化工企业压缩机组实用技能培训讲义(编辑修改稿)

化工企业压缩机组实用技能培训讲义(编辑修改稿)内容摘要：

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；另一部分沿叶轮轴向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 ˙ 21 ˙ 机组安全运行。 一般来说，作用于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，左侧与汽室相通，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 57 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。 ˙ 22 ˙ 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，汽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。 ˙ 23 ˙ 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 ˙ 24 ˙ 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=ioi 排 =Ht G 公斤蒸汽具有的能量表示为 热量： Q=G（ ioi 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 ˙ 25 ˙ 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 ~。 第三节 离心式压缩机、汽轮机运行有关概念 一 临界转速 ˙ 26 ˙ 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。 ˙ 27 ˙ 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 614 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 ˙ 28 ˙ 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”。 ˙ 29 ˙ 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 ˙ 30 ˙ 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。