轴流压缩机技术及应用
轴流压缩机技术及应用文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
第一章概述
本章介绍压缩机的分类、轴流压缩机的发展概况及技术术语。
第一节 压缩机械的分类
轴流压缩机是气体压缩机械的一种形式。按压缩气体的方式不同，压缩机通常分为两类：容积式压缩机透平式压缩机。一般容积式压缩机宜用于中小流量的场合，透平式压缩机宜用于大流量的场合。从能量的观点看，压缩机是把原动机的机械能转变为气体
能量的一种机械。
一、 容积式压缩机 容积式压缩机气体压力的提高，是利用气体容积的缩小来达到的。
二、透平式压缩机
透平式压缩机是一种叶片旋转式机械，气体压力的提高是利用叶片和气体的相互作用来达到。透平式压缩机的分类有下列几种：
1、 按气流运动方向分类
离心式——气体在压缩机中的流动方向大致与旋转轴相垂直，也称径流是压缩机。 轴流式——气体在压缩机中的流动方向大致与旋转轴相平行。 斜流式——
气体在压缩机中的流动方向介于离心式和轴流式之间，流动方向与旋转轴成某一夹角。
复合式——指同一台压缩机内，同时具有轴流式与离心（斜流）式工作叶轮。一般轴流在前，离心在后。
气体压缩机械 容积式 透平式
回转式 罗茨式
叶氏式
螺杆式
滑片式
隔膜式
柱塞式
活塞式
往复式 离心式
轴流式
斜流式
复合式
图1—1列出了透平式压缩机械的四种通流形式。
2、按压力分类
透平式压缩机械按出口压力高低可分为通风机、鼓风机和压缩机。
通风机：指大气压在，温度为20℃，出口全压值小于15kPa(表压)的风机。
鼓风机——指升压在15kPa～200kPa(表压)之间压比大于小于3的风机。
压缩机——指升压大于200kPa(表压)或压比大于3的风机。
3、其他分类
（1）按用途分类。根据风机用于某种装置的名称或者在装置中的作用来命名分类。
如高炉鼓风机、催化裂化装置用风机、空气分离压缩机、锅炉引风机、烧结鼓风机等。
(2)按介质种类。如分为氨气压缩机、氢气压缩机、氧气压缩机、天然气压缩机等。
透平机械：透平是外来语Turbine的音译技术名称，可译为涡轮机械，它泛指具有叶片或叶轮的动力机械。如汽轮机、燃气轮机和水轮机（有时也称为蒸汽透平、燃气透平和水利透平）和风能装置中风力透平等。对于具有叶片或叶轮的压缩机械，原则称为透平式压缩机和透平式泵。透平机械中还包括液力透平传动装置，如液力偶合器等。
轴流式压缩机属于透平机械类。有时也将汽轮机、燃气轮机和透平式压缩机统称为热力透平机械。
第二节轴流压缩机的发展概况
在十九世纪，轴流式鼓风机已应用于矿山通风和冶金工业的鼓风。但限于当时的理论研究和工业水平还很落后，这种风机的全压只有10～30mm H2O，效率仅达15～25%。
1853年都纳尔(Tournaire)向法国科学院提出了多级轴流压缩机的概念。1884年英国.帕森斯(Parsons)将多级反动式透平反向旋转，得出了第一台轴流式压缩机，19级，
流量85m3/min，压力·G，转速4000r/min，效率约60%。由于效率低，故轴流式压缩机未能成功地推广应用。
从二十世纪三十年代开始，由于航空事业发展的需要，对航空燃气轮机进行了大量的理论和试验研究，特别是对轴流式压缩机的气体动力学的理论研究和平面叶栅吹风的试验研究，使轴流式压缩机的理论和设计方法不断完善，效率提高到80～85%。从四十年代开始，轴流式压缩机已广泛应用于航空燃气轮机中，迄今仍占有很重要的地位。现代轴流式压缩机的效率可高达89～91%，甚至更高。
瑞士苏尔寿(SULZER)公司是世界上轴流压缩机设计制造技术的先进代表。1932年苏尔寿公司制造了世界上第一台增压锅炉使用的工业轴流压缩机，1945年苏尔寿公司制造了第一台轴流式高炉鼓风机，其流量为1200～1800m3/min，压力为78775～
