压缩机

压缩机是制冷循环系统的动力，比喻为制冷装置的“心脏”。借助于这个“心脏”，制冷剂在系统的管道中才能实现往返循环。其作用是压缩制冷剂蒸气。压缩机电动机驱动活塞运动，将吸入蒸发器中的低温低压制冷剂蒸气压缩成高温高压制冷剂蒸气送入到冷凝器中。

中国是一个文明古国，早在三、四千年前，我们的祖先便用兽皮做成“皮老虎”用于压气鼓风从事冶炼技术；公元31年，东汉的杜诗创造了用水力鼓风的设备——排水;一直沿用到现在的木制“风箱”，可以说“风箱”是现代活塞式压缩机的雏形。1757年英国人威尔肯杜（ WilKinson）制造出“金属风箱”有两个气缸，由水轮机驱动。1777年瓦特( watt）进一步设计了由蒸汽驱动的压缩机。1829年到1830年在英国和法国相继提出了多级结构的压缩机。1849年冯·雷逊（VonRathen)在多级压缩机中又采用级间冷却。1834年，医生潘根(PerKing）发明了世界上第一台活塞制冷机，压缩机进入人工制冷领域，当时用的制冷剂是乙醚，40年后第一台工业用的氨压缩制冷机由林德（Lin de)创造出来。1877年宋梅娄(Sommeiler）发明了风钻，开始了用空气作为传递力能的介质，使压缩机应用更加广阔。同年，第一次通过压缩，冷却及膨胀实现了氧的液化。1892年，实现空气的液化，从此为分离空气获得氧、氮及其他稀有气体创造了条件。1911年，第一套合成氨装置投入生产，从此压缩机进入化学领域，并成为化工厂中极其重要的设备。1939年，第一台超高压压缩机问世，其排气压力为1500× 10N /m2用于高压聚乙烯的生产。当气阀及滑动密封技术得到进一步发展后，活塞式压缩机又得到较大的改进，1916年柯勃林(Corblin）发明了膜式压缩机，1934年又采用了具有自润滑性能的石墨作密封元件，实现了气缸不用油润滑，1935年，苏尔寿(Sulzer)公司研制成了利用曲折密封原理的迷宫式密封压缩机，取消了金属密封元件。由于它经适当改制后具有其他方式不可比拟的优越性，因此得到推广，已成为现在实现气缸无油润滑的主要手段。20世纪40年代末到70年代这几十年中随着世界生产力的发展，科学技术及工艺的进步，活塞式压缩机得到很大发展和进步。首先，压缩机的可靠性和耐久性已大大提高，连续运行8000h而中间无修理;第二，由于采用了低的阀隙流速和大的缓冲容积，使压缩机功率消耗进一步降低；第三，在大中型范围内，由于采用了对动式等动力平衡性能好的结构形式，使压缩机转速成倍提高，从而使压缩机的尺寸和重量相对减小，最后，在一定压力范围内，气缸能比较容易地实现无油润滑，使被压缩的气体不再为油所污染。

压缩机工作时，活塞由曲柄连杆结构带动，将旋转运动转变为活塞的往复直线运动，在气缸内周期性地压缩气体。活塞运动随着曲柄的转速而定，转速愈高，活塞的往复次数愈多。反之则愈少。每一个周期的工作均可分为膨胀﹑吸气，压缩、排气4个过程。

叶轮是离心式压缩机中最重要的一个部件，驱动机的机械功即通过此高速回转的叶轮对气体作功而使气体获得能量，它是压缩机中唯一的作功部件，亦称工作轮。叶轮一般是由轮盖、轮盘和叶片组成的闭式叶轮，也有没有轮盖的半开式叶轮。

