压缩机组培训教材
2007年8月9日
压缩机组培训教材(1)
第一节 压缩机概述
一、压缩机的定义和分类
工业生产中常需要具有一定的压力的气体用于各种用途，而压缩机是输送和提高气体压力的机器。我们知道，气体的压强取决于单位时间内气体分子撞击单位面积的次数与强烈程度。增加容积内气体的温度，使气体分子运动的速度增加，增加撞击程度可以使气体压力提高。但当温度减下来后，气体压力又随之降低。而一般要求被压缩气体应具有不太高的温度。因此提高气体压力的主要方法是通过增加单位面积内气体分子数目（也就是缩短分子间距）实现的，这就要通过压缩机完成。
目前使用最广泛的压缩机通常分为两类：一类是容积式压缩机，它是通过缩小气体的容积的来提高压力（诸如活塞式、滑片式、罗茨式、螺杆式）；另一类是透平式压缩机，它是利用旋转叶片对气流的作功、通过气流的不断加速、减速因惯性而彼此被挤压进而缩短分子间距来提高压力。
透平压缩机一般分为离心式和轴流式：
1、离心式压缩机：被压缩的气体在离心式压缩机中的运动是沿着垂直与压缩机轴的径向进行的。离心式压缩机中气体压力的提高是当气流流经叶轮时，由于叶轮旋转使气体受到离心力的作用而使其速度升高，当气体流经扩压器等截面积扩张的通道时，流速逐渐降低，从而是速度能转变为压力能，气体的压力得到提高。
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的。在轴流式压缩机中，同样由于转子的旋转是气体产生很高的速度，当气体流经与动叶片间隔排列的静叶栅时，气体的速度逐渐减慢，从而速度能转变为压力能。
在使用上，一般容积式压缩机宜用于高压比，中、小流量的场合；透平压缩机则用于低中压比、大流量的场合，其中轴流式的流量比离心式的更大，压力则比离心式的低些。
二、汽轮机的定义和分类
汽轮机，又叫透平，是用蒸气来做功的旋转式原动机。
来自锅炉或其它汽源的蒸汽通过调速阀进入汽轮机，依次高速流过一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而膨胀作功，推动汽轮机转子旋转(将蒸汽的动能转换成机械功)，汽轮机又则带动电机或压缩机，泵等负荷机旋转。
汽轮机按照热力过程分为:
1、凝汽式汽轮机
蒸汽在汽轮汽机中作功后全部排入凝汽器冷凝，凝汽器内部压力比大气压低。
2、抽气凝汽式汽轮机
蒸汽在汽轮机膨胀至某级时，将其中一部分蒸汽从汽轮机中抽出来，供给其它的蒸汽用户；其余蒸气在后面级中作功后排入凝汽器。双甲
车间的空气压缩机/增压机及发电机驱动透平就是抽气凝汽式的。
3、背压式汽轮机
蒸汽进入汽轮机膨胀作功后，在大于1个大气压的压力下排出气缸，其排气供其它低压用户。
4、多压式(注入式)汽轮机
若工艺过程中有某一压力的蒸汽用不完时，就把这些多余的蒸汽用管道注入汽轮机中的某个中间级内并同原来的蒸汽一起在透平内膨胀作功，从而回收能量。
汽轮机也可按蒸汽压力分为低压(2.0 Mpa以下)、中压(2.0～5.0Mpa)、高压(5.0～10.0Mpa)、超高压(12.0～14.0Mpa)及超临界(22.5Mpa以上)的汽轮机。
此外，也可按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动式与反动式的组合式汽轮机等。
第二节 离心式压缩机及汽轮机的基本原理和结构
一、离心式压缩机工作原理及基本结构
1、结构
从外观上首先看到的是机壳，它又称气缸，通常用铸铁或铸钢浇铸而成。一台压缩机常常有两个或两个以上的气缸，按压力高低称低压缸、中压缸、高压缸。
压缩机本体结构可分两大部分：
(1)、转动部分（转子），它由主轴、叶轮、平衡盘、推力盘及联轴用的半联轴节等零部件组成，又称为转子。
(2)、定部分，是由气缸、隔板、径向轴承、推力轴承、轴端密封等零部件组成，常称为定子。
在压缩机理论中常常顺着气体流动线路，将压缩机分成若干个级，所谓级就是由一个叶轮和与之相配合的固定元件结构的基本单元。如图一所示，在压缩机中间的级，它包括叶轮、扩压器、弯道和回流器几个元件。
压缩机每段进口处的级称为首级，它除了上述的元件外还应包括进气室；在压缩机的排气口的级称为末级，它没有弯道和回流器，而代之以排气室。有的压缩机甚至连扩压器也没有，气体从叶轮出来直接进入排气室。
在离心式压缩机中，气体流过一级之后，压力的提高是有限的，要想压缩到较高压力时，就需要通过若干个级来完成，几个级可以装在一个缸内。一个缸最多能装10级左右，更多的级需要采用多缸。气体经压缩后温度就要升高，当要求压力比较高时，常将气体压缩到一定压力时就从缸内引出，在冷却器内降温，然后再进入下级继续压缩。根据冷却次数的多少，可将压缩机分为几个段。一个段可以是一个级也可以是几个级。一缸可分为一个段或多段。
在多级离心压缩机中，由于每级叶轮两侧气体作用在其上的力大小不同，因此，使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力称为轴向力。平衡盘是用自身两侧的压力差来平衡轴向力的零件。它位于压缩机的高压侧，用来平衡大部分轴向力的，剩下的轴向力作用于止推轴承上。有的压
缩机叶轮采用背靠背的方法排列来平衡轴向力。联轴节又叫靠背轮，它是汽轮机（或驱动电机）和压缩机以及压缩机高低压缸间的连接件，现在通常采用挠性联轴节。它允许较大的平行不对中、角度不对中和综合不对中。
定子包括机壳和壳内的固定元件，机壳有水平分和垂直剖分两种型式。水平剖分便于拆装机制造，但密封面大，且强度差；对于压力较高的情况，采用垂直
剖分形式，壳体实际上是两缸，内缸仍是水平剖分，转子及固定元件都装在内缸中，然后再装入外缸，外缸为整个圆筒，在一端或两端有端盖，打开后即可把内缸拉出。
机壳内有各种隔板，在机壳和隔板之间，隔板与隔板子之间构成了吸气室、扩压器、弯道和回流器等固定元件。