142179Pa(G)，转速为5200r/min，功率3900kw，由电动机驱动。此后轴流式高炉鼓风机逐渐被采用，多为固定静叶式，有汽轮机驱动，通过改变汽轮机的转速来调节高炉使用工况。这种压缩机的特点是稳定工况区较窄，而且在部分负荷时压缩机的效率比较低。为了改善变工况时压缩机性能，瑞士BBC公司（苏尔寿公司前成员之一）研制了静叶可调机构，并于1960年制造出第一台静叶可调轴流式高炉鼓风机。其优点是在压力不变的情况下，流量范围较宽而且变工况运行时效率降低不多，因而在大型高炉鼓风机中得到了广泛应用。
静叶可调机构的主要问题是解决静叶支撑轴承的可靠性和耐用性。BBC公司采用了特殊的石墨轴承，在200℃的条件下进行了5×106次转动试验，轴承磨损只有18微米。按每小时转动25次计算，轴承寿命可达20万小时，如果每年工作时间按8000小时计算，可使用25年以上，故可认为是足够可靠耐用的。
随着世界各国氧气炼钢的飞跃发展，轴流压缩机在大型空气分离装置中亦获得了广泛应用。六十年代初期，日本日立公司在10000Nm3/h的制氧装置中采用了轴流压缩机，其空气流量为1083Nm3/h，出口压力为(G),功率为6300kw，压缩机为双缸，气缸间设有中间冷却器。近代制氧机装置中的空气压缩机多采用轴流式加离心式的复合式机型，如瑞士苏尔寿公司的等温压缩机ARI型和德国GHH公司的AGR、AKF型。
静叶可调轴流压缩机具有效率高、适于大中流量和工况调节范围宽等特点，除了高炉、空分装置、炼油厂催化裂化装置、大型风源风洞、各种燃气轮机等传统用途外，随着石油、化工等行业的发展而不断扩大新的应用领域，如热压缩装置、液化天然气装置、制药及动力装置等。在能源日益紧缺的今天，世界各国把节能作为一项重要工作来不断开发新技术和新工艺，其中电站增压流化床燃气/蒸汽联合循环发电装置(PFBC——CC)已从试验进入实验阶段，轴流压缩机作为增压锅炉主风机得到推广应用。大型钢铁厂为提高综合热效率，也成功地研制了高炉煤气单燃气燃烧综合循环发电装置(CCPP)其中的煤气压缩机采用了轴流压缩机。另外，以前300～700m3高炉鼓风机多采用效率较低和工况调节范围较窄的离心式鼓风机，由于轴流压缩机效率高、能耗低，以及没有放风损失，没有进口节流调节时压力损失等优点，现已广泛推广应用取代离心式压缩机。
我国的轴流压缩机发展起步较晚，也是从燃气轮机中是压缩机研究开始起步的，到二十世纪六十年代末期第一台试制成功，1970年开始投运。该轴流压缩机为全部静叶固定，效率为85～86%。1979年陕西鼓风机(集团)有限公司从已有五十多年轴流压缩机生产历史、具有世界先进水平的苏尔寿公司引进了轴流压缩机的专利和技术秘密，包括试验研究、气动设计、结构设计、强度计算、产品图纸、工艺文件、工装图纸、质量控制、检验文件、技术标准和设计与工艺等的全新计算机软件，为中国的轴流压缩机设计制造技术的发展揭开了新篇章。通过对苏尔寿轴流压缩机技术消化、吸收、掌握、改
进，到1986年完全实现国产化，设计、制造、加工水平完全符合国际有关通用标准以及用户的技术规范，实现了替代进口的目标并销往国外，先后为冶金、石油及化工、电站、制药和风动试验等行业设计制造了140多台套轴流压缩机产品。目前，陕鼓集团已成为国内唯一独立设计、制造全静叶可调轴流压缩机的企业，其轴流压缩机技术处于国际先进水平，并未我国轴流压缩机的发展和设计应用起到了巨大推动作用。
第三节透平压缩机的主要术语和技术参数
一、表征压缩机性能的主要技术参数
1、介质
压缩机设计时必须明确介质的种类及成分。
2、流量
流量，又称风量，指单位时间内流经压缩机的气体量。通常用容积流量和质量流量表示。
