了解軸流式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)劣勢

軸流式壓縮機(jī)與離心式壓縮機(jī)都屬于速度型壓縮機(jī)均稱為透平式壓縮機(jī)；速度型壓縮機(jī)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(jī)相比，由于氣體在壓縮機(jī)中的流動，不是沿半徑方向，而是沿軸向，所以軸流式壓縮機(jī)的最大特點(diǎn)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(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但葉片型線復(fù)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(jī)。

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

該風(fēng)機(jī)為2000年裝置擴(kuò)容改造時投用的，與其配套使用的還有煙氣輪機(jī)、電動機(jī)及增速箱，結(jié)構(gòu)型式為：下進(jìn)氣\下排氣，兩端支撐，水平剖分結(jié)構(gòu)；AV56-11中AV表示靜葉可調(diào)節(jié)軸流式壓縮機(jī)，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(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖：

1.機(jī)殼

軸流壓縮機(jī)的機(jī)殼設(shè)計(jì)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(diǎn)，進(jìn)、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(qiáng)的整體。

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

對大型機(jī)組，滑動支撐點(diǎn)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(jī)組中心高度的變化。另外，設(shè)置中間支撐，提高機(jī)組剛度。

2.靜葉承缸

靜葉承缸是壓縮機(jī)可調(diào)靜葉片的支撐缸，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)來確定，是壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。和靜葉承缸進(jìn)氣端相匹配的是進(jìn)口圈，和其排氣端相匹配的擴(kuò)壓器，它們分別與機(jī)殼，密封套組成進(jìn)氣端的收斂通道和排氣端的擴(kuò)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(jī)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(jī)殼上，靠排氣側(cè)一端為滑動支撐，靠進(jìn)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(dǎo)葉和每個導(dǎo)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(jìn)入。在承缸的排氣端外圓和機(jī)殼支撐處設(shè)有填充密封條，防止泄漏。

3.調(diào)節(jié)缸和靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

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(diǎn)支撐在機(jī)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(diǎn)為半封閉式，允許軸向運(yùn)動；另一側(cè)的兩個點(diǎn)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(dǎo)向環(huán)。

靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由伺服馬達(dá)、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(jī)各級靜葉角度，滿足變工況運(yùn)行。兩個伺服馬達(dá)裝在壓縮機(jī)兩側(cè)，通過連接板和調(diào)節(jié)缸相聯(lián)。伺服馬達(dá)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(jī)構(gòu)。當(dāng)動力油站130bar的高壓油作用后，推動伺服馬達(dá)活塞動作，由連接板帶動調(diào)節(jié)缸做同步軸向運(yùn)動，滑塊則通過曲柄帶動靜葉產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)靜葉角度的目的。從氣動設(shè)計(jì)要求可知，壓縮機(jī)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(diǎn)通過選擇曲柄的長度即可實(shí)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(jī)殼和葉片承缸之間，因此也稱為“中缸"，而機(jī)殼和葉片承缸又分別稱為“外缸"和“內(nèi)缸"。這種三層缸結(jié)構(gòu)大大地減少了機(jī)組由于熱膨脹而造成的變形以及應(yīng)力的集中，同時也使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)避免了灰塵的侵害和由外部原因引起的機(jī)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(jié)構(gòu)，便于加工。

主軸由高合金鋼鍛造而成。主軸材料的化學(xué)成份需經(jīng)嚴(yán)格的化驗(yàn)分析，性能指標(biāo)通過試塊進(jìn)行檢驗(yàn)，粗加工后還要進(jìn)行熱跑試驗(yàn)，驗(yàn)證其熱穩(wěn)定性并消除一部分殘余應(yīng)力。以上指標(biāo)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(yàn)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(jìn)行化學(xué)成份、機(jī)械性能、非金屬夾渣和裂紋檢驗(yàn)。葉片拋光后進(jìn)行濕式噴砂處理，增強(qiáng)表面抗疲勞強(qiáng)度。成型葉片要進(jìn)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(jìn)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(fù)荷，使軸承處在更加安全的環(huán)境。

5．密封套

在壓縮機(jī)的進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)分別設(shè)有軸端密封套，與轉(zhuǎn)子相應(yīng)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(jìn)行調(diào)整。

