得到提高。随后在扩压器中进一步把速度能转化为压力能。通过它可以把气体的压力提高。
" P; `* ?0 A% L3 Q+ v' M I; _ 打个比方说：一般是由一台原动机（电机）带动一根轴，轴上装有有4个叶轮，就好象一根轴带了4个电扇，一个电扇的风传给了第二个电扇，又传给了另一个电扇，最后你感觉到风的力量很大一样。离心压缩机就是这样通过叶轮把气体的压力提高的。
7 \' p# }5 I# ^, O9 r i; [三、特点：
3 l! c5 q& f6 D+ ]4 p1 | 离心压缩机是一种速度式压缩机，与其它压缩机相比较：
! A; f$ }! }& F3 l5 |1 d' A) L 优点：⑴排气量大，排气均匀，气流无脉冲。5 B0 o6 ]9 W! b6 O
⑵转速高。" ], w( W% ^( A& E- |! C* A% E
⑶机内不需要润滑。
+ j- D! I3 j8 s- \: L ⑷密封效果好，泄露现象少。
: t& h4 L1 t7 f; b7 z6 w: W8 J ⑸有平坦的性能曲线，操作范围较广。0 A1 x7 X. a/ v) u5 V
⑹易于实现自动化和大型化。
2 Y( [, r# j8 M2 [& G _! Z3 D7 q ⑺易损件少、维修量少、运转周期长。
# E2 u; O- T8 L) Y5 b: ] 缺点：⑴操作的适应性差，气体的性质对操作性能有较大影响。在机组开车、停车、运行中，负荷变化大。0 b7 ? l- q: @! w& }
⑵气流速度大，流道内的零部件有较大的摩擦损失。' u, d$ t4 E# Y) H# [7 Y2 c
⑶有喘振现象，对机器的危害极大。
A+ u, T m1 x8 b% M. i四、适用范围：
* Z0 ` P5 l" ?( J2 A 大中流量、中低压力的场合。 $ ]3 [) H' ]. w) o( R; K. t4 A
五、分类：
! w) P9 G5 y$ ~& j f ⑴按轴的型式分：单轴多级式，一根轴上串联几个叶轮。$ {& C: M4 j. x# }
双轴四级式，四个叶轮分别悬臂地装在两个小齿轮的两端，旋转靠电机通过大齿轮驱动小齿轮。+ S0 R1 H7 K, a7 p# `* r
⑵按气缸的型式分：水平剖分式和垂直剖分式。
+ g0 a8 A# l p5 m$ r1 } ⑶按级间冷却形式分类：
" w( i( [6 Y' Y8 h1 J+ k8 E, y 级外冷却，每段压缩后气体输出机外进入冷却器。
: n4 H+ y9 N: {' j k' E 机内冷却，冷却器和机壳铸为一体。- Q: t' k) u" P8 W% {3 Y1 d. X+ X
⑷按压缩介质分类：空气压缩机、氮气压缩机、氧气压缩机等。
2 s; A2 q' A/ Z' l7 e% W第二节 离心压缩机的工作原理分析
0 w% o! n( c$ h# V I一、常用名词解释：
2 K/ n: B- P1 z' k w ⑴级：每一级叶轮和与之相应配合的固定元件（如扩压器等）构成一个基本的单元，叫一个级。如：杭氧2TYS100+2TYS76氧气透平压缩机高低压气缸共有八个叶轮，就叫八级。
) s( g. P% |5 L. D7 y4 _) a ⑵段：以中间冷却器隔开级的单元，叫段。这样以冷却器的多少可以将压缩机分成很多段。一段可以包括很多级。也可仅有一个级。
, n5 {+ S c) e* `, `/ j' Z ⑶标态：0℃，1标准大气压。0 A5 G3 C7 o1 p& `$ P8 D% d% K$ j
⑷进气状态：一般指进口处气体当时的温度、压力。1 h* {+ ~) V9 l, e+ o9 T, c* g
⑸重量流量：一秒时间内流过气体的重量。6 u3 E0 p8 A: L5 K% l1 v: ^& B5 J, V$ }
⑹容积流量：一秒时间内流过气体的体积。' S* N0 R0 h* r! u8 F* E
⑺表压（G）：以当地大气为基准所计量的压强。; m. ~& @: ^$ v7 V
⑻绝压（A）：以完全真空为基准所计量的压强。
5 G! Q" M6 U3 U# N ⑼真空度：与当地大气负差值。
- u& K# L6 }& [) [6 ? ⑽压比：出口压力与进口压力的比值。
5 l6 @5 g r8 J# N- |二、压缩机级中的气体流动" {" S" v/ A. Z% Y3 r4 W% u: x* A) g
叶轮被驱动机拖动而旋转，气体进入叶轮后，对气体作功。那么气体既随叶轮转动，又在叶轮槽中流动。反映出气体的压力↑，温度↑、比容↓。. q% i2 @: p- e! T: e& ?