容积流量：指单位时间内流经压缩机的气体容积量。用Q表示，常用单位m3/min。
用户提供容积流量，应注明容积流量所处位置，如进气管道(与大气连接处)，或压缩机进口法兰处，或压缩机排气法兰处，不注明一般按压缩机进口法兰处容积流量考虑。
标准状态容积流量，又称标态流量：指标准状态下（压力为101325N/m2,温度为0℃）的容积流量。用Q N表示，常用单位Nm3/min。
质量流量：指单位时间内流经压缩机的气体质量。用G表示，常用单位为kg/s。如果忽略外泄量，则压缩机进口与出口处质量流量是相等的。
3、压力
气体在单位面积的容器壁上所作用的力叫气体压力，其单位有mmH2O、mmHg、kg/cm2、Pa、bar、MPa等。压力单位换算详见表1—1。
表1—1 压力单位换算表（1MPa =10bar =106Pa ）
动压：单位体积气体流动时所具有的能量，用Pd 表示，Pd =p 2c 2
静压：单位体积气体所具有的势能，垂直作用在壁面上，用Pst 表示。
全压：单位体积气体所具有的总能量。全压等于动压和静压之和，用P 表示，即：P =Pd +Pst 。
表压力：用压力表测量所显示的压力。在压力单位后用“g ”标注。
绝对压力：气体的真实压力，即表压加上当地大气压。在压力单位后用“a ”标注。 进口压力：指压缩机进口法兰处的气体压力。用P j 表示。 出口压力：指压缩机出口法兰处的气体压力。用P c 表示。
压比：指压缩机出口压力和进口压力之比。用“ε”表示。ε=P c P j ?。 4、功率：单位时间所作的功叫功率，常用单位是Kw 。 有效功率：用来提高气体压力所消耗的功率。用N 有表示。
内功率：用于提高气体压力和克服内损失（流动和泄漏）所消耗的功率。用N i 表示。
轴功率：用于提高气体压力和克服内、外损失（机械损失）所消耗的功率，也就是驱动压缩机所需要的功率。用N s 表示。
4、 效率：效率是评价透平压缩机质量的重要指标之一，用η表示。效率
是相对值，为因次量。对透平压缩机来说，它表示气体通过压缩后，气体
所获得的有效功与实际耗功的比值，即：
η=气体获得的有效功
实际耗功
由于气体在压缩过程中要发生各种损失，所以效率总是小于1的。
多变效率：指多变压缩功h pol与实际总耗功h tot之比。用ηpol表示。
绝热效率：指绝热压缩功h ad与实际总耗功h tot之比。用ηad表示。
等温效率：指等温压缩功h is与实际总耗功h tot之比。用ηis表示。
6、转速：
指压缩机转子在单位时间内的转动速度，用n表示，其单位为r/min(转/分)。
7、温度
一般用摄氏温度t（℃）表示，在工程计算中多采用绝对温度T（K）来表示，两者之间的换算关系为：
T(K)=t(℃)+273.15
每台压缩机必须标出其流量、压力、转速、功率等主要性能参数，并注明其进气条件（进气压力、温度、相对湿度）和介质种类。
二、主要术语
1、标准状态：指压力为760mmHg，温度为0℃的干空气。若为湿标态，须注明。
2、湿度：表示大气干湿程度的物理量。
3、绝对湿度：指单位体积空气中所含的水蒸气质量。
4、相对湿度：指空气中实际所含水蒸气密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比值。用φ表示。