2、通流部分各主要部件的作用
气体在压缩机中流经的主要通道部件是进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗壳。这些部件我们称之为通流部件。下面分述这些部件的作用。
(1) 进气室： 这是将进气室或中间冷却器的气体均匀地吸入叶轮去进行增压的通道,因此在压缩机中每一段进口都设置进气室。
(2) 叶轮：叶轮也称为工作轮，它是压缩机的心脏部件，气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，气体由于受到旋转离心力的作用以及在叶轮里的扩压流动，使气体压力得到提高，速度也得到提高。所以叶轮使气体提高能量的关键部件。
(3) 扩压器：气体被从叶轮甩出后，就有较高的流动速度，在叶轮出口后设置流道截面逐渐扩大的部件称为扩压器。其目的是进一步将气体的流动速度转化为压力。
(4) 弯道：为了把扩压器后的气体引入到下一级叶轮的进口，就必须改变气体流动的方向，使其由离心方向的流动改为向心方向的流动，所以在扩压器的后面设置了弯道与其相连接。
(5) 回流器：其作用是将弯道来的气体均匀的分布到下一级叶轮的进口。
(6) 蜗壳：蜗壳的主要目的是把扩压器或叶轮后面的气体汇集起来，引到压缩机外面去，流向气体输送管道或气体冷却器，此外在汇集气体的过程中，一般由于蜗壳外径的逐渐增大通流截面也渐渐扩大，因此也起到一定的降速增压作用。
3、作原理
离心压缩的工作原理与输送液体的离心泵相似。当驱动机（如汽轮机、电动机等）带动压缩机转子旋转时，叶轮流道中的气体受叶轮作用随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，气体被甩到叶轮外的扩压器中去。因而在叶轮中形成了稀薄地带，入口气体从而进入叶轮填补这一地带。由于叶轮不断旋转，气体就被不断地甩出，入口气体就不断地进入叶轮，沿径向流动离
开叶轮的气体不但压力有所增加，还提高了速度，这部分速度就在后接元件扩压器中转变为压力，然后通过弯道导入下级。导流器再把从弯道来的气体按一定方向均匀的导入下级叶轮继续压缩。
4、心式压缩机的功耗及效率
(1) 概述：压缩机气体需要消耗的能，大型离心压缩机由原动机（如汽轮机.燃动机等）驱动，原动机轴端所传递的功率包括压缩机轴承、齿轮箱及联轴节等传动部分的机械损失以及压缩机内功率。内功率指的是压缩机转子对气体所消耗的功率。
压缩机转子是通过叶轮向气体传递能量的。叶轮除对气体作功外，叶轮的轮盘、轮盖的外侧面及轮缘与周围气体的摩擦所产生的轮阻损失、叶轮出口高压气体漏回到叶轮低压端的漏气损失也都要消耗功。
对整个压缩机来说，叶轮对气体作功转换成下列三个部分：
a 提高气体的静压能（压缩功），使气体从进口压力提高到出口压力。
b 提高气体的动能。在一般情况下，动能的提高不大，常常可以忽略不计。
c 克服气流在级中的流动损失。这部分流动损失，是指气流在叶轮内和级的固定元件（如吸气室、扩压器、弯道、回流器、蜗壳等）内的流动损失。
总之，压缩机级的中功耗有五部分组成，即静压能提高、动能的变化、流动的损失、轮阻损失和漏气损失组成的，只有静压能的提高对气体的升压是有用的。
(2) 气体的压缩过程
静压能的提高与气体的压缩过程有关。热力学把气体的压缩过程分为：等温压缩过程、绝热压缩过程、多变压缩过程。压缩机中气体的实际压缩过程是多变压缩程，但可忽略与外界的热交换。
现分析各压缩过程中的静压能提高（压缩功）。
设压缩机进出口参数分别为P1、V1、T1和P2、V2、T2，压缩气体的所需能量的单位Kg.m/Kg表示，它表示压缩1kg气体所需的能量。
A 等温压缩 T=Const （恒定）
等温压缩功为 His=RT1Ln(P2/P1) (Kg.m/Kg)
B 绝热压缩
气体在压缩过程中与外界无热交换且无气体流动失和摩擦损失。绝热压缩后气体温度：
T2/T1=(P2/P1)K-1/K
绝热压缩功为：
Had=K/(K-1)RT1((P2/P1)K-1/K-1) (Kg.m/Kg)
C 多变压缩过程：过程存在流动损失和磨擦损失，外界可以有热交换或者无热交换。
多边变过程气体温度计算式为：
T2/T1=(P2/P1)M-1/M
多变压缩功为：
Hpol=(M-1)RT1((P2/P1)M-1/M-1) (Kg.m/Kg)
以上式中R为气体常数，被压缩气体组份越轻则R越大。
多变过程和理论绝热过程的公式具有同样形式，只是绝热指数K代以多变指数m。多变指数和绝热指数不同，它不仅和气体的种类
而变化，而且与设备结构有关系。对于离心式压缩机来说，多变指数m大于绝热指数K。机器设计和控制的愈合理，则m愈接近K值。
(3) 压缩机过程分析讨论
A 三种典型压缩过程，如气体温度和压比相同，则等温压缩过程需要的压缩功最小，排气温度最低,等于进气温度。这是一种理想情况，实际上只能接近而不能达到。多变压缩过程需要的能量头最大，所以多级压缩机常做成多段，增加段间冷却器从而使压缩过程向等温压缩过程靠近，对于具有中间冷却器的压缩机常用等温效率来衡量机器的完善程度。
B 同质量流量的同种气体来说，如初温度相同，当压缩比相同，其功耗也相同。例如把气体从10个大气压压缩到100个大气压，与从1个大气压压缩到10个大气压所需要的功耗相同。
C 气体所需的压缩功与气体的性质有关，对轻气体，因为气体R大，所以在相同压力下需要的压缩功就比压缩重气体大（从压缩表达式可以看出），但由于同一压缩机及压缩同一体积流量的不同气体，所提供的叶片功是相同的，也即H叶片与气体性质无关，所以在同一压力比要求下，压缩轻气体需要的级数比重气体多。