主轴是起支持旋转零件及传递扭矩作用的。根据其结构形式。有阶梯轴及光轴两种，光轴有形状简单，加工方便的特点。

在多级离心式压缩机中因每级叶轮两侧的气体作用力大小不等，使转子受到一个指向低压端的合力，这个合力即称为轴向力。轴向力对于压缩机的正常运行是有害的，容易引起止推轴承损坏，使转子向一端窜动，导致动件偏移与固定元件之间失去正确的相对位置，情况严重时，转子可能与固定部件碰撞造成事故。平衡盘是利用它两边气体压力差来平衡轴向力的零件。它的一侧压力是末级叶轮盘侧间隙中的压力，另一侧通向大气或进气管，通常平衡盘只平衡一部分轴向力，剩余轴向力由止推轴承承受，在平衡盘的外缘需安装气封，用来防止气体漏出，保持两侧的差压。轴向力的平衡也可以通过叶轮的两面进气和叶轮反向安装来平衡。

由于平衡盘只平衡部分轴向力，其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的止推块，构成力的平衡，推力盘与推力块的接触表面，应做得很光滑，在两者的间隙内要充满合适的润滑油，在正常操作下推力块不致磨损，在离心压缩机起动时，转子会向另一端窜动，为保证转子应有的正常位置，转子需要两面止推定位，其原因是压缩机起动时，各级的气体还未建立，平衡盘二侧的压差还不存在，只要气体流动，转子便会沿着与正常轴向力相反的方向窜动，因此要求转子双面止推，以防止造成事故。

由于离心压缩机具有高速回转、大功率以及运转时难免有一定振动的特点，所用的联轴器既要能够传递大扭矩，又要允许径向及轴向有少许位移，联轴器分齿型联轴器和膜片联轴器，目前常用的都是膜片式联轴器，该联轴器不需要润滑剂，制造容易。

机壳也称气缸，对中低压离心式压缩机一般采用水平中分面机壳，利于装配，上下机壳由定位销定位，即用螺栓连接。对于高压离心式压缩机则采用圆筒形锻钢机壳，以承受高压。这种结构的端盖是用螺栓和筒型机壳连接的。

气体从叶轮流出时，它仍具有较高的流动速度。为了充分利用这部分速度能，以提高气体的压力，在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器。扩压器一般有无叶、叶片、直壁形扩压器等多种形式。

在多级离心式压缩机中级与级之间，气体必须拐弯，就采用弯道，弯道是由机壳和隔板构成的弯环形空间。

在弯道后面连接的通道就是回流器，回流器的作用是使气流按所需的方向均匀地进入下一级，它由隔板和导流叶片组成。导流叶片通常是圆弧的，可以和气缸铸成一体也可以分开制造，然后用螺栓连接在一起。

蜗壳的主要目的，是把扩压器后，或叶轮后流出的气体汇集起来引出机器，蜗壳的截面形状有圆形、犁形、梯形和矩形。

为了减少通过转子与固定元件间的间隙的漏气量，常装有密封。密封分内密封，外密封两种。内密封的作用是防止气体在级间倒流，如轮盖处的轮盖密封，隔板和转子间的隔板密封。外密封是为了减少和杜绝机器内部的气体向外泄露，或外界空气窜入机器内部而设置的，如机器端的密封。离心压缩机中密封种类很多，常用的有以下几种：

迷宫密封目前是离心压缩机用得较为普遍的密封装置，用于压缩机的外密封和内密封。迷宫密封的气体流动，当气体流过梳齿形迷宫密封片的间隙时，气体经历了一个膨胀过程，压力从P1降至右端的P2，这种膨胀过程是逐步完成的，当气体从密封片的间隙进入密封腔时，由于截面积的突然扩大，气流形成很强的旋涡，使得速度几乎完全消失，密封面两侧的气体存在着压差，密封腔内的压力和间隙处的压力一样。按照气体膨胀的规律来看，随着气体压力的下降，速度应该增加，温度应该下降，但是由于气体在狭小缝隙内的流动是属于节流性质的，此时气体由于压降而获得的动能在密封腔中完全损失掉，而转化为无用的热能，这部分热能转过来又加热气体，从而使得瞬间刚刚随着压力降落下去的温度又上升起来，恢复到压力没有降低时的温度，气流经过随后的每一个密封片和空腔就重复一次上面的过程，一直到压力P2为止。由此可见迷宫密封是利用节流原理，当气体每经过一个齿片，压力就有一次下降，经过一定数量的齿片后就有较大的压降，实质上迷宫密封就是给气体的流动以压差阻力，从而减小气体的通过量。常用的迷宫密封用的较多的有以下几种：平滑形、曲折形、曲折形、迷宫密封、台阶形。