5、多变压缩过程：压缩过程与外界有（或无）热交换，过程方程指数为m的压缩过程。1 6、绝热压缩过程：压缩过程与外界没有热交换，过程方程指数为K的压缩过程。 7、等温压缩过程：保持温度不变的压缩过程，过程方程指数等于1. 8、气体常数R：R=8314 （μ是分子量），对每一种气体它是一个常数，单一气体 μ ?。 可以查表，混合气体可以计算。气体常数单位为J kg·k 9、绝热指数K：气体的定压比热与定容比热之比。 10、马赫数M：表征气体可压缩性的无因次数，它表示惯性力与气体弹性力的比值，等于气流速度与当地音速之比值。 11、雷诺数Re：表征粘性流体流动状态的无因次数，等于惯性力与粘性力的比值。 12、几何相似：两台风机流道的所有几何尺寸（包括流道表面粗糙度）对应值之比等于常数。 13、运动相似：两台风机在几何相似的基础上，流道中各对应点处的速度比值相等，个对应点的速度三角形相似。 14、动力相似：在几何相似和运动相似的基础上，两台风机对应点上性质相同的力大小成比例，方向相同。 平衡管道：在压缩机上设有一个高压平衡管道和排空管道，高压平衡管道的作用是将排气侧的高压气体引向进气侧的平衡活塞，用来平衡一部分由于气动而引起的指向进气侧的轴向推力，以减轻止推轴承的负载，增加止推轴承的寿命。排空管道：是将排气侧的密封后的泄漏气体及机壳与叶片承缸之间的泄漏气体排向大气。 第二章轴流压缩机的基本工作原理 本章要介绍轴流压缩机的基本工作原理、压缩过程、压缩功、效率、流量系数，能量头系数、反动度等概念。 第一节全静叶可调轴流压缩机的典型结构与工作过程 一、典型结构（如图2—1） 一台全静叶可调轴流压缩机主要由机壳、转子、叶片承缸、调节缸、进口圈、扩压器、轴承等组成。 图 2—1轴流压缩机的典型结构示意图 1-平衡管道；2-进口圈；3-机壳；4-进口蜗室；5-调节缸；6-叶片承缸； 7-转子；8-扩压器；9-排气蜗室；10-排气管道；11-轴承箱 1、机壳：又称外缸，即为支承内部件（如叶片承缸、调节缸等）之用，又辅助作为进气、排气蜗室。 2、调节缸：又称中缸，通过轴向移动改变静叶角度，从而改变压缩机的工作工况。若为静叶固定型轴流压缩机，则无调节缸。 3、叶片承缸：又称内缸，支承静叶，又作为气体在压缩过程中气流通道。 4、转子：是压缩机的最重要部件，在转子上装有多级动叶。通过转子的高速旋转来提高气体压力。 5、进口圈：又称收敛器，它使气流逐渐均匀和适当加速。 6、扩压器：它将压缩气体中一部分动能进一步有效转化为压力能。 7、轴承：支承压缩机转子用。包含支承轴向（径向）和轴向推力轴承。 二、轴流压缩机的工作过程： 一级动叶与紧跟其后的一级静叶构成轴流压缩机的一个级。这种首尾相接、串联而成的各个级构成轴流压缩机最主要的工作部分，即压缩机的通流部分。轴流压缩机的整个流道由进气管、进气蜗室、进气圈、进口导流叶片、通流部分、扩压器、排气蜗室、排气管组成。其过程是：①气流首先通过进气管进入进气蜗室，气体在进气蜗室中的流动不均匀。②气体由进气蜗室进一步流入进口圈（又称收敛器），气流逐渐均匀轴向流动，并适当加速。③进口圈后是第0级进口导叶（又称进气导流器），气流经过导叶后更加均匀并以一定的速度和方向进入第一级静叶和后面的通流部分。④当气流通过最后 一级动叶和最后一级静叶后进入扩压器。扩压器的作用是将大部分动能进一步转化为压力能，提升压力。⑤从扩压器出来的高压气体进入排气蜗室，改变方向流至排气管处。 ⑥通过与排气法兰连接的管道送入工艺系统供风。 气体流经高速旋转的动叶时，动叶将机械能转变为气体的压力能和动能，从而提高了气体的压力和速度。在能量转变过程中有少部分机械能通过其他损失方式转变为热能，故压缩过程中气体温度会逐渐提高。气体流经静叶时，一方面将部分动能进一步转化为压力能，起到扩压作用，另一方面将气体以一定速度和方向引入下一级动叶，通过一级气体的压力提高了。对于一般固定式轴流压缩机叶栅，其单级压比通常为～。故一台轴流压缩机往往是通过多级的串联工作达到所需要的压力。 轴流式压缩机的命名缘于气体在逐级压缩过程中基本是沿轴向方向流动的。 