D 变过程是具有损失的过程，多变指数m反映多变压缩过程所需功的大小。损失使气体得到附加热量，采用中间冷却器，目的是为了向等温压缩过程靠近。各个不同压缩过程在P-V图和T-S图上的表示如下图2—图3所示。各个过程的压缩功就是各压缩过程线纵坐标及P=P1、 P=P2两条等压线所包括的面积。
图2 T-S图上各种不同压缩过程 图3P-V图上上各种不同压缩过程
4） 压缩机的效率
压缩机或级的效率主要是用来说明传给气体的机械能的利用程度。由于有三种压缩过程，则相应的把压缩机效率分为多变效率ηpol、绝热效率ηad和等温效率ηis。
多变效率指由压力P1增加到P2所需要的多变压缩功与实际消耗的功之比。目前离心式压缩机的多变效率为0.7～0.84左右。
绝热效率指由压力P1增加到P2时绝热压缩功与实际所需消耗的功之比。
等温效率指由压力P1增加到P2时等温压缩功与实际所需消耗的功之比。
实际的压缩机不可能实现没有损失的绝热压缩过程，但它可以作为比较标准。由于多变压缩功>绝热压缩功>等温压缩功，故有ηpol>ηad>ηis，故要注意机器效率使用哪一种表示方法。
二 汽轮机基本原理、结构
汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式原动机。来自锅炉或热网的蒸汽，经脱扣节流法阀或事故切断阀、调速阀进入汽轮机，依次高速流经一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动
叶栅而膨胀作功推动汽轮机转子旋转，将蒸汽的动能转换成机械功。这便是汽轮机简单的工作原理。汽轮机可按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动式与反动式的组合式汽轮机。
首先，我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍。
1 汽轮机的工作原理
(1) 冲动式汽轮机
冲动式汽轮机的最简单的结构如图4所示。叶轮上装配一圈动叶片与喷嘴配合在一起，构成一个做功的简单机械。我们把由喷嘴和与其配合的动叶片构成的汽轮机作功的单元称级。
由一个级组成的汽轮机叫单级汽轮机。
喷嘴又叫静叶片。它是一个截面形状特殊且不断变化的通道。蒸汽进入喷嘴后发生膨胀、消耗了蒸汽的压力能，即消耗了蒸汽的热能，蒸汽的压力及温度都下降了，而蒸汽的流速却增加了，获得了高速气流。喷嘴的作用就是将蒸汽的热能转变为动能。
动叶片又称工作叶片。在叶轮的外圆周上装满的一整圈叶片，常叫动叶栅。由喷嘴流出的高速气流流至动叶片时，其速度的大小及方向是一定的，之后气流由于受到动叶片的阻碍（作用力），改变其原来的速度的大小及方向，这时候气流必然给动叶片一个反作用力，推动叶片运动，将一部分动能转换成叶轮旋转的机械功。
由上述可知，在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换，即:热能→蒸汽动能→转子机械能。
为了更好的理解汽轮机的工作原理，下面分析一下冲动式汽轮机的动叶片型式。
如果我们用一个直立的平板，让高速气流冲击到它的表面上，平板由于受到气流的冲击作用而发生运动。但因在平板的表面附近产生了很大的扰动和涡流损失，如图5-a所示，使蒸汽中大量的有用能量不能得到很好的利用以至造成浪费。所以经过大量的实践改进，现在汽轮机的动叶片做成弯曲形。如果要产生最大的作用力，就要使蒸气的喷射方向与动叶片的运动方向一致，然后再转一个180°而离开动叶片，如图5-b所示，这时动叶片受到的冲击力如图6所示。
图5 冲动式汽轮机动叶片的分析图 图6 蒸汽微团作用在叶片上的离心力
气流以C1的速度流向曲面，它相当于汽轮机的动叶片，并能沿平行于气流的方向移动。气流进入弯曲流道内弧所构成的汽道后,便沿着内弧逐步改变其流动方向，最后流出汽道时的速度为C2方向恰与C1方向相反。当气流流过曲面时，实际上作圆周运动，因此组成气流的每一个蒸汽微团都受到叶片所作用给它的一个向心力，同时叶片受到汽流给它一个大小相等、方向相反的反作用力。假如气流微团的离心力用向量表示。在1点处的离心
力P1可分解成轴向分力P1Z及运动方向上的分力P1U、在2点处的离心力P2也可以分解成渝P2Z和P2U。轴向分离P1Z和P2Z恰好相互抵消，因为此二力大小相等、方向相反，且共同作用在一个叶片的同一条支线上。同样，其它点的轴向分离也相互抵消，因此气流的离心力在轴向上的分力之和为零，即
P1Z+P2Z+…..=0
在弯曲面运动方向上的分力之和等于P，即
P1U+P2U+…..=0
在这个P力的作用下，弯曲面（叶片）向右运动，通过叶轮及轴产生旋转运动。若带动压缩机和泵、风机等机械，就可以输出机械功。这就是冲动式汽轮机的工作原理。
实际上，由于机械结构等方面的限制，从喷嘴流出来的气流不能与动叶片的运动方向完全相同，而成一个夹角。动叶片也不是一个半圆弧，而是由好几段曲线组成，一般是圆弧和抛物线弧。如图所示7所示。
(2) 速度级和压力级
前面已经介绍级的概念，从结构上看，汽轮机的一个级是有喷嘴（几个或整个圆周布置的喷嘴）和一列动叶片组合起来的装置，从动作原理来看，就是能造成高速气流、能将速度能转换成机械能，并产生推力对外做功的基本单元。级可以分成压力级和速度级，简单介绍如下。
A 压力级
在可以利用的蒸汽能量很大的情况下，只有一个级不能充分利用这些能量。这时，我们把由喷嘴和动叶片组成的级串联在同一根轴上，将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利用。从结构来看，就是一列喷嘴和一列动叶片，其后又是一列喷嘴和一列动叶片，这样逐次排列下去。在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力最高，以后逐级降低，这就是常见的多级汽轮机的结构形式，其中的每个级，都叫做压力级。
B 速度级