浮环密封的原理是靠高压密封在浮环与轴套间形成的膜，产生节流降压，阻止高压侧气体流向低压侧，浮环密封既能在环与轴的间隙中形成油膜，环本身又能自由径向浮动。靠高压侧的环叫高压环，低压侧的环叫低压环，这些环可以自由沿径向浮动，但不能转动，密封油压力通常比工艺气压力高0.5Kg/cm2 左右进入密封室，一路经高压环和轴之间的间隙流向高压侧，在间隙中形成油膜，将高压气封住，另一路则由低压环与轴之间的间隙流出，回到油箱，通常低压环有好几只，从而达到密封的目的。浮环密封用钢制成，端面镀锡青铜，环的内侧浇有巴氏合金，以防轴与油环的短时间的接触，巴氏合金作为耐磨材料。浮环密封可以做到完全不泄露，被广泛地用作压缩机的轴封装置。

机械密封装置有时用于小型压缩机轴封上，压缩机用的机械密封与一般泵用的机械密封的不同点，主要是转速高，线速度大，PV值高，摩擦热大和动平衡要求高等。因此，在结构上一般将弹簧及其加荷装置设计成静止式而且转动零件的几何形状力求对称，传动方式不用销子、链等，以减少不平衡质量所引起的离心力的影响，同时从摩擦件和端面比压来看，尽可能采取双端面部分平衡型，其端面宽度要小，摩擦副材料的摩擦系数低，同时还应加强冷却和润滑，以便迅速导出密封面的摩擦热。

随着流体动压机械密封技术的不断完善和发展，其重要的一种密封型式螺旋槽面气体动压密封即干气密封在石化行业得到了广泛的应用。相对于封油浮环密封干气密封具有较多的优点：运行稳定可靠易操作，辅助系统少，大大降低了操作人员维护的工作量，密封消耗的只是少量的氮气，既节能又环保。螺旋槽面干气密封。它由动环1、静环2、弹簧4、O形环3、5、8，组装套7及轴6组成。图6-7所示为动环表面精加工出螺纹槽而后研磨、抛光的密封面。一般来讲螺旋槽深度约2.5~10μm，密封环表面平行度要求很高，需小于1μm，螺旋槽形状近似对数螺旋线。当动环旋转时将密封用的氮气周向吸入螺旋槽内，由外径朝向中心，径向方向朝着密封堰流动，而密封堰起着阻挡气体流向中心的作用，于是气体被压缩引起压力升高，此气体膜层压力企图推开密封， 形成要求的气膜。此平衡间隙或膜厚h典型值为3μm。这样，被密封气体压力和弹簧力与气体膜层压力配合好，使气膜具有良好的弹性既气膜刚度高，形成稳定的运转并防止密封面相互接触，同时具有良好刚度的氮气膜可有效的阻止被介质的泄漏。干气密封作用力情况正常运转条件下该密封的闭合力(弹簧和气体作用力)等于开启力(气膜作用力)，当受到外力干扰，间隙减小，则气体剪切率增大，螺旋槽开启间隙的效能增加，开启力大于闭合力，恢复到原间隙，若受到外扰间隙增大，则间隙内膜压下降，开启力小于闭合力，密封面合拢恢复到原间隙 。

离心式压缩机有径向轴承和推力轴承。径向轴承为滑动轴承，它的作用是支持转子使之高速运转，止推轴承则承受转子上剩余轴向力，限制转子的轴向窜动，保持转子在气缸中的轴向位置。

