了解軸流式壓縮機結構、工作原理及優(yōu)劣勢

軸流式壓縮機與離心式壓縮機都屬于速度型壓縮機均稱為透平式壓縮機；速度型壓縮機的含義是指它們的工作原理都是依賴葉片對氣體做功，并先使氣體的流動速度得以極大提高，然后再將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。與離心式壓縮機相比，由于氣體在壓縮機中的流動，不是沿半徑方向，而是沿軸向，所以軸流式壓縮機的最大特點在于：單位面積的氣體通流能力大，在相同加工氣體量的前提條件下，徑向尺寸小，特別適用于要求大流量的場合。另外，軸流式壓縮機還具有結構簡單、運行維護方便等優(yōu)點。但葉片型線復雜，制造工藝要求高，以及穩(wěn)定工況區(qū)較窄、在定轉(zhuǎn)速下流量調(diào)節(jié)范圍小等方面則是明顯不及離心式壓縮機。

某催化裂化主風機為軸流式壓縮機，生產(chǎn)廠家為陜西鼓風機有限公司，采用瑞士蘇爾壽技術，型號為AV56-11，相關技術參數(shù)見下表：

該風機為2000年裝置擴容改造時投用的，與其配套使用的還有煙氣輪機、電動機及增速箱，結構型式為：下進氣\下排氣，兩端支撐，水平剖分結構；AV56-11中AV表示靜葉可調(diào)節(jié)軸流式壓縮機，56表示輪直徑為56cm，11表示有11級。

下圖為AV系列軸流壓縮機的結構示意圖：

1.機殼

軸流壓縮機的機殼設計成水平剖分，由鑄鐵（鋼）澆鑄而成，具有剛性好，不易變形，吸收噪音和減振的特點，進、排氣法蘭垂直向下，中分面用螺栓擰緊，將上下兩半聯(lián)接成一個剛性很強的整體。

機殼分四點支撐在底座上，四個支撐點設置在下機殼兩側(cè)靠近中分面處，是機組的支撐具有良好的穩(wěn)定性。四個支撐點中有兩個為固定點，另外兩個為滑動點，機殼下部沿軸向還設有兩個導向鍵，用于機組運行時受熱膨脹。

對大型機組，滑動支撐點采用擺動式支架支撐，采用特殊材料使熱膨脹量很小，減少機組中心高度的變化。另外，設置中間支撐，提高機組剛度。

2.靜葉承缸

靜葉承缸是壓縮機可調(diào)靜葉片的支撐缸，設計成水平剖分式，中分面用螺栓聯(lián)接成一個內(nèi)空為較小錐度的筒體，與轉(zhuǎn)子一起組成一個通道，該通道的幾何尺寸是經(jīng)氣動設計來確定，是壓縮機結構設計的核心內(nèi)容。和靜葉承缸進氣端相匹配的是進口圈，和其排氣端相匹配的擴壓器，它們分別與機殼，密封套組成進氣端的收斂通道和排氣端的擴印通道，這兩個通道和轉(zhuǎn)子與靜葉承缸組成的通道合在一起，從而組成一個完整的軸流式壓縮機氣流通道。

靜葉承缸的缸體由球墨鑄鐵澆鑄而成，經(jīng)過精密加工。兩端分別支撐在機殼上，靠排氣側(cè)一端為滑動支撐，靠進氣側(cè)一端為固定支撐。

靜葉承缸上裝有各級可轉(zhuǎn)動的導葉和每個導葉各自動靜葉軸承，曲柄，滑塊等。靜葉軸承是一種球墨軸承，具有良好自潤滑作用，其壽命在25年以上，安全可靠。靜葉葉柄上裝有硅樹脂密封環(huán)，防止氣體泄漏和灰塵進入。在承缸的排氣端外圓和機殼支撐處設有填充密封條，防止泄漏。

3.調(diào)節(jié)缸和靜葉調(diào)節(jié)機構

調(diào)節(jié)缸由鋼板焊接而成，水平剖分式，中分面用螺栓聯(lián)接，具有較高的剛性。分四點支撐在機殼內(nèi)部，四個支撐軸承采用的是無潤滑的“Du"金屬制作，一側(cè)的兩個點為半封閉式，允許軸向運動；另一側(cè)的兩個點為開發(fā)式，允許軸向和徑向熱膨脹，在調(diào)節(jié)缸內(nèi)部裝有各級靜葉導向環(huán)。

靜葉調(diào)節(jié)機構由伺服馬達、連接板、調(diào)節(jié)缸和葉片承缸共同組成，其作用在于調(diào)節(jié)壓縮機各級靜葉角度，滿足變工況運行。兩個伺服馬達裝在壓縮機兩側(cè)，通過連接板和調(diào)節(jié)缸相聯(lián)。伺服馬達和動力油站、油管路、一套自動控制儀表等組成調(diào)節(jié)靜葉角度的液壓伺服機構。當動力油站130bar的高壓油作用后，推動伺服馬達活塞動作，由連接板帶動調(diào)節(jié)缸做同步軸向運動，滑塊則通過曲柄帶動靜葉產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)靜葉角度的目的。從氣動設計要求可知，壓縮機每級靜葉角度的調(diào)節(jié)量是不同的，一般從首級到末級調(diào)節(jié)量依次遞減，這一點通過選擇曲柄的長度即可實現(xiàn)，即從首級到末級的長度依次遞增。