压力级外，在有些汽轮机上还设有速度级。速度级又叫复速度级或寇蒂斯级。速度级比压力级在结构上复杂一点。
图8是具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图，它比单级冲动式汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点，由轴1、叶轮2、双列动叶片3及6构成转子；由喷嘴4、导向叶片7、气缸5、排气气管8等组成的静子部分。
图8 具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图
如果冲动式级在工作时，离开动叶片的速度仍很大，这就说明还没有充分利用蒸汽的动能来作功。为了利用这部分能量，在同一叶轮的轮缘上在要装置第二动叶栅，使蒸汽流过两列转动的叶栅，第一列动叶栅通道中蒸气能量中的一部分转换为机械能，而其余的蒸汽能则由第二列动叶栅继续将能量转换为机械能。为了使蒸汽流以一定的方向流入第二动叶栅，在第一、二列动叶栅之间装一列固定
的叶片，起导向作用，称之为导向叶片，它是装在气缸上的。
速度级与冲动式压力级的工作原理是一样的，不同的就是蒸汽的速度在第一、二列动叶栅中分别加以利用。
除双列速度级以外，还有三列速度级，但常用的是双列速度级。经常用它做成小功率的汽轮机，带动风机及其它各种泵等，也可以用它做多级汽轮机的头一级。
(3) 反动式汽轮机
反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转换为机械能的。反动式汽轮机的工作原理同样是基于惯性定律和作用力与反作用力定律的。
图9是反动式汽轮机的结构示意图。动叶片安装在转鼓上，轴、平衡活塞及转鼓组成了转子。静叶片安装在气缸上，与进、排气管等组成静子 。
反动式的级仍然是由一列静叶栅和一列动叶栅组成。它的工作原理是：在静叶栅中气流与经过喷嘴时相似，压力降低，容积膨胀，速度增加；而它的动叶栅也做成截面渐收缩的汽道，气流在动叶栅中进一步降压，膨胀加速。根据惯性定律可知，运动的物体如果不受外力的作用的话，则一定按照它原来的速度大小及方向运动下去。气流既然在动叶栅之中获得了加速度，那必然有外力作用在其气流上，这个力是由于在动叶栅中降低了气流的压力和温度，即气流的热能转换为动能所获得的。在动叶栅中进一步使气流降压、增速并以高速离开，这时气流必然给动叶栅一个大小相等、方向相反的作用力，使动叶栅转动带动轴旋转的对外做功。这就是反动式汽轮机的工作原理。
反动原理在汽轮机中的实际应用，如图10所示。这是反动式汽轮机中的一个级的断面示意图。蒸汽在静叶栅中膨胀后达到较高的速度，蒸汽离开静叶栅后，进入动叶栅气道，沿着气道壁的内弧改变方向，因此动叶片就受到由于冲动原理产生的冲击力，记为P冲；又由于气流在动叶栅气道内从P1膨胀降压至P2，因而动叶片上又受到由于反动原理而引起的反作用力P反的作用。P冲与P反的合力为Pu。此外，动叶片前后有压差也引起一个轴向力P轴。Pu与P轴的合力为P总，这就是作用在动叶片上的力。沿动叶片运动方向的分力，使动叶片向右移动，并做机械功，因此，作用在反动式汽轮机的级的动叶片上的力，既有冲动力，也有反作用力。
图9 单级反动式汽轮机示意图 图10 反动式汽轮机的级
实用的反动式汽轮机，都采用多级型式，其工作原理与前面分析的单级反动式汽轮机的工作原理基本一样。
为了分析方便，前述冲动式级，实际上是指在动叶栅中没有膨胀发生的情况，有人把它叫做纯冲动式级。
近代常用的汽轮机，实际上用的是带反动度的冲动式汽轮机。在这种汽轮机中，动叶栅中也有汽流膨胀，但比喷嘴中的膨胀程度小些。
所谓反动度，就是在动叶栅中蒸气膨胀的程度占级中总的应该膨胀程度的比例数，或是在动叶栅中的理想焓降之比，常用ρ表示反动度。
纯冲动式级的ρ=0；反动级的ρ=0.5；带反动度的冲动式级的0<ρ<0.5。带有不大反动度的冲动级使用最广泛，它可以提高冲动式汽轮机的效率。
(4) 冲动反动组合式汽轮机
这类汽轮机的前一级或前几级为冲动式，后面的即为反动式。
2 汽轮机的结构及用途
汽轮机实现能量转换，主要是通过喷嘴把热能转换为动能，通过动叶栅把动能转换为机械能。因此，喷嘴一般做成静止零件，用各种不同的方法固定在气缸上，形成汽轮机的静止部分；而动叶栅则安装在转动轴上，形成汽轮机的转子部分。所以汽轮机的主要是有转子、静子两大部分组成。
(1) 转子部分
也就是汽轮机的转动部件，靠固定于汽缸上的前后两个轴承支撑，由主轴、叶轮、叶片组成，并通过联轴器与被驱动机械相连。转子做高速旋转，把蒸汽作用到叶片上力矩传动给驱动机械，达到对外做功的目的。
转子的性能要求
为使转子能安全可靠的运行，必然满足下列条件：
A 必然有一定的强度，以满足支持自身重量和传动转矩的要求。
B 必须经过严格的动平衡，以免高速旋转时产生过大的离心力引起汽轮机振动和损坏
C 必须使汽轮机的临界转速和运行转速避开一定距离，以免发生共振。
D 必须安装平衡盘、推力盘和轴套，用以平衡转子的轴向推力和并使转子在轴向定位。
转子的结构形式，一般有整锻式、套装式、组合式、焊接式、转鼓式等。
转子的轴向推力及其平衡
蒸汽在汽轮机的通流部分膨胀做功时，转子上受两部分力，一部分叫做轮周力，是产生转矩对外做功的有益力；另一部分沿叶轮轴从高压端指向低压端，企图推动转子向汽流方向运动，所有叶轮轴向力之代数和，就是整个转子的轴向推力。转子的轴向推力一般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推力轴承承担。如果推力过大，就会影响轴承寿命，严重时会烧坏轴瓦，引起转子上动静部分碰撞，以致损坏机器，因此，在运行中必须严密监视转子轴向推力变化，确保机组安全运行。
一般来说，作用与汽轮机转子的轴向推力来源于以下几种因素：
a 叶轮两侧的压力差.