径向轴承主要有轴承座、轴承盖、上下两半轴瓦等组成。轴承座：是用来放置轴瓦的，可以与气缸铸在一起，也可以单独铸成后支持在机座上，转子加给轴承的作用力最终都要通过它直接或间接地传给机座和基础。轴承盖：盖在轴瓦上，并与轴瓦保持一定的紧力，以防止轴承跳动，轴承盖用螺栓紧固在轴承座上。轴瓦：用来直接支承轴颈，轴瓦圆表面浇巴氏合金，由于其减摩性好，塑性高，易于浇注和跑合，在离心压缩机中广泛采用。在实际中，为了装卸方便，轴瓦通常是制成上下两半，并用螺栓紧固，目前使用巴氏合金厚度通常在1~2mm。轴瓦在轴承座中的放置有两种：一种是轴瓦固定不动，另一种是活动的，即在轴瓦背面有一个球面，可以在运动中随着主轴挠度的变化自动调节轴瓦的位置，使轴瓦沿整个长度方向受力均匀。润滑油从轴承侧表面的油孔进入轴承，在进入轴承的油路上，安装一个节流孔板，借助于节流孔板直径的改变，就可以调节进入轴承油量的多少，在轴瓦的上半部内有环状油槽，这样使得润滑油能更好地循环，并对轴颈进行冷却。

推力轴承与径向轴承一样，也是分上下两半，中分面有定位销，并用螺栓连接，球面壳体与球面座间用定位套筒，防止相对转动，由于是球面支承或可根据轴挠曲程度而自动调节，推力轴承与推力盘一起作用，安装在轴上的推力盘随着轴转动，把轴传来的推力压在若干块静止的推力块上，在推力块工作面上也浇铸一层巴氏合金，推力块厚度误差小于0.01~0.02mm。

依据工作原理把压缩机分为容积式压缩机和离心式压缩机两大类。容积式压缩机是用机械的方法把有限容积内的气体进行压缩，常见的有往复活塞式，回转转子式，回转滑片式，涡旋式和回转螺杆式等。离心式压缩机是通过涡轮高速旋转，把气体加速到很高的速度后送进涡壳内扩压，把气流速度的动能转为气体压力能的装置。

往复活塞式(曲柄连杆活塞式)是最基本的和广泛使用的压缩机，也是压缩循环热力学分析的基础，为各类压缩机的参照。

斜盘式或摇板活塞压缩机用旋转的斜盘转动带动在圆盘槽内活塞杆的往复运动，比曲柄连杆结构更紧凑，且技术成熟，可靠性好，主要应用于工况恶劣的汽车空调机。

涡旋式压缩机是近年刚发展起来的一种压缩机，它有一个涡旋定子和一个涡旋转子及上下涡旋端板间所组成的月牙形气缸容积。涡旋呈渐开线，涡转子与定子中心相距等于曲轴的旋转半径，曲轴的转动通过十字连接环转化为涡转子在线旋转半径画的圆圈上作平动，由于涡转子与定子的涡线基本相同，两涡线始终有两个啮合线。随曲轴转动啮合线位置的改变，月牙容积也不断从大变小，气体不断地被吸入，压缩和排出。涡旋压缩机由两个啮合线把端扳间的容积分作三室，每一旋转中都进行着吸气，压缩和排气过程。因为这种压缩机无进排气阀，体积紧凑，效率高，市场看好。

涡旋式压缩机工作原理

螺杆式压缩机主要由一对啮合螺杆(有凸半圆断面齿形叫阳转子，有凹半圆断面齿形叫阴转子)和壳体组成。螺杆压缩机由于工作平稳，噪声低，效率高，调节性好，已在中，大型空调中获得广泛应用。螺杆压缩机主要采用水冷冷凝器。

