第1章概述 风机和压缩机是用于输送气体的机械，广泛应用于国民经济的各个部门，尤其在矿山、冶金、石油、化工、航空航天、航海、能源和车辆工程等领域； 从能量转换的观点来看，它们又都是把原动机的机械能转换为气体的动能和压力能的机械。为了便于学习和了解风机和压缩机，本章先介绍一些基本知识。 1.1风机和压缩机的分类和应用 1.1.1风机和压缩机的分类 1. 按工作原理分类 风机和压缩机按工作原理可分为3类： (1) 容积式，包括活塞式(图1.1)和回转式，后者又可分为滑片式(图1.2)、罗茨式(图1.3)和螺杆式(图1.4)等； (2) 叶片式，又称透平式，包括离心式(图1.5)、混流式(图1.6)、轴流式(图1.7)和横流式(图1.8)； (3) 喷射式(图1.9)。 活塞式或往复式风机通常由两部分组成，一部分是直接和气体进行能量交换的工作端，另一部分是和其他机械进行动力传递的传动端。工作端主要包括缸体、活塞(或柱塞)、吸入阀和排出阀。 图1.1活塞式 现以工作过程的示功图(图1.1(a))来说明往复式风机的工作原理。示功图的横轴为缸体的容积，纵轴为缸体内气体的压强。当用作气体输送机械时，缸体内的压强沿ABCD线按逆时针方向变化。在活塞向右方移动的瞬间，缸体内的压强降到A点，这时吸入阀开启，排出阀关闭，随着活塞向右移动，低压气体被吸入缸体，这期间缸体内的气体压强保持不变，吸入过程至活塞移动到缸体容积最大的下死点B为止。随后排出过程开始。在活塞向左移动的瞬间，缸体内的压强从B点上升到C点，吸入阀关闭，排出阀开启，活塞继续向左移动并排出高压气体，至活塞到达缸体容积最小的上死点D为止。活塞往复一次完成一个工作循环。图1.1(b)是单缸往复式风机的示意图。 在回转式风机中，转子和壳体之间(或两个转子之间)形成封闭气体的工作腔，当转子转动时，工作腔的容积发生变化以达到和气体交换能量的目的。回转式机械的工作原理和往复式机械相同，但回转式风机不再设置吸入阀和排出阀，而代之以和叶片式风机相似的吸入口和排出口。 在回转式风机圆筒状的转子上开有沟槽，槽内装有可以自由滑动的叶片，称作滑片，转子中心偏离壳体中心。如图1.2所示，当转子转动时，滑片在离心力的作用下向外滑出紧压在壳体内壁上，同时滑片和壳体围成的工作 图1.2滑片式 腔容积沿周向变化。调节转子的偏心量可以改变流量。用于气体时，为了提高滑片和壳体之间的密封效果并加强润滑，有时可以采取喷油的措施。喷油对压缩机可以起到冷却气体、减少能耗的作用。 图1.3(a)所示为一台双叶回转式风机的示意图