离心式压缩机专题(三)

离心式压缩机专题（三）

离心式压缩机的叶轮

3 离心式压缩机的转动部件

在第一部分内容里，学习离心式压缩机的主要构成时，我们知道离心式压缩机主要由本体部分和辅助系统构成。

而离心式压缩机的本体主要包括转动部件和静止部件两个部分。通过第三部分内容，将重点对离心式压缩机的主要转动部件进行介绍，包括叶轮、主轴、平衡盘、推力盘和轴套等。

3.1 离心式压缩机的叶轮

叶轮是离心式压缩机中对气体做功的元件，气体流经叶轮时，压力和速度得到提高，实现将离心式压缩机的动能转换为气体的压力能和动能，是非常重要的元件，而且是高速旋转元件，所以对叶轮的设计、材料、制造和装配都有很高的要求。

①提供较大的能量头，能量头指的是单位质量气体经过压缩后所获得的能量，能够提供较大的能量头可以理解为，叶轮在旋转的过程中，能够对单位质量气体提供较多的能量。

②叶轮以及与之相配套的级的效率要高，指的是从设计、材料和制造工艺上要使得每一级叶轮与之相配套构成的级的能量损失要小，从而实现比较高的级效率。

③叶轮形式能使级及整机的性能稳定，后面的内容里将会介绍到，叶轮形式的不同会对流经叶轮的气流状态产生明显不同的影响，从而会对级的性能稳定性及整机性能的稳定性产生明显影响，因此，叶轮的形式要能使级及整机的性能稳定。

④强度和质量符合要求，不仅因为叶轮需要受力和做功，而且对于高速旋转的叶轮，如果强度和质量不符合要求，是比较危险的，因此不仅需要在设计、材料、制造和装配上确保叶轮的强度和质量，而且在压缩机的运行过程中，一定要确保各种工艺参数满足设计要求，避免对叶轮状态产生不良影响。

3.1.1 叶轮的分类

①按照叶轮的结构形式可以分为开式叶轮、半开式叶轮和闭式叶轮；

②按照叶片的弯曲形式可以分为前弯叶片式叶轮、后弯叶片式叶轮和径向叶片式叶轮；

③按照加工工艺可以分为铆接式叶轮、焊接式叶轮和整体式叶轮。

三种不同结构的叶轮

3.1.2 开式叶轮

开式叶轮结构最简单，仅由轮毂和叶片组成。在叶轮上，叶片槽道两个侧面都是敞着的，气体通道是由叶片槽道和与叶轮前后有一定间隙的机壳内壁形成的。这种通道不利于气体流动，气体流动损失比较大，此外，在叶轮和机壳之间引起的摩擦损失也比较大，故这种叶轮的效率比较低，在离心式压缩机中很少采用。目前半开式叶轮和闭式叶轮在离心式压缩机中应用相对比较广泛。

3.1.3 半开式叶轮

半开式叶轮一般指具有轮盘，但是没有轮盖的叶轮。与开式叶轮相比，它具有轮盘，但是同样没有轮盖，叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开，改善了气体通道，减少了流动损失，提高了效率。但是，内漏损失仍然很大。另外，气体会通过叶片顶部从一个槽道流向另一个槽道。因此，这种叶轮的效率仍然不高，比闭式叶轮低。但是这种叶轮允许的线速度比较高，单级压比大，常常成为单级增压机的主要叶轮形式。

3.1.4 闭式叶轮

闭式叶轮由轮盘、叶片和轮盖组成。也就是说，它既有轮盘，也有轮盖。与半开式叶轮相比，闭式叶轮允许的圆周速度相对低，单级压比有一定限制，但是这种叶轮有利于气体流动，轮盖上装有气体密封，减少了内漏损失。叶片槽道间引起的损失也几乎不存在，因此效率比前两种叶轮都高。这种叶轮在制造工艺上，比半开式叶轮和开式叶轮复杂，但是由于这种叶轮对气体流动比较有利，效率也比较高，因此在离心式压缩机中应用比较广泛。

不同叶片弯曲形式的叶轮

3.1.5 前弯叶片式叶轮

前弯叶片式叶轮一般指，叶片弯曲方向与叶轮的旋转方向相同，叶片出口安装角大于90°的叶轮。在相同条件下，前弯叶片式叶轮压缩的流体从叶轮获得的能量大，流道相对短，速度分布相对不均，变化剧烈，出口绝对速度大，损失大，效率低，噪音高。