螺杆式压缩机工作原理

滚动转子式压缩机是由圆筒形气缸与偏心的转子的接触线和可滑动叶片组成的气室的容积改变来工作的。

滚动转子式压缩机工作原理

其叶片有单叶和多片，有装在气缸壁上，由弹簧类装置使叶片一端能始终弹性地压接触在转子圆面上；叶片装在转子上，则依靠离心力使滑片一端能始终弹性地压接触在气缸内圆壁上。后者又称旋叶式，这时气缸可以是椭圆形，而转子的直径与椭圆气缸短轴相等。

旋叶滑动叶片式压缩机工作原理

罗茨鼓风机是由一对哑铃形转子啮合运动完成吸气，压缩和排气过程的。

罗茨鼓风机示意图

(a)为多级离心式压缩机轴剖面的示意图，(b)、(c)分别为单级离心式压缩机的轴断面和轴剖面示意图。该类压缩机转速高，流量大，在制冷系统中主要用于制冷量在800 kW以上的场合。多级离心式压缩机是燃气轮机的重要组成配套设备部分，在航空发动机上，压缩机的性能直接影响推重比。

离心式压缩机示意图

按用途分类就是根据被压缩气体的名称或压缩机在工艺过程中的作用对其进行分类。例如，压缩氢气的压缩机称为氢气压缩机，压缩石油气的压缩机称为石油气压缩机，压缩空气的压缩机称为空气压缩机，还有二氧化碳压缩机、乙烯压缩机等。根据压缩机在工艺流程中的作用命名，如循环压缩机、冰机等。

压缩机用途繁多，但归纳起来可分成以下几大类；(1)气体与气体或气体与液体在压力条件下合成相应的新产品，例如氮与氢在压力下合成氨，氨与二氧化碳合成尿素等；(2）某些气体能在压力下聚合成相应的产品，例如聚乙烯、聚丙烯等；(3）气体或混合气体通过压缩、冷却、膨胀而液化，由此可以实现气体液化运输，如液化天然气装船运输等；若要液体蒸发吸收周围的热量，使周围物质降温，便是“制冷”，或将混合气体液化后按各组分不同的蒸发温度逐一分离，例如用氨、丙烯作为工作介质进行制冷；将空气液化后分离出氧、氮等，或将石油、天然气裂解后的原料气分离出各种相应气体等；(4）压缩空气作为推动其他机械或器械的动力，例如，爆破用的钻孔机械、风动工具、车辆制动、门窗启闭等。此外，如军事上用于潜艇沉浮、鱼雷、导弹发射等也都应用压缩空气。

在石油工业中，压力下加氢的各种工艺是新近发展起来的压缩机应用新领域。它需要两种压缩机：新氢供应压缩机和循环氢压缩机。前者是反应过程实际消耗掉的氢；后者是系统中因反应消耗了部分氢而压力降低，需要进行增压后再参与反应过程。因为氢的密度小，要求的压力又高，且常需要作流量调节，因此新氢压缩机应用往复压缩机，也是往复压缩机现在的一个新用户。但是，在那些千万吨级的大型炼油厂中，循环氢则使用离心压缩机。

石油化学工业代表性的产品是乙烯和丙烯。由乙烯聚合而成的低密度聚乙烯与高密度聚乙烯尤如钢、铁一样，其生产量的多少也代表一个国家工业水平。在现代化生产中，乙烯生产规模单个企业已达年产100 x10t，其流程中所用的裂解：气压缩机及乙烯、丙烯冷冻机均应用离心压缩机。其他如甲烷、氢等的压缩使用往复压缩机。气态的乙烯、丙烯除作为低温冷冻剂外，可直接用于制造乙丙橡胶、聚氯乙烯塑料、丙烯腈纤维等。但是，很大部分会制成低密度或高密度聚乙烯颗粒状固体产品，它们都只有高压下才能聚合，尤其是低密度聚乙烯，其聚合压力需320MPa(现在有降为150MPa的趋势)。如此高的压力只能使用往复压缩机，它包括一次机将气体压力提高到20MPa，再由二次机将气体压力从20MPa提高到终压，高密度聚乙烯的聚合压力为20MPa。