b 动叶片上的轴向力.
c 轴上各处直径不同引起的受力.
汽轮机转子所受轴向推力很大，高压汽轮机（反动式）可达
到几百吨，为确保机组的安全运行，一般采取下列措施平衡轴向力.
a 使用推力轴承。目的是固定转子在气缸中的位置，承受转子上的少部分轴向推力.
b 使用平衡活塞或平衡盘。如图11所示，在转子通流部分对侧，将转子做成阶梯形，以产生相反的轴向推力，此阶梯凸台就叫平衡活塞。其右侧为高压蒸汽，左侧与汽室相同，受低压蒸汽作用，因而产生向左的轴向力，以平衡部分轴向力。对冲动式汽轮机因其总的轴向推力不大，一般将高压汽封套直径做大些，也可以起到类似的作用.
c 开平衡孔。由于汽轮机叶片两侧存在压力差，在轮盘上开有贯通两侧的小孔，即平衡孔，可减少轮盘上的轴向推力。平衡孔一般开5-7个奇数孔，以免在叶轮同一直径上形成对称孔，影响叶轮强度。另外开奇数孔对减轻叶轮震动也有好处。但此法会使汽轮机效率有所降低。
图11 平衡活塞
d 采用相反流量布置。如图12所示，使蒸汽在高低压缸或各区域内流向相反，而产生反方向的轴向推力，以相互抵消而达平衡。
(2) 静子部分
即汽轮机的静止部分，包括汽缸、前后支承轴承、推力轴承、喷嘴组、隔板、支撑与滑销系统、汽封系统和机座等。
图12 相反流动的布置方案
A 汽缸（机壳）
其缸的作用是支撑转子、容纳并通过蒸汽，将汽轮机通流部分（喷嘴、转子、隔板等）与大气隔开，保证蒸汽在机内完成其做功过程。
在运行中，气缸会承受蒸汽与大气压力差、轴向拉应力、部件重量、振动及热应力等多种作用，一般作为薄壳双层，既要可靠的固定在机座上，又要有一定的自由膨胀裕度。
B 支撑与滑销系统：
目的是承受汽缸重力，并使汽缸在受热状况下的热膨胀有一定方向。
C 喷嘴组和隔板：
喷嘴作用如前所述，它是将蒸汽热能转化为动能的重要部件；隔板则使各组叶轮在单独的蒸汽室中运行，达到热能的充分利用。
D 汽封装置：
在汽缸两端、叶轮和隔板处，为避免动静部件碰撞而留有间隙。由于这些间隙前后压力差存在，主轴通过间隙处必然有漏气，从而降低机组运行的经济性并造成损失。汽封装置作用就是减少漏气，确保机组安全运行。
轴端漏气不但造成部分蒸汽热能的浪费，影响汽轮机经济性，还会破坏润滑、造成油中带水、轴承润滑不良等后果。另外，汽缸后侧漏入空气，对排气温度和凝汽设备的真空建立也有一定危害。
汽轮机的汽封装置有多种形式，最常用的是迷宫式汽封，通过蒸汽的节流流动降低密封齿前后的流动压差和流速，从而减少漏气量，达到密封
的目的。
E 轴承：
按其所起的作用可分为支持轴承（又叫径向轴承）和推力轴承。支持轴承的作用是承受径向力，保持主轴与汽缸中心线一致，确保转子的正常运转。推力轴承则用来承受转子轴向力，限制转子轴向串动，保持转子轴向位置。目前汽轮机和离心式压缩机绝大多数采用的是油润滑动压轴承，通过建立油膜压力承受载荷。
3汽轮机的功率和效率
(1) 汽轮机的功率
我们知道，汽轮机的功是热能转换来的，而功率则表示单位时间的功。在汽轮机运行管理工作中，将接触到以下几种功率：
A 理想功率
表示不考虑任何损失，蒸汽在汽轮机中作理想膨胀，单位时间内将全部热能都转换为功。
1公斤蒸汽具有的能量可用热量表示为：
g=io-i排=Ht
G公斤蒸汽具有的能量表示为热量：
Q=G（io-i排）=GHt
式中：io---在入口状态参数下的新蒸汽的焓
i排---排气压力、温度下的蒸汽的焓
Ht-----理想焓降
在理想的情况下，蒸汽能量都转化为机械功应为：
L=427Q=427 GHt
在实际工作中，知道每小时的重量流量，就可相应算出相应的理想功率。
B 内功率
从理想功率中扣除内部损失后得到的功率叫做内功率。它表示汽轮机通流部分可以发出的功率。（所谓通流部分就是流经汽轮机的蒸汽经过各级喷嘴和动叶栅的流道完成二次能量转换，这条汽道叫做通流部分）。
C 轴功率
从内功率中扣除外部损失消耗后的功率，叫做轴功率，它表示汽轮机轴端输出功率，是可以被利用的功率，所以也叫有效功率。
D 汽轮机的效率
效率是衡量经济性的重要指标，由于汽轮机实际工作有各种损失，所以热能并不能全部转变为功。实际发出的功率与理论上应发出的功率之比，就是汽轮机的效率，叫做相对效率。
相对内效率：内效率与理想功率之比叫做相对内效率，它说明内部损失的大小。
相对有效效率：汽轮机的轴功与理想功之比叫做相对有效效率。
有效效率明汽轮机内部及外部损失的大小，表示汽轮机的综合经济指标，汽轮机的功率越大，有效功率就越大，有效效率就越大。实际工作中还用实际有效汽耗率表示汽轮机的经济性．汽耗率，它表示单位轴功率所消耗的蒸汽量。
实际上用的汽轮机汽耗率是用实验或计算的方法求得。
汽轮机的机械效率反映了汽轮机在机械方面的工作效能，它是轴功率和内功率之比，一般为0.96~0.995。
第三节 离心式压缩机、汽轮机运行有关概念
一 临界转速
我们知道，任何一个振动系统都有自己固有的自振频率，在一个初始干扰力