3.1.6 后弯叶片式叶轮

后弯叶片式叶轮一般指，叶片弯曲方向与叶轮的旋转方向相反，叶片出口安装角小于90°的叶轮。在相同条件下，后弯叶片式叶轮压缩的流体从叶轮获得的能量小，流道相对长，速度分布相对均匀，变化相对平缓，出口绝对速度小，损失小，效率高，噪音低。

3.1.7 径向叶片式叶轮

径向叶片式叶轮一般指，叶片出口方向与叶轮的半径方向一致，叶片出口安装角等于90°的叶轮。一般有两种形式，一种是具有弯曲叶片的径向出口叶片式叶轮，另一种是径向直叶片式叶轮。在相同条件下，径向叶片式叶轮工艺相对简单，其性能介于前弯叶片式叶轮和后弯叶片式叶轮之间。

以上三种不同叶片弯曲形式的叶轮，因特点不同而应用场合各不相同，后弯叶片式叶轮具有效率高，速度分布相对均匀，气流变化相对平缓等特点，因此被广泛对效率要求高的离心式压缩机中。

另外，还有一种叶片弯曲形式，就是三元流空间扭曲叶片，这种弯曲形式的叶片可以改善气体流动性能，使叶轮效率得到较大提高，但是加工相对复杂。随着三元流设计和制造技术的进步，使得三元流空间扭曲叶片在离心式压缩机叶轮中的应用越来越广泛。

不同加工工艺的叶轮

3.1.8 铆接式叶轮

铆接式叶轮是指，采用铆接工艺制造的叶轮。早期受叶轮制造技术水平的限制，许多离心式压缩机的叶轮采用铆接工艺，一些早期的铆接式叶轮可以追溯到20世纪20年代。

随着叶轮制造技术的发展，以及对离心式压缩机性能和要求的不断提高，铆接式叶轮在离心式压缩机中的应用已经越来越少。

3.1.9 焊接式叶轮

焊接式叶轮是指，采用焊接工艺制造的叶轮，主要有两件焊和三件焊两种类型，因其具有强度相对高、可靠性相对好、能制造三元叶轮等优点，使其得到比较广泛的应用。

但是由于叶轮属于离心式压缩机的核心部件，直接对气体做功，且有些叶轮尤其是流道较窄的叶轮焊接难度比较大，以及焊接的热变形和误差等会对叶轮的质量产生影响，使得焊接式叶轮对于焊接技术的要求相对较高。

3.1.10 整体式叶轮

整体式叶轮是指，采用整体制造工艺加工的叶轮，即把原来分体组装的结构改为采用整体制造的方法进行整体加工的结构，这种加工工艺使叶轮的流体力学性能和机械性能得到大幅提高。

整体式叶轮加工技术主要包括整体铣削、精密铸造、电解加工、电火花加工、3D打印等。每一种加工技术各有其优缺点，因材料、尺寸、结构、精度和性能要求等不同，需要采用的加工技术不同。在整体式叶轮加工技术中，整体铣削技术应用相对广泛，但是对于刀具可达性差及材料不易铣削的场合，整体铣削技术也因其特性而受到一定的局限。

离心式压缩机的主轴

3.2 主轴

主轴是离心式压缩机的核心部件，与叶轮、平衡盘、推力盘等轴上部件相连接，主要起支撑旋转零部件及传递扭矩的作用，需要具有一定的刚度和强度，同时对加工工艺和热处理

性能也有一定要求。根据结构形式不同，离心式压缩机的主轴主要可以分为阶梯轴、节鞭轴和光轴。

3.2.8 阶梯轴

阶梯轴是指，轴的直径由中间向两边如阶梯一样递减的轴，其结构特点便于轴上零部件的定位、固定、安装和拆卸，可以满足不同轴段的不同配合特性、精度和表面粗糙度要求。另外，阶梯轴的刚度相对比较合理，但是相邻轴段直径不宜相差过大。

3.2.8 节鞭轴

节鞭轴的特点是，部分表面挖有环状凹形气体流道，其级间一般没有轴套，叶轮一般由轴肩和销钉定位，相比于单纯的阶梯轴，节鞭轴既具有足够的刚度，又能够适当满足气流流道的要求，但是不易于加工。

