離心式壓縮機(jī)及汽輪機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)一、離心式壓縮機(jī)工作原理及基本結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)從外觀上首先看到的是機(jī)殼，它又稱氣缸，通常用鑄鐵或鑄鋼澆鑄而成。一臺壓縮機(jī)常常有兩個或兩個以上的氣缸，按壓力高低稱低壓缸、中壓缸、高壓缸。壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)可分兩大部分：(1) 轉(zhuǎn)動部分，它由主軸、葉輪、平衡盤、推力盤及聯(lián)軸用的半聯(lián)軸節(jié)等零部件組成，又稱為轉(zhuǎn)子。(2) 定子部分，是由氣缸、隔板、徑向軸承、推力軸承、軸端密封等零部件組成，常稱為定子。(3) 在壓縮機(jī)理論中常常順著氣體流動線路，將壓縮機(jī)分成若干個級，所謂級就是由一個葉輪和與之相配合的固定元件結(jié)構(gòu)的基本單元。如圖一所示，在壓縮機(jī)中間的級，它包括葉輪、擴(kuò)壓器、彎道和回流器幾個元件。2、壓縮機(jī)的級和段壓縮機(jī)每段進(jìn)口處的級稱為首級，它除了上述的元件外還應(yīng)包括進(jìn)氣室；在壓縮機(jī)的排氣口的級稱為末級，它沒有彎道和回流器，而代之以排氣室。有的壓縮機(jī)甚至連擴(kuò)壓器也沒有，氣體從葉輪出來直接進(jìn)入排氣室。在離心式壓縮機(jī)中，氣體流過一級之后，壓力的提高是有限的，要想壓縮到較高壓力時，就需要通過若干個級來完成，幾個級可以裝在一個缸內(nèi)。一個缸最多能裝10級左右，更多的級需要采用多缸。氣體經(jīng)壓縮后溫度就要升高，當(dāng)要求壓力比較高時，常將氣體壓縮到一定壓力時就從缸內(nèi)引出，在冷卻器內(nèi)降溫，然后再進(jìn)入下級繼續(xù)壓縮。根據(jù)冷卻次數(shù)的多少，可將壓縮機(jī)分為幾個段。一個段可以是一個級也可以是幾個級。一缸可分為一個段或多段。    3、軸向推力及其平衡在多級離心壓縮機(jī)中，由于每級葉輪兩側(cè)氣體作用在其上的力大小不同，因此，使轉(zhuǎn)子受到一個指向低壓端的合力，這個合力稱為軸向力。平衡盤是用自身兩側(cè)的壓力差來平衡軸向力的零件。它位于壓縮機(jī)的高壓側(cè)，用來平衡大部分軸向力的，剩下的軸向力作用于止推軸承上。有的壓縮機(jī)葉輪采用背靠背的方法排列來平衡軸向力。聯(lián)軸節(jié)又叫靠背輪，它是汽輪機(jī)（或驅(qū)動電機(jī)）和壓縮機(jī)以及壓縮機(jī)高低壓缸間的連接件，現(xiàn)在通常采用撓性聯(lián)軸節(jié)。它允許較大的平行不對中、角度不對中和綜合不對中。4、定子包括機(jī)殼和殼內(nèi)的固定元件，機(jī)殼有水平分和垂直剖分兩種型式。水平剖分便于拆裝機(jī)制造，但密封面大，且強(qiáng)度差；對于壓力較高的情況，采用垂直剖分形式，殼體實(shí)際上是兩缸，內(nèi)缸仍是水平剖分，轉(zhuǎn)子及固定元件都裝在內(nèi)缸中，然后再裝入外缸，外缸為整個圓筒，在一端或兩端有端蓋，打開后即可把內(nèi)缸拉出。機(jī)殼內(nèi)有各種隔板，在機(jī)殼和隔板之間，隔板與隔板子之間構(gòu)成了吸氣室、擴(kuò)壓器、彎道和回流器等固定元件。
5、通流部分各主要部件的作用氣體在壓縮機(jī)中流經(jīng)的主要通道部件是進(jìn)氣室、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器和蝸殼。這些部件我們稱之為通流部件。下面分述這些部件的作用。(1) 進(jìn)氣室：這是將進(jìn)氣室或中間冷卻器的氣體均勻地吸入葉輪去進(jìn)行增壓的通道,因此在壓縮機(jī)中每一段進(jìn)口都設(shè)置進(jìn)氣室。(2) 葉輪：葉輪也稱為工作輪，它是壓縮機(jī)的心臟部件，氣體在葉輪葉片的作用下，跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，氣體由于受到旋轉(zhuǎn)離心力的作用以及在葉輪里的擴(kuò)壓流動，使氣體壓力得到提高，速度也得到提高。所以葉輪是氣體提高能量的關(guān)鍵部件。    (3) 擴(kuò)壓器：氣體被從葉輪甩出后，就有較高的流動速度，在葉輪出口后設(shè)置流道截面逐漸擴(kuò)大的部件稱為擴(kuò)壓器。其目的是進(jìn)一步將氣體的流動速度轉(zhuǎn)化為壓力。(4) 彎道：為了把擴(kuò)壓器后的氣體引入到下一級葉輪的進(jìn)口，就必須改變氣體流動的方向，使其由離心方向的流動改為向心方向的流動，所以在擴(kuò)壓器的后面設(shè)置了彎道與其相連接。(5) 回流器：其作用是將彎道來的氣體均勻的分布到下一級葉輪的進(jìn)口。(6) 蝸殼：蝸殼的主要目的是把擴(kuò)壓器或葉輪后面的氣體匯集起來，引到壓縮機(jī)外面去，流向氣體送管道或氣體冷卻器，此外在匯集氣體的過程中，一般由于蝸殼外徑的逐漸增大通流截面也漸漸擴(kuò)大，因此也起到一定的降速增壓作用。6、工作原理離心式壓縮機(jī)的工作原理與輸送液體的離心泵相似。當(dāng)驅(qū)動機(jī)（如汽輪機(jī)、電動機(jī)等）帶動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，葉輪流道中的氣體受葉輪作用隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，氣體被甩到葉輪外的擴(kuò)壓器中去。因而在葉輪中形成了稀薄地帶，入口氣體從而進(jìn)入葉輪填補(bǔ)這一地帶。由于葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體就被不斷地甩出，入口氣體就不斷地進(jìn)入葉輪，沿徑向流動離開葉輪的氣體不但壓力有所增加，還提高了速度，這部分速度就在后接元件擴(kuò)壓器中轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫�，然后通過彎道導(dǎo)入下級。導(dǎo)流器再把從彎道來的氣體按一定方向均勻的導(dǎo)入下級葉輪繼續(xù)壓縮。7、離心式壓縮機(jī)的功耗及效率(1) 概述：壓縮機(jī)氣體需要消耗的能，大型離心壓縮機(jī)由原動機(jī)（如汽輪機(jī).燃動機(jī)等）驅(qū)動，原動機(jī)軸端所傳遞的功率包括壓縮機(jī)軸承、齒輪箱及聯(lián)軸節(jié)等傳動部分的機(jī)械損失以及壓縮機(jī)內(nèi)功率。內(nèi)功率指的是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子對氣體所消耗的功率。    壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是通過葉輪向氣體傳遞能量的。葉輪除對氣體作功外，葉輪的輪盤、輪蓋的外側(cè)面及輪緣與周圍氣體的摩擦所產(chǎn)生的輪阻損失、葉輪出口高壓氣體漏回到葉輪低壓端的漏氣損失也都要消耗功。對整個壓縮機(jī)來說，葉輪對氣體作功轉(zhuǎn)換成下列三個部分：a、提高氣體的靜壓能（壓縮功），使氣體從進(jìn)口壓力提高到出口壓力。b、提高氣體的動能。在一般情況下，動能的提高不大，常常可以忽略不計(jì)。c、克服氣流在級中的流動損失。這部分流動損失，是指氣流在葉輪內(nèi)和級的固定元件（如吸氣室、擴(kuò)壓器、彎道、回流器、蝸殼等）內(nèi)的流動損失�？傊�，壓縮機(jī)級的中功耗有五部分組成，即靜壓能提高、動能的變化、流動的損失、輪阻損失和漏氣損失組成的，只有靜壓能的提高對氣體的升壓是有用的。(2) 氣體的壓縮過程靜壓能的提高與氣體的壓縮過程有關(guān)。熱力學(xué)把氣體的壓縮過程分為：等溫壓縮過程、絕熱壓縮過程、多變壓縮過程。壓縮機(jī)中氣體的實(shí)際壓縮過程是多變壓縮程，但可忽略與外界的熱交換�，F(xiàn)分析各壓縮過程中的靜壓能提高（壓縮功）。設(shè)壓縮機(jī)進(jìn)出口參數(shù)分別為P1、V1、T1和P2、V2、T2，壓縮氣體的所需能量的單位Kg.m/Kg表示，它表示壓縮1kg氣體所需的能量。A、 等溫壓縮  T=Const （恒定） 等溫壓縮功為 His=RT1Ln(P2/P1)     (Kg.m/Kg)B、 絕熱壓縮氣體在壓縮過程中與外界無熱交換且無氣體流動失和摩擦損失。絕熱壓縮后氣體溫度    T2/T1=(P2/P1)(k-1)/k絕熱壓縮功為：Had=K/(K-1)RT1((P2/P1)(k-1)/k-1)     (Kg.m/Kg)C、 多變壓縮過程：過程存在流動損失和磨擦損失，外界可以有熱交換或者無熱交換。