調(diào)節(jié)缸由于放在機殼和葉片承缸之間，因此也稱為“中缸"，而機殼和葉片承缸又分別稱為“外缸"和“內(nèi)缸"。這種三層缸結構大大地減少了機組由于熱膨脹而造成的變形以及應力的集中，同時也使調(diào)節(jié)機構避免了灰塵的侵害和由外部原因引起的機械破壞。

4．轉(zhuǎn)子和葉片

轉(zhuǎn)子由主軸、各級動葉、隔葉塊、葉片鎖緊組、蜜蜂片等組成。轉(zhuǎn)子為等內(nèi)徑結構，便于加工。

主軸由高合金鋼鍛造而成。主軸材料的化學成份需經(jīng)嚴格的化驗分析，性能指標通過試塊進行檢驗，粗加工后還要進行熱跑試驗，驗證其熱穩(wěn)定性并消除一部分殘余應力。以上指標合格后，才能投入精加工，精加工完在兩端軸頸處要做著色檢驗或磁粉探傷，不允許出現(xiàn)裂紋。

動葉片和靜葉片由不銹鋼鍛件坯料精加工而成，原材料需進行化學成份、機械性能、非金屬夾渣和裂紋檢驗。葉片拋光后進行濕式噴砂處理，增強表面抗疲勞強度。成型葉片要進行測頻，必要時還要修頻。

各級動葉片沿圓周方向裝在轉(zhuǎn) 的縱樹型葉根槽內(nèi)，兩個葉片之間用隔葉塊定位，每級最后安裝的兩個動葉片之間用鎖緊隔葉塊定位并鎖緊。

在輪 兩端加工有兩個平衡盤，很容易在兩個平面內(nèi)配重進行動平衡。該平衡盤又和密封套一起組成平衡活塞，通過平衡管道發(fā)揮作用，平衡掉一部分氣動產(chǎn)生的軸向力，減輕止推軸承的負荷，使軸承處在更加安全的環(huán)境。

5．密封套

在壓縮機的進氣側(cè)和排氣側(cè)分別設有軸端密封套，與轉(zhuǎn)子相應部位裝嵌的密封片組成迷宮密封，防止氣體外泄內(nèi)滲。為了便于安裝的檢修，通過密封套外圓上的調(diào)整塊來進行調(diào)整。

6．軸承箱

軸承箱內(nèi)設徑向軸承和止推軸承，潤滑軸承的油由軸承箱集油回流到油箱。常常箱底部裝有導向裝置（一體式的時候），和底座配合，使機組對中和沿軸向熱脹。對于分體式軸承箱，在側(cè)面底裝有三個導向鍵，以利箱體受熱膨脹?？繖C殼一側(cè)和機殼相配也裝有一個軸向?qū)蜴I。在軸承箱上設有軸承測溫、轉(zhuǎn)子測振、測軸位移等監(jiān)控裝置。

7．軸承

轉(zhuǎn)子軸向推力大部分由平衡盤承受，剩余20~40kN左右的軸向推力，由止推軸承承受。推力瓦塊可以根據(jù)承載的大小自動調(diào)位，以保證每個瓦塊上的負荷均勻分布，推力瓦塊是由碳鋼澆鑄巴氏合金加工而成。

徑向軸承有兩種。大功率低轉(zhuǎn)速的壓縮機采用橢圓軸承，小功率高轉(zhuǎn)速的壓縮機采用傾瓦軸承。

大型機組為了方便起動一般設有高壓頂升裝置。高壓泵短時內(nèi)產(chǎn)生80MPa的高壓，在徑向軸承的下部設有高壓油池，用來頂起轉(zhuǎn)子，減少起動阻力。起動后，油壓降到5～15MPa。

軸流式壓縮機在設計工況下工作，當運行條件改變時，其工況點就會離開設計點，而進入非設計工況區(qū)域，這時實際的氣流流動情況就與設計工況有差別，而且在一定條件下產(chǎn)生了不穩(wěn)定流動工況。從目前來看，有這樣幾種比較典型的不穩(wěn)定工況：即旋轉(zhuǎn)失速工況、喘振工況及阻塞工況，這三種工況都屬于氣體動力不穩(wěn)定工況。

當軸流式壓縮機在上述這些不穩(wěn)定工況下工作時，不僅會大大惡化工作性能，有時還會發(fā)生強烈的振動，使機器不能止常工作，甚至產(chǎn)生嚴重的破壞事故。