作用以后就会以一种固有的振动频率产生振动。如果一个周期性的干扰力是自始至终作用在系统上，就会迫使其作强迫振动，振动的频率等于干扰力的频率。如果干扰力的频率恰好等于系统的自振频率，那么振动将随时间的增加而迅速增加，在无阻尼的情况下，振幅会无限的增加下去，这种现象就是共振。压缩机转子就是一个共振系统，本身有自己的固有自振频率。在运转的过程中总会受到一些干扰力的作用，如气流力、增速器传动齿轮的作用力、相邻气缸转子不对中时联轴节传来的作用力以及转子本身残余偏心产生的旋转离心力等，这些力都是周期性的，并会以一定的频率作用在转子上。在这些干扰力中转子残余偏心产生的离心力对横向振动影响最大。这个离心力与转速的平方成正比，使转子做横向强迫运动。其振动频率恰好等于ω。当转子达到某个转速，这种强迫振动频率恰好等于转子自振频率或是其整倍数时，就发生共振，振幅就随时间的增加而迅速增加，这个转速就是转子的临界转速。
图13
转速在第一临界和第二临界转速之间的转子称为柔性轴，工作转速低于低于第一临界转速的转子为刚性轴。美国API标准对临界转速以及运行转速和临界转速之间的隔离裕度有严格的规定说明。
由于在临界转速下运转时转子振动振幅很大，工作不稳定，所以如果运行时间较长，会引起轴和密封损坏及动、静部件相碰等严重事故。因此不允许转子在临界转速附近的转速范围内运行。对柔性轴来讲，开车时必须迅速越过临界转速，这样才不会发生危险。
二 旋转脱离、喘振
离心压缩机的运行有一定的稳定工作区。由于实际上常在变工况下运行，有时就会偏离工作区运行而出现异常现象，从而对机器设备造成危害。比如当气流小于一定值时，会发生旋转脱离，此时工况将是不稳定的；如进一步减少流量，则会发生喘振，这时会产生强烈的气流脉动和周期性震荡；当流量增大到一定值时，又会出现堵塞或滞止工况，这时流量不可能再增加。由于喘振在以后大机组运行时最重要的，我们将较多地介绍其有关内容。下面就对旋转脱离、喘振分别予以介绍。
1 旋转脱离
离心压缩机在设计工况运行时，气流的流动方向与叶片的安装角基本一致，无论是叶轮还是叶片扩压器，气流均能顺利地进入流道，不出现（或略微产生）边界层分离现象，如图6-14所示。当流量增大时，进气角增大，如图所示，气流射向吸力面，在工作面上将产生气流边界层分离现象。由于工作面出口处速度增加，压力降低，使边界
层分离现象有些收缩，而不扩大，在这种情况下，工况仍然是稳定的。
但当流量减小时，进气角随之减小，这时气流射向压力面，在吸力面上将产生边界层分离现象；同时由于吸力面出口处，速度降低，压力增加，存在逆向压力差，从而使分离区进一步扩大，如图所示。当流量小于一定值时，分离区会很快扩大，甚至充满某几个叶道，这时局部流通面积堵塞，气流不能顺利流过叶道，甚至局部出现倒流，工况将出现不稳定现象，这种现象称作失速。
图14 变工况时流道中的分离现象
由于气流的不均匀性以及叶片几何参数不可能完全相同（由于叶片型线加工情况和安装情况不可能完全相同），当流量小到一定值时，叶道中气流边界层的分离不可能在所有叶片表面上一下子同时发生，而总是在一个或几个叶片上首先发生，形成了一个或几个脱离团。如图15所示，假定叶道Ⅱ最先产生脱离团，因而流入该叶道的气流受到阻碍，而向相邻叶道偏转，使流入叶道Ⅰ的气流角增大，流向叶道Ⅲ的气流角减少，于是解除了叶道Ⅰ内的气流脱离，而使叶道Ⅲ内出现脱离团。流入叶道Ⅲ的气流中又将发生偏转；偏转的气流不断使它前面的叶道解除脱离，而使后面的叶道形成脱离，出现脱离团的传播。脱离团相对叶轮来说，是和叶轮旋转方向相反的方向旋转移动，但由于旋转移动速度小于叶轮旋转速度，所以在绝对运动中，分离团移动方向与叶轮旋转方向相同，这种现象称作“旋转脱离”。
图15 旋转脱离的形成
扩压器中也同样存在旋转脱离。带叶片扩压器的压缩机，一般是在叶片扩压器中最先发生旋转脱离，如果是无叶扩压器，则在工作叶轮中先出现旋转脱离。
旋转脱离现象的出现，使级进出口压力、流量等参数产生强烈脉动，且对叶片产生了周期性的交变作用力，导致叶片振动。
2 喘振
(1) 喘振的概念
喘振是离心式压缩机本身固有的特性，而造成喘振的唯一直接原因是进气量减小到一定值。
从前面我们已经知道，当气量减小到一定程度时，就会出现旋转脱离，如这时 进一步减小流量，在叶片背面将形成很得的涡流区域，气流分离层扩及整个通道，以至充满整个叶道，而把流道阻塞，气流不能顺利的流过，这时流动严重恶化，压缩机的出口压力会突然大大下降，由于压缩机总是和管网系统联合工作的，这时管网中的压力不是马上减低，于是管网中的气体压力就反大于压缩机的出口处的压力，因而管网中的气体就倒流向压缩机，一直到管网中的压力下降到低于压
缩机出口压力为止，这时倒流停止，压缩机又开始向管网供气，经过压缩机的流量又增大，压缩机又恢复到正常工作。但当管网中的压力恢复到原来压力时，压缩机的流量又减少，系统中的气流又产生倒流，如此周而复始，就在整个系统中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象就称作“喘振”。
喘振现象不但和压缩机中严重的旋转脱离有关，还和管网系统有关。管网的容量越大，则喘振的振幅越大，频率越低。喘振的频率大致和管网容量的平方根成反比。
(2) 喘振的现象及判断
机组喘振时，压缩机和其后的管道系统之间产生一种低频高振幅的压力波动，整个机组发生强力的振动，发出严重的噪音，调节系统也大幅度的波动。一般根据下列方法判断否进入喘振工况.