多邊變過程氣體溫度計(jì)算式為：T2/T1=(P2/P1)(M-1)/M多變壓縮功為：M/(M-1)RT1((T2/T1)-1)   (Kg.m/Kg)以上式中R為氣體常數(shù)，被壓縮氣體組份越輕則R越大。多變過程和理論絕熱過程的公式具有同樣形式，只是絕熱指數(shù)K代以多變指數(shù)m。多變指數(shù)和絕熱指數(shù)不同，它不僅和氣體的種類而變化，而且與設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)系。對于離心式壓縮機(jī)來說，多變指數(shù)m大于絕熱指數(shù)K。機(jī)器設(shè)計(jì)和控制的愈合理，則m愈接近K值。(3) 壓縮機(jī)過程分析討論A、 三種典型壓縮過程，如氣體溫度和壓比相同，則等溫壓縮過程需要的壓縮功最小，排氣溫度最低,等于進(jìn)氣溫度。這是一種理想情況，實(shí)際上只能接近而不能達(dá)到。多變壓縮過程需要的能量頭最大，所以多級壓縮機(jī)常做成多段，增加段間冷卻器從而使壓縮過程向等溫壓縮過程靠近，對于具有中間冷卻器的壓縮機(jī)常用等溫效率來衡量機(jī)器的完善程度。B、 同質(zhì)量流量的同種氣體來說，如初溫度相同，當(dāng)壓縮比相同，其功耗也相同。例如把氣體從10個大氣壓壓縮到100個大氣壓，與從1個大氣壓壓縮到10個大氣壓所需要的功耗相同。C、 氣體所需的壓縮功與氣體的性質(zhì)有關(guān)，對輕氣體，因?yàn)闅怏wR大，所以在相同壓力下需要的壓縮功就比壓縮重氣體大（從壓縮表達(dá)式可以看出），但由于同一壓縮機(jī)及壓縮同一體積流量的不同氣體，所提供的葉片功是相同的，也即H葉片與氣體性質(zhì)無關(guān)，所以在同一壓力比要求下，壓縮輕氣體需要的級數(shù)比重氣體多。    D、 多變過程是具有損失的過程，多變指數(shù)m反映多變壓縮過程所需功的大小。損失使氣體得到附加熱量，采用中間冷卻器，目的是為了向等溫壓縮過程靠近。各個不同壓縮過程在P-V圖和T-S圖上的表示如下圖2—圖3所示。各個過程的壓縮功就是各壓縮過程線縱坐標(biāo)及P=P1、 P=P2兩條等壓線所包括的面積。
(4) 壓縮機(jī)的效率壓縮機(jī)或級的效率主要是用來說明傳給氣體的機(jī)械能的利用程度。由于有三種壓縮過程，則相應(yīng)的把壓縮機(jī)效率分為多變效率ηpol、絕熱效率ηad和等溫效率ηis。多變效率指由壓力P1增加到P2所需要的多變壓縮功與實(shí)際消耗的功之比。目前離心式壓縮機(jī)的多變效率為0.7～0.84左右。絕熱效率指由壓力P1增加到P2時絕熱壓縮功與實(shí)際所需消耗的功之比。等溫效率指由壓力P1增加到P2時等溫壓縮功與實(shí)際所需消耗的功之比。實(shí)際的壓縮機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)沒有損失的絕熱壓縮過程，但它可以作為比較標(biāo)準(zhǔn)。由于多變壓縮功>絕熱壓縮功>等溫壓縮功，故有ηpol＜ηad＜ηis，故要注意機(jī)器效率使用哪一種表示方法。二、汽輪機(jī)基本原理、結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)是用蒸汽來作功的旋轉(zhuǎn)式原動機(jī)。來自鍋爐或熱網(wǎng)的蒸汽，經(jīng)脫扣節(jié)流閥或事故切斷閥、調(diào)速閥進(jìn)入汽輪機(jī)，依次高速流經(jīng)一系列環(huán)形配置的噴嘴(或靜葉柵)和動葉柵而膨脹作功推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將蒸汽的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功。這便是汽輪機(jī)簡單的工作原理。汽輪機(jī)可按工作原理分為：沖動式、反動式、沖動式與反動式的組合式汽輪機(jī)。    首先，我們對這幾類汽輪機(jī)的工作原理作一下介紹。1.汽輪機(jī)的工作原理(1) 沖動式汽輪機(jī)沖動式汽輪機(jī)的最簡單的結(jié)構(gòu)如圖4所示。葉輪上裝配一圈動葉片與噴嘴配合在一起，構(gòu)成一個做功的簡單機(jī)械。我們把由噴嘴和與其配合的動葉片構(gòu)成的汽輪機(jī)作功的單元稱級。