传统化工领域主要指合成氨、合成甲醇、合成尿素，生产氢等。这些产品所需原料也可以是石油与天然气，也称为煤化工。氨合成塔的效率约为12%，即在合成塔内仅有一小部分氮、氢合成了氨，故合成塔出来的气体要经冷却，使已合成的氨冷凝而与原料气分离，这就需要用冷冻设备。通常使用以氨为制冷剂的往复压缩机。从合成塔出来的气体在经冷却与分离掉氨后，压力便降至28MPa左右，需要再增压后进入合成塔，这种增压压缩机也用往复式，一般称为循环压缩机。若应用螺杆压缩机与往复压缩机串联运行，低压缩级由螺杆压缩机来完成。在中国螺杆式单机可达 800m'/min；采用喷水内冷却，单级压力比可达e=6 以上，即可抵偿第一、二级气缸与相应的中间冷却器。螺杆不惧怕焦油与粉尘，相反还可起到密封螺杆齿隙的作用。螺杆压缩机还可直接由工业涡轮机驱动，以减少企业电力消耗，并且减少了一、二级气阀因焦油与粉尘阻塞遭至的损坏与维修，以及一、二级气缸的润滑油消耗(通常每吨氨为2kg左右)。

压缩机的发展趋势是轻量化、低耗能、高性能型的压缩机，就耗能来讲，变排量空调压缩机比定排量耗能要低，内控变排量压缩机使用越来越广泛。随着油耗法规的加严，外控变排量压缩机的使用是未来必然发展趋势。

随着三元粘性流场分析设计技术的发展，叶轮的压缩效率越来越高。根据实践经验和查阅这方面的文献资料，得出的结论是对中等流量系数的叶轮，在马赫数适合的情况下，效率最高可以达到96%，也就是说，在叶轮中只有4%的流动损失。当然，这并不是说高效率叶轮开发已经没有多少空间了，例如：大流量系数叶轮的采用，会大大减小压缩机的径向尺寸，降低制造成本；在压缩机气体密度变化较大的情况下，叶轮选型经常遇到的是最后几个叶轮会越来越窄，这时应该选择小流量系数叶轮以适当增加叶轮宽度，为制造工艺创造有利条件。因此说叶轮的开发还有很大空间可做。以下为开发高效率叶轮的几个方向：

1. 叶轮相对宽度特大和特小，或者是流量系数特大和特小。例如在制冷系统的压缩机设计时因为有中间过程加气很大，大流量系数基本级必不可少；在二氧化碳压缩机设计中，因密度变化大，末段体积流量很小，必须选用小流量系数叶轮否则带来效率大幅度降低。
2. 轮廓尺寸合理。一般情况是叶轮的轴向跨距尽可能小，叶轮的轮毂比要较大一些。这些都有利于转子的稳定性。特殊情况下如轴流加离心形式的压缩机，轮毂比可能要更大一些，为了和前面的轴流压缩段匹配；对于高压比小流量的压缩机，为了避免出现气流激振故障，设计时希望叶轮安装处的轴颈尽可能粗一些，也有必要开发一种适合的叶轮。

当前压缩机市场竞争激烈，压缩机制造商们都在设法降低成本。在同样的设计参数下，减少压缩机叶轮数量进而缩短轴向跨距和减少缸体数目，都对产品的技术竞争力有益处。实现上述目的的有效办法是提高单级压比。高压比离心叶轮过去广泛应用于航空领域，单个叶轮压比可以达到7~11。由于其内部流动增加了激波损失，开发高压比条件下的高效率叶轮具有挑战性。石油化工行业气体种类繁多，气体物性和压缩机压比关系很大。由于人们习惯于用能量头替代压比来衡量叶轮对气体做功的能力，所以说对于合成气压缩机的研发方向就是提高单级能量头。这些高能头叶轮基本上都是典型的跨音速叶轮，通道内部流动包涵复杂的激波结构及激波与边界层的相互作用。