第二节轴流压缩机的基本研究方法 气流通过级时，从外界获得能量，提高了压力，所以级是轴流压缩机最基本的工作单元，只要掌握了级中的气流特点与增压原理，即可了解其他各级 以至整台压缩机的工作原理了。级中的流动，主要是分析1、2、 3、特征截面，如图2—2所示。即使在这些特征截面上，气流的流 动情况也是很复杂的。例如动叶根部和顶部的圆周速度就大不相 同，各截面的叶型角度也不相同。也就是说，由于所处半径位置的 不同，叶片沿径向各截面的流动情况是各异的。故研究讨论时，先 化整为零，从分析某一截面的流动情况入手，掌握了不同截面的流动后，再化零为整，将各个截面进行叠加，进而了解整个级及整台压缩机中的气流流动情况。因而引入基元级和平面叶栅。 基元级：设想用一个轴线和压缩机轴线重合的圆柱面去割切级的叶片排，得到两排叶片（动、静叶）的切面，这样的动叶环形叶栅和静叶环形叶栅组成了一个基元级。 平面叶栅：假定环形叶栅的半径无限大，即将基元级在平面上展开，而得到平面叶栅，用平面叶栅代替环形叶栅，既方便又基本上符合实际情况。 研究压缩机中气体流动与工作原理可先从基元级着手，进而研究级，最后整个多级压缩机的工作情况。 第三节基元级叶型与叶栅主要几何参数 基元级平面叶栅是由一定数量的相同叶型，相隔一定距离，按照给定的要求排列组成的。要了解气流在叶栅中的流动，必须先对叶型和叶栅有所了解。下面介绍基元级叶型与叶栅的主要几何参数与气流特征角。 一、叶型几何参数（图2—3） 型面——叶型型线所包围的切面。 中线——叶型型线内切圆圆心的连线。 b——弦长，连接中线两端点的长度。 c——叶型最大厚度。 c=c b?——叶型相对厚度。 f——叶型中线最大挠度。 f=f b?——叶型相对挠度。 a——叶型前缘至最大挠度处的距离，相对距 ?。 离a=a b ?。 e——叶型前缘至最大厚度处的距离，相对距离e=e b x1——前缘方向角，叶型前缘点处中线的切线与叶弦所形成的夹角。 x2——后缘方向角，叶型后缘点处中线的切线 与叶弦所形成的夹角。 θ=x1+x2——叶型弯曲角。 r1——叶型前缘小圆半径。 r2——叶型后缘小圆半径。 二、叶栅几何参数（图2—4） 叶栅前额线——各叶型前缘点之连线。 叶栅后缘线——各叶型后缘点之连线。 t——栅距，叶栅中两相邻叶型在圆周方向之距离。 t=t b?——相对栅距。 b t?——叶栅稠度，它反映了叶栅中叶型的稠密程度。 βb——叶型安装角，叶弦与圆周方向之夹角。 β1A——进口安装角，叶型前缘点中线切线与圆周方向之夹角。 β2A——出口安装角，叶型后缘点中线切线与圆周方向之夹角。 θ=β2A?β1A——叶型弯曲角。 三、气流特征角（图2—4） β1——气流进口角，是气流进口相对速度ω1与叶栅前额线之夹角。 β2——气流出口角，是气流出口相对速度ω1与叶栅后额线之夹角。 i=β1A?β1——气流进口冲角。 δ=β2A?β2——气流出口落后角。 ?β=β2?β1——气流转折角。 α——攻角，叶弦与平均速度W m（或C m）之夹角，它是研究弧立叶型的主要气流特 征角。 第四节基元级增压原理 一、气流在基元级中的流动 在基元级中叶栅所构成的通道 是弯曲、扩张、流线形的。如有气 体以亚音速气流流过扩张形通道 时，其速度减小，静压提高。气体 在动叶的转动下获得了动能与压力 能，由动叶进口向出口移动，造成 了后面静叶的进口以轴流 压缩机中动叶栅在前，静叶栅在后，构成一个级。气体先在动叶栅中得到外加能量，一方面加大了气流的动能，同时又增加了气体的压力能，其中动能的一部分在后面的静叶栅中，进一步转化为压力能，于是通过一个压力提高了。 分析基元级中的气流速度的变化。见图2—6，设动叶进口气流C1是轴向的，动叶随转子以圆周速度U运动，则U为牵连速度，那么动叶栅的相对速度为W1，有： C1=W1+U 如气流以相对速度为W1离开动叶栅，动叶栅出口的气流的绝对压力则有： C2=W2+U 即气流以C2速度进入后面的静叶栅，并在静叶栅中转向减速，以C3速度流出，进入 下一级。