6．軸承箱

軸承箱內(nèi)設(shè)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(dǎo)向裝置（一體式的時候），和底座配合，使機(jī)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(dǎo)向鍵，以利箱體受熱膨脹?？繖C(jī)殼一側(cè)和機(jī)殼相配也裝有一個軸向?qū)蜴I。在軸承箱上設(shè)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(fù)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(jī)采用橢圓軸承，小功率高轉(zhuǎn)速的壓縮機(jī)采用傾瓦軸承。

大型機(jī)組為了方便起動一般設(shè)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(shè)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(jī)在設(shè)計(jì)工況下工作，當(dāng)運(yùn)行條件改變時，其工況點(diǎn)就會離開設(shè)計(jì)點(diǎn)，而進(jìn)入非設(shè)計(jì)工況區(qū)域，這時實(shí)際的氣流流動情況就與設(shè)計(jì)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(dāng)軸流式壓縮機(jī)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(qiáng)烈的振動，使機(jī)器不能止常工作，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞事故。

1.軸流式壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速

軸流式壓縮機(jī)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(jìn)失速和突變失速兩種類型。當(dāng)風(fēng)量小于軸流式主風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速線限值時，葉片背面氣流產(chǎn)生脫離，機(jī)內(nèi)氣流形成脈動流，使葉片產(chǎn)生交變應(yīng)力而導(dǎo)致疲勞破壞。

為了防止失速，要求操作者熟悉機(jī)特性曲線，啟動過程中快速通過失速區(qū)，操作過程中應(yīng)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(jī)的喘振

在壓縮機(jī)與一定容積的管網(wǎng)聯(lián)合工作時，當(dāng)壓縮機(jī)在高壓縮比、低流量下運(yùn)行，一旦壓縮機(jī)流量小于某一定值，葉片背弧氣流嚴(yán)重脫離，直至通道堵塞，氣流強(qiáng)烈脈動，并與出口管網(wǎng)的氣容、氣阻間形成振蕩，此時機(jī)、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(jī)的功率以及聲響均周期性變化。上述變化非常劇烈，使機(jī)身強(qiáng)烈振動，乃至機(jī)器無法維持正常運(yùn)行。這種現(xiàn)象稱為喘振。

由于喘振是整個機(jī)、網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生的現(xiàn)象，因此它不但與壓縮機(jī)內(nèi)部流動特性有關(guān)，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(yán)重的，它會使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子元件經(jīng)受交變應(yīng)力而斷裂，使級間壓力失常引起強(qiáng)烈振動，導(dǎo)致密封及推力軸承的損壞，使轉(zhuǎn)子與靜子相碰，造成嚴(yán)重事故。特別是高壓的軸流式壓縮機(jī)，發(fā)生喘振可能在短時間內(nèi)即毀壞機(jī)器，所以是不允許壓縮機(jī)在喘振工況下運(yùn)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(jī)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(dǎo)致喘振的發(fā)生，后者還與管網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān)，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(jī)在一定條件下出現(xiàn)強(qiáng)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(guān)，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(jī)的阻塞

壓縮機(jī)的葉片喉部面積是固定的。當(dāng)流量增大時由于氣流軸向速度增大，氣流相對速度增大，負(fù)沖角(沖角為氣流方向與葉片進(jìn)口安裝角之間的夾角)也隨之增大。此時，葉柵進(jìn)口最小截面上平均氣流將達(dá)到音速，這樣通過壓縮機(jī)的流量就達(dá)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(jī)的最大流量。當(dāng)排氣壓力降低時，壓縮機(jī)內(nèi)的氣體將因膨脹體積增加而使流速增加，當(dāng)氣流在末級葉柵達(dá)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(yīng)力，也可能導(dǎo)致葉片損壞。

一臺軸流式壓縮機(jī)當(dāng)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(jī)不允許在阻塞線以下區(qū)域過久運(yùn)行。

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

軸流式壓縮機(jī)的防阻塞控制方案如下：在壓縮機(jī)的出口管路上設(shè)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(dāng)機(jī)出口壓力異常下降，機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)落在反阻塞線下面時，調(diào)節(jié)器的輸出信號送進(jìn)防阻塞閥使該閥關(guān)小，因而風(fēng)壓增加，流量減小，工況點(diǎn)進(jìn)入反阻塞線以上，機(jī)擺脫阻塞工況。