1.軸流式壓縮機的旋轉(zhuǎn)失速

軸流式壓縮機特性曲線靜葉最小角度與最小工作角度線之間的區(qū)域稱旋轉(zhuǎn)失速區(qū)，旋轉(zhuǎn)失速又分為漸進失速和突變失速兩種類型。當風量小于軸流式主風機的旋轉(zhuǎn)失速線限值時，葉片背面氣流產(chǎn)生脫離，機內(nèi)氣流形成脈動流，使葉片產(chǎn)生交變應力而導致疲勞破壞。

為了防止失速，要求操作者熟悉機特性曲線，啟動過程中快速通過失速區(qū)，操作過程中應按制造廠的規(guī)定，使最小靜葉角度不低于規(guī)定值。

2．軸流式壓縮機的喘振

在壓縮機與一定容積的管網(wǎng)聯(lián)合工作時，當壓縮機在高壓縮比、低流量下運行，一旦壓縮機流量小于某一定值，葉片背弧氣流嚴重脫離，直至通道堵塞，氣流強烈脈動，并與出口管網(wǎng)的氣容、氣阻間形成振蕩，此時機、網(wǎng)系統(tǒng)氣流的參數(shù)出現(xiàn)整體大幅波動，即氣量、壓力隨時間火幅度周期性變化；壓縮機的功率以及聲響均周期性變化。上述變化非常劇烈，使機身強烈振動，乃至機器無法維持正常運行。這種現(xiàn)象稱為喘振。

由于喘振是整個機、網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生的現(xiàn)象，因此它不但與壓縮機內(nèi)部流動特性有關，且決定于管網(wǎng)特性，其振幅、頻率受管網(wǎng)容積的支配。

喘振所造成的后果常常是嚴重的，它會使壓縮機轉(zhuǎn)子與靜子元件經(jīng)受交變應力而斷裂，使級間壓力失常引起強烈振動，導致密封及推力軸承的損壞，使轉(zhuǎn)子與靜子相碰，造成嚴重事故。特別是高壓的軸流式壓縮機，發(fā)生喘振可能在短時間內(nèi)即毀壞機器，所以是不允許壓縮機在喘振工況下運行的。

從上面的初步分析中得知，喘振的產(chǎn)生首先是由于變工況時壓縮機葉柵中氣動參數(shù)與幾何參數(shù)不防調(diào)，形成旋轉(zhuǎn)失速所造成。但并不是旋轉(zhuǎn)失速都一定導致喘振的發(fā)生，后者還與管網(wǎng)系統(tǒng)有關，所以說喘振現(xiàn)象的形成包含著兩方面的因素：從內(nèi)部來說，它取決于軸流式壓縮機在一定條件下出現(xiàn)強烈的突變失速；從外部來說，又與管網(wǎng)的容量及特性線有關，前者是內(nèi)因，后者是外界條件，內(nèi)因只有在外界條件的配合下才促使喘振發(fā)生。

3．軸流式壓縮機的阻塞

壓縮機的葉片喉部面積是固定的。當流量增大時由于氣流軸向速度增大，氣流相對速度增大，負沖角(沖角為氣流方向與葉片進口安裝角之間的夾角)也隨之增大。此時，葉柵進口最小截面上平均氣流將達到音速，這樣通過壓縮機的流量就達到一臨界值而不再繼續(xù)增大，這一現(xiàn)象叫阻塞。這種初級葉片的阻塞決定了壓縮機的最大流量。當排氣壓力降低時，壓縮機內(nèi)的氣體將因膨脹體積增加而使流速增加，當氣流在末級葉柵達到音速時也發(fā)生堵塞。由于末級葉片氣流受阻，末級葉片前的氣壓升高，末級葉片后的氣壓降低，造成末級葉片前后的壓差加大，這樣末級葉片前后受力不平衡而產(chǎn)生應力，也可能導致葉片損壞。

一臺軸流式壓縮機當其葉型和葉柵參數(shù)確定后，其阻塞特性也就固定了。軸流式壓縮機不允許在阻塞線以下區(qū)域過久運行。

一般來說，軸流式壓縮機的防阻塞控制無需像防喘振控制那樣嚴格，控制動作不要求很快，也不必設脫扣停車點，至于要不要設置防阻塞控制也由壓縮機本身的要求決定。一些生產(chǎn)廠家因設計時已考慮到了葉片的加強，可以經(jīng)受顫振應力的增大，則可不設防阻塞控制。若廠家設計時未考慮阻塞現(xiàn)象出現(xiàn)時葉片強度需增加，則需設有防阻塞自控設施。

軸流式壓縮機的防阻塞控制方案如下：在壓縮機的出口管路上設一蝶形防阻塞閥，將人口流量和出口壓力這兩個檢測信號同時輸入防阻塞調(diào)節(jié)器。當機出口壓力異常下降，機運行工況點落在反阻塞線下面時，調(diào)節(jié)器的輸出信號送進防阻塞閥使該閥關小，因而風壓增加，流量減小，工況點進入反阻塞線以上，機擺脫阻塞工況。