A 监测压缩机出口管道气流噪音。正常工况时出口的声音是连续且较低的，而接近喘振时，整个系统的气流产生周期性的振荡，因而在出口管道处声音是周期性的变化，喘振时，噪音加剧，甚至有爆音出现。
B 观测压缩机流量及出口压力的变化。离心式压缩机稳定运行时其出口压力和进口流量变化是不大的，是脉动的：当接近或进入喘振工况时，二者的变化很大，发生周期性大幅度的脉动。
C 观测机体和轴振动情况。当接近或进入喘振工况时，机体和轴振动都发生强烈的振动变化，其振幅要比平常运行时大大增加。
压缩机组培训教材（2
(3) 喘振的危害喘振是离心式压缩机性能反常的一种不稳定运行状态。发生喘振时，表现为整个机组管网系统气流周期性的振荡。不但会使压缩机的性能显著恶化、气流参数（压力、流量）产生大幅度脉动、大大加剧了整个压缩机的振动，还会使压缩机的转子及定子元件经受交变动应力，级间压力失调引起强烈的振动，使密封及轴承损坏，甚至发生转子及定子元件相碰、压送气体外泄、引起爆炸等恶性事件，因此在操作中必须避免在喘振工况下运行。(4）喘振的基本原因实际运行中引起压缩机喘振的原因很多，但基本原因上不外乎下属两种：第一种：运行流量小于喘振流量，诸如生产减量过多、吸入气源不足、入口过滤器堵塞、管道阻力大、叶轮通道或气流通道堵塞等。第二种：压缩机的出口压力低于管网压力。诸如管网阻力增大、进气压力过低、压缩机转速变化等。压缩机的出口压力低于管网压力，就会导致压缩机的运行工作点向小流量区域移动，从而进入喘振工况。这与前面提到的“造成喘振的唯一直接原因是进气量减小到一定值”并不矛盾。(5) 喘振曲线和防喘振曲线由于对每一转速，压缩机都有对应的喘振流量，小
于喘振流量，压缩机即发生喘振，我们将各转速下所有的喘振点连接起来（特性曲线上的喘振点连接起来），既可以得到一曲线，即为压缩机的喘振曲线，如图16所示。 图16 喘振曲线和保护曲线示意图 因此，千万不要让压缩机在图示的喘振区内运行。这将通过防喘振控制系统来实现。后面介绍。 喘振曲线通常呈抛物线形，而考虑了防喘振裕度后，就可以在其右边画出一条与喘振曲线相近的一条线，这就是保护曲线，或叫防喘振曲线。保护曲线没有必要与喘振曲线完全相似，或由喘振曲线平移来获得，而只要能保证压缩机在正常运转范围内有合适的裕度即可。这就使得防喘振控制系统仪表的配置和选用变得极为简单，并更具灵活性。在某一转速下，压缩机的实际流量与该转速下的喘振流量之比叫防喘振裕度。裕度太大，则功率耗量增加，经济性差，太小是则离喘振点太近，安全性差。一般防喘振裕度控制在110~125%左右。在决定裕度大小时，还应把调节仪表的误差和滞后因素考虑进去。三 离心式压缩机的性能曲线、压缩机与管网联合工作1 离心式压缩机的性能曲线压缩机在运行时工况不断变化，压缩机必须改变流量、压力等参数以满足要求。在一定转速下，把不同流量时的排气压力（或压力比）、功率和效率用曲线表示出来，这些曲线就称为压缩机的性能曲线。图17所示的是压缩机性能曲线示意图，该图表示的仅为某一转速下的压缩机性能曲线。在不同的转速时，可以得到不同的性能曲线，如下图18所示。 图17 某一转速下的压缩机性能曲线 图18不同转速下的压缩机性能曲线性能曲线的特点：A 每个转速下都有一条对应的性能曲线。当转速一定时，流量增加，出口压力减少；流量减少，出口压力增加。流量一定下，转速越高，排气压力越高；转速增加，性能曲线向右上方移动。B 随着转速增加，性能曲线变得越来越徒。C 有最大和最小流量限制。2 压缩机稳定工作区我们知道压缩机在流量上有最大和最小流量限制；压力方面有最大压力限制；转速方面有最大转速限制；一般压缩机允许短期超速到设计转速的105%～110%挠性转子必须越过一阶临界转速。因 此，压缩机稳定工作区就是由最大压力限、最大流量限和防喘振边界线（防护曲线）以及最低运行转速所围成的工况运行区，如图19所示。 图19 压缩机稳定工作区3离心式压缩机管网系统实际运行时，压缩机并不总是在设计点工作，这是由于压缩机总是和管网系统一起联合工作的，管网系统的参数及外界条件是可能变化的，这就要求压