叶轮转动（理解“转动”）的速度即气体的圆周速度，在不同的半径上有不同的数值，叶轮出口处的圆周速度最大。2 a8 F7 x. F' o: v' ]
气体在叶轮槽道内相对叶轮的流动（理解“流动”）速度为相对速度。因叶片槽道截面积从进口到出口逐渐增大，因此相对速度逐渐减少。
) J: \5 X! e0 C7 M0 Y A' f 气体的实际速度是圆周速度与相对速度的合成，又称之为绝对速度。 4 d5 v s: j' B) g% u. r
! {$ M; x) R( n6 \! f; [( o第三节 级内气体流动的能量损失分析
' b; o/ a; I/ W( {) Z+ y+ u
7 n. n. @7 z ^0 L5 h$ O( U7 V: C 一、能的定义：
7 z* R# r* T" B+ K/ z# o& ~5 d 度量物质运动的一种物质量，一般解释为物质作功的能力。能的基本类型有势能、动能、热能、电能、磁能、光能、化学能、原子能等。一种能可以转化为另一种能。能的单位和功的单位相同。能也叫能量。7 U: e1 v9 @1 J2 A3 U" ]0 B
二、级内气体流动的能量损失分析+ X/ I" n4 x$ p4 h3 L+ @# m; ~
压缩机组实际运行中，通过叶轮向气体传递能量，即叶轮通过叶片对气体作功消耗的功和功率外，还存在着叶轮的轮盘、轮盖的外侧面及轮缘与周围气体的摩擦产生的轮阻损失，还存在着工作轮出口气体通过轮盖气封漏回到工作轮进口低压低压端的漏气损失。都要消耗功。这些损失在级内都是不可避免的，只有在设计中精心选择参数，再制造中按要求加工，在操作中精心操作使其尽量达到设计工况，来减少这些损失。! g: G- n5 E' p6 u
另外，还存在流动损失以及动能损失以及在级内在非工况时产生冲击损失。冲击损失增大将引起压缩机效率很快降低。还有高压轴端，如果密封不好，向外界漏气，引起压出的有用流量减少。
' ?3 W/ ]# o" o0 R 故此，我们有必要研究这些损失的原因，以便在设计、安装、操作中尽量减少损失，维持压缩机在高效率区域运行，节省能耗。
1 a% M- [$ X. `3 S& n Q3 z 1、流动损失：3 G- R' ^1 s5 Z+ l) p
定义：就是气流在叶轮内和级的固定元件中流动时的能量损失。
. Y/ }9 Q" J9 k# e 产生的原因：主要由于气体有粘性，在流动中引起摩擦损失，这些损失又变成热量使气体温度升高，在流动中产生旋涡，加剧摩擦损耗和流动能量损失，因旋涡的产生就要消耗能量；在工作轮中还有轴向涡流等第二次流动产生，引起流量损失。在叶轮出口由于出口叶片厚度影响产生尾迹损失。弯道和回流器的摩擦阻力和局部阻力损失等。, ~5 o8 S! ~4 `7 s# b" }! v5 ]
2、冲击损失： 定义：是一种在非设计工况下产生的流动损失。
# M c+ L0 A& W" m 叶轮进口叶片安装角β1A（实际）一般是按照设计气流的进口角β1（设计）来决定的。一般是β1=β1A，此时进气为无冲击进气。但是当工况发生偏离设计工况时，气流进口角β1大于或小于β1A将发生气流冲击叶片的现象。
, C7 P! j0 p+ W! {% |* i, T8 i- x 习惯把叶轮进口叶片安装角β1A（实际）与设计气流的进口角β1（设计）之
& F7 q& x0 o7 G$ s差叫做冲击角，简称冲角。用i表示。) z+ I2 d% K/ l! }8 t" \
β1A＜β1 ， i＜0，叫负冲角。% U& `( i0 g! q' ` c
β1A＞β1 ， i＞0，叫正冲角。
5 M! y3 f1 V9 E* X/ D4 Q 在正负冲角的情况下，都将出现气流与叶片表面的脱离，形成旋涡区，使能量损失。冲击损失的增加与流量偏离设计流量的绝对值的平方成正比。
+ u' H* Q7 z1 w2 L1 H) f! q 3、轮阻损失
9 I+ |" P' X9 Y' a) {4 x" e 叶轮的不工作面与机壳之间的空间，是充满气体的，叶轮旋转时，由于气体有粘性，也会产生摩擦损失。又由于旋转的叶轮产生离心力，靠轮的一边气体向上流，靠壳的一边气体向下流，形成涡流，引起损失。轮阻损失的计算，有实验公式，有兴趣可查书籍。9 C I5 y. p) {% p/ O3 a" F