3.2.8 光轴

光轴的特点是，安装叶轮和组间隔套的部位直径相同，这种主轴结构简单，加工方便，便于实现系列化，但是轴上零部件的轴向定位需要工艺卡环和轴套等。

3.3平衡盘

离心式压缩机工作时，叶轮两侧的气体作用力大小不同，所以压缩机转子会受到朝向低压端的轴向推力的作用。也就是说，在离心式压缩机的工作过程中，由于叶轮两侧存在压力差，会使叶轮受到由高压侧指向低压侧的轴向力作用，而叶轮与转子为一体，因此在离心式压缩机工作过程中，转子会受到由高压侧指向低压侧的轴向推力。

轴向推力对于离心式压缩机的正常运转是不利的，它会使转子向一端窜动，有可能引发摩擦、碰撞及事故，因此需要设法抵消它。而平衡盘可以利用其两侧气体的压差，产生与轴向推力方向相反的作用力，来对轴向推力进行平衡。另外，除平衡盘之外，还有其它的轴向力平衡措施，将在下一讲中进行介绍。

3.4推力盘

为了使离心式压缩机的转子更加平稳的运行，一般通过平衡盘及其它轴向力平衡措施（下一讲进行介绍）只平衡大部分的轴向力，剩余的少部分轴向力由推力盘通过油膜作用在推力轴承上，从而构成力的平衡，使得正常工作的离心式压缩机的转子在轴向不会有大的窜动。

推力盘与推力轴承的推力瓦之间应当留有合适的间隙，以利于油膜的形成。另外，为了保证转子应有的正常位置，防止转子朝正常轴向力相反的方向窜动，一般需要双面止推，也就是通常所说的主推和副推。比如离心式压缩机启动时，由于各级的气体还未建立，当气体开始流动时，转子会受到与正常轴向力方向相反的作用力，使其沿着与正常轴向力相反的方向窜动，这个时候就需要双面止推中的副推起作用，防止转子朝与正常轴向力方向相反的方向窜动。

3.5 轴向力的平衡措施

对于离心式压缩机的轴向力，通过上一讲的学习，我们知道大部分轴向力通过平衡盘及其它轴向力平衡措施进行平衡，然后剩余轴向力由推力轴承承受。其中，对大部分轴向力的平衡，除了上一讲提到的通过平衡盘进行平衡之外，还有以下两种措施：

①叶轮对置排列，此时入口相反的两个叶轮将产生方向相反的轴向力，可以相互平衡部分轴向力。这个措施很容易理解，因为叶轮受到的轴向力由高压侧指向低压侧，而每个叶轮的入口侧就是其自身的低压侧。如此，将叶轮进行对称布置，产生的轴向力方向相反，可以互相抵消部分轴向力，进而实现减小转子所受到的轴向力的目的。

②叶轮背面加筋，当背面加筋的叶轮旋转时，其背面间隙中的气体离心力增加，可以使叶轮背面带筋部分靠近内径处的压力减小，从而使轴向力减小。可以这样理解，在离心式压缩机工作过程中，叶轮受到的轴向力主要来自于高低压侧的压力差，而在叶轮背面（也就是压缩机工作过程中的高压侧）加筋之后，当叶轮旋转时，背面间隙中的高压气体离心力增加，可以使得叶轮背面带筋部分靠近内径处的压力减小，从而减小高低压侧的压力差，实现减小转子所受到的轴向力的目的。

内容小结

通过第三部分内容，离心式压缩机的转动部件：

学习了离心式压缩机的叶轮，知道了叶轮的功能、要求和分类。

学习了几种不同结构的叶轮，知道了开式叶轮、半开式叶轮和闭式叶轮的特点。

学习了几种不同叶片弯曲形式的叶轮，知道了前弯叶片式叶轮、后弯叶片式叶轮、径向叶片式叶轮及三元流叶片叶轮的特点。

学习了几种不同加工工艺的叶轮，知道了铆接式叶轮、焊接式叶轮和整体式叶轮的特点。学习了离心式压缩机的主轴，知道了阶梯轴、节鞭轴和光轴的特点。

学习了离心式压缩机的平衡盘、推力盘及轴向力的平衡措施，知道了轴向力平衡的相关知识。