缩机适应管网特性的要求改变自己的参数。下面首先介绍管网系统。所谓管网系统是指压缩机后面压缩气体所需经过的全部装置的总称，如化工用的压缩机就和化工设备的各种管道与容器联合工作。当气流通过管网时，要克服一系列的压力损失，这些损失主要是沿管道的速度损失与局部阻力之和。每一种管网系统都有自己的性能曲线，它是指通过管网的气体与保证这个流量通过管网所需的压力之间的关系曲线，即Ｐ＝ｆ（Ｑ）。由连接管道和压力容器组成的管网，它的管网特性曲线可近似用下式表示：Ｐ＝Ｐｒ＋ＡＱ２Ｐｒ、Ｑ、Ａ、Ｐ分别为容器中的压力、管网的容积流量、管网的阻力系数和管网的入口压力（等于压缩机的排气压力）。上式表明，管网阻力是由容器压力和管道阻力两部分组成。如果接管很短，容器压力高，则管网阻力主要有容器压力确定，管网入口压力Ｐ＝Ｐｒ为一水平线；如果无压力容器，压缩气体通过管道和阀门又排往大气，压力下降到大气压力Ｐａ则上式变为Ｐ＝Ｐａ＋ＡＱ２。4 离心压缩机与管网的联合运行如果将压缩机性能曲线与管网性能曲线按同样的比例画在一起，则两个性能曲线的交点恰好满足二者平衡条件，即稳定运行点，亦即压缩机与管网的联合运行点，如下图20所示。这时通过压缩机的流量与管网流量向等，压缩机产生的压力也正好等于管网的阻力，整个系统保持平衡。如果调整管网阀门的开度，则改变了管道阻力系数Ａ，管网性能曲线便移动；如阀门关小，Ａ增加，曲线向上移动。调整阀门开度，移动管网特性曲线，使压缩机和管网的联合运行点改变，进而使流量和压力发生变化。管网曲线向上不断移动时，流量不断减少，减少到一定的程度时，即发生喘振。压缩机和管网联合工作，在管网中储有一定量气体，因此当压缩机出口压力突然下降时，管网中压力会大于压缩机出口压力，气流会从管网流向压缩机，很容易造成喘振。 图20 压缩机与管网的联合运行点 第四节 离心式压缩机组辅助系统离心式压缩机组的运行只有离心式压缩机及汽轮机本体是不够的，必须还有一些辅助系统。这些辅助系统主要有：压缩机的段间冷却系统、汽轮机的凝汽系统、机组油系统、压缩机密封系统、机组负荷调节及保护系统、压缩机防喘振系统等。机组运行中发生的一些事故很多就是由于辅助系统的设计和操作维护不当引起的。下面就对这些系统做一简介。一 压缩机的段间冷却系统我们知道，等温压缩所消耗的功最小。为降低能耗使实际的压缩过程接近等温压缩，常把气体从压缩机中引出来进行冷却，
冷却到一定的温度后再送回压缩机继续压缩。对压缩比较大的压缩机尤其如此，这就设置了中间冷却器。确定具体压缩机的冷却次数应考虑到省功、被压缩介质的特性、以及用户的具体使用条件要求等因素。二 汽轮机的凝汽系统1 凝汽系统的作用和组成凝汽系统的作用是建立和维持给定有利的排气压力，增大蒸汽的可用焓降，并将排汽凝结成水，作为锅炉给水循环利用。凝汽系统一般由表面凝汽器、循环水回路、凝结水泵和抽气器等组成。凝汽系统的简图如21所示。 图21 凝汽设备系统图2 抽气器作用：是将蒸汽中带入的空气或由于处在真空系统下工作的设备及其工作管线、法兰等处结合不严密而漏入的空气从凝汽器中抽出，以维持凝汽器的经济真空。当然除抽气器外，还有抽气冷却器。其作用是将抽气器抽出的蒸汽与空气混合物中的蒸汽凝结成水，回收再利用。三 机组油系统1概述：机组油系统包括油箱、油泵、管路和阀门、冷却器、过滤器等。油系统对设备润滑、驱动调节系统、冷却轴承和保证联锁装置的可靠动作等起着十分重要的作用，是机组安全运行的保障。供油系统如果不正常，机组就不能启动，如果出现故障，就会造成压缩机组停车。2任务和作用油系统在机组运行中担负着二个任务：一是向压缩机、汽轮机轴承及齿轮箱等部位提供润滑油；二是向汽轮机调节系统提供调节油。此外，对于采用油膜浮环密封的压缩机还提供密封油。润滑油的主要作用：一是其润滑支撑作用，润滑油形成的油膜附着机器的摩擦付的滑动间隙中，支撑转子并润滑，使其不致发生干摩擦，从而大大减少摩擦力。二是其冷却作用，润滑油川流不息的流入流出，可以把零件由于相对滑动而产生的的热量带出压缩机轴承，以防止轴承及机件因温度过高而发生“咬合”。采用油膜浮环密封的压缩机的密封油的作用是通过压力油注入轴与浮环之间的间隙内，达到用油密封高压气体的目的。调节油的主要作用是供给调节系统进行信号转化的调节油，同时供给信号放大机构用的动力油。油系统设置蓄压器的作用是保证油泵在切换过程中的油压稳定，以免油压波动引起联锁跳车。蓄压器中有一氮气囊，当油压降低时，气囊扩张，将蓄压器中的油压出，维持总管油压，以免油压波动大引起联锁跳车。四 防喘振控制系统 离心式压缩机常用的防喘振控制系统方案有两种：1 固定极限流量防喘振控制固定极限流量防喘振控制系统的原理是使压缩机的负荷永远高于某一固定流量，也叫极限流量，如图22所示。图22 固定极限流量防喘振系统原理图