4、漏气损失：
3 m% T2 }7 t' m& ]4 I5 R' N 包括内漏和外漏。0 f4 Q3 l. |8 ^1 q7 @5 n" r6 R r* }6 V
内漏气是指泄露的气体又漏回到压缩气体中。包括两种情况：一种是从叶轮出口的气体从叶轮与机壳的空间漏回到进口。另一种是单轴的离心压缩机，由于轴与机壳之间也有间隙，气体从高压的一边经过间隙流入低压一边。/ }) {( W! k6 d6 U0 D4 `
外漏是指压缩气体通过轴与机壳密封处间隙或机体的间隙直接漏到大气中。: P7 ^+ e+ x' o3 `* t6 {- E; b+ H0 g& x
漏气损失是一个不可忽视的问题，我们在维修、操作中应特别注意，有些空压机出现气量打不到设计值就是内漏和外漏引起的。 5 G: u1 G3 S: I0 ]
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+ a. I7 Q9 j8 O第四节 操作机组介绍
- w% h" L# Y3 L( O8 i 随着国内制氧设备大型化的发展，与空分相配套的的大型离心压缩机的使用越来越多，而且离心压缩机的类型也越来越多，应用的的地位也越来越重要。# Y% C5 A) x, I/ o- T: T2 g; r2 b% Q ?
在实际生产过程中，首先解决的问题是，应加强对制氧工专业技能的培训，通过对这些资料的学习武装我们的理论，通过现场观摩加强对压缩机的印象。然后使他们能够解析每一种离心压缩机，掌握其不同的内部结构、不同的运行条件、不同的操作方法等等之后，转化用于我们操作运行的设备中去。
- O- ?9 J' C* |; ?. Z; V 下面将以下使用的压缩机为例，结合相关书籍、说明书、规程以及相关论坛、网站的资料，汇集内容，共同作好这份资料。 7 C/ S" d$ F2 x) a0 S. |- Z' E0 S
⑴沈鼓空压机 ：
+ l ]. G0 a" P8 c% `) N DH90-6型空气透平压缩机系单进气、双轴、齿轮式、四级等温压缩机。设计压力0.52MPA,流量75500 NM3/H.低速轴转速7142转/分,高速轴9090转/分，由一台电压10000伏,功率7400KW的同步电动机拖动,为空分提供原料气源。
! k5 F! \' ]- U/ R' @2 [ 瑞士苏尔寿空压机系单进气、齿轮式、等温压缩，设计压力0.52MPa，流量120000NM/M3；为空分提供原料气源。
6 X/ Y9 a" p5 q7 j" x9 m% t3 t6 \! _7 V ⑵杭氧氧气透平压缩机：, j1 H3 I4 d* c5 C
3TYS89+2TYS60型氧气透平压缩机系双缸，10级，水平剖分型式。设计压力2.9MPA,流量16000NM3/H，配置了一台功率3400kw的异步感应电动机。9 z6 h8 l) F4 y# _) F! L! C, D
2TYS100+2TYS76型氧气透平压缩机系双缸，8级，设计压力2.9MPA,流量23500NM3/H。( }: ?8 K$ T2 w. J- x3 E
⑶美国英格索兰压缩机 ：
" h: m6 X* q; c' H( X 4C90M ×4N2型氮气透平压缩机系单进气，四轴离心式压缩机，设计压力在生产上主要向炼钢压送氮气。另外为空分设备液体工况提供原料气源，以及作各氧透机组的密封气。# c0 ^1 n) U) u0 u
2CLL35M×3N2型氮气透平压缩机系单进气，三轴离心式压缩机，设计压力2.3MPA,流量5042Nm3/H，在生产上主要向炼钢压送氮气。5 h& L/ ^. H9 @6 `- `* y" x+ \! m- _- u
目前另两种英格索兰压缩机型号不详，只是流量有所增大变化。8 v/ Z! f$ U* z# |# g: S7 i
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