由于动、静叶栅通道都是扩张形的，f1d>f1d,f3s>f2s,所以有： W2 则P2>P1 ,P3>P2 于是 P 3>P 2>P 1 即基元级中气体压力得到了提高。 二、动叶栅对气体做功 在动叶栅中，外界传给气体的能量h t 可根据伯努利方程和欧拉动量矩方程分析表示如下： h t =∫dp ρ2 1+C 22?C 1 2 2+h r 1?2 h t =C 22?C 122+W 22?W 1 22 式中：h r 1?2——动叶栅中的损失功。 将上两式合并，得出动叶栅中相对运动的伯努利方程式： W 22?W 1 22 =∫dp ρ 21 +h r 1?2 2—1 可见，相对速度减少所转换的能量，等于动叶栅中气体升压的压缩功和克服流动损失功之和。 三、静叶栅中气体压力的提高 在静叶栅中无外功加入，只存在能量转换，其伯努利方程式为： 0=∫dp ρ3 2 +C 32?C 2 22h r 2?3 或 C 32?C 2 22 =∫dp ρ 32 +h r 2?3 2—2 式中：h r 2?3——导流叶栅中的损失功。 可见，速度减小（扩压效果）相应地使气体继续压缩并克服流动损失。 四、基元级中能量分析 基元级中的能量转换为动叶栅与静叶栅中能量转换的总和。将式2—1和2—2相加得： W 12?W 222+C 22?C 322=∫dp ρ21+∫dp ρ32 +h r 1?2+h r 2?3 改写成： W 12?W 222+C 22?C 122+C 12?C 322=∫dp ρ31 +h r 1?3 或 h t = ∫dp ρ 31+ C 32?C 1 22 +h r 1?3 2—3 式中： ∫dp ρ31=∫dp ρ21+∫dp ρ3 2 h r 1?3=h r 1?2+h r 2?3 式2—3充分说明了基元级中能量转换机理，即加入基元级的外功，用于压缩气体以提高气体的压力，克服流动损失，使气体动能发生变化。式2—3即基元级的伯努利方程式。 五、基元级速度三角形 图2—6上示出了气流在动叶栅和静叶栅中的变化规律，为方便起见，常将动叶栅进、出口的速度三角形画在一起，图2—7所示。该图作两点假设：（1）基元级u 1=u 2=u ；（2）气体密度和通流截面变化不大，C 1Z =C 2Z =C Z 。 在导流叶栅中，气流以绝对速度C 2，气流角α2进入，而以绝对速度C 3，气流角α3流出，一般C 3≈C 1，α3≈α1。 第五节 压缩过程、压缩功及效率 压缩过程主要是绝热压缩、等温压缩和多变压缩过程。 绝热压缩是指与外界无热交换，同时又无损失的理想过程。应更确切的叫“绝热等熵压缩过程”。多变指数m=k. 等温压缩过程是指始终与外界有热交换，且压缩终了温度和过程间温度与初态温度相等的压缩过 程。多变指数 m=1。 多变压缩过 程是指过程中 有损失，可与 外界无热交换 或有热交换（如进行中间冷却时）的压缩过程。多变指数m为：和外界有热交换时， 1 图2—8表示了T—S图上的各种压缩过程，图2—9表示了P—υ图上的各种压缩过程，在P—υ图上，各压缩过程线所包含的面积表示了各个过程的压缩功。 不同压缩过程的压缩功表示在T—S图上，见图2—10。 其中：面积2ad1bcd2ad表示绝热压缩功H ad； 面积1bcd1表示等温压缩功H pol； 面积21bcd2表示多变压缩功H pol； 面积21ba2表示流动损失所转换的焓增H r。 H pol比H ad多出了一块小面积212ad2表示绝热压缩功 H ad，用?H r表示，称为热阻损失。热阻损失的物理意义 是：在实际压缩过程中，由于流动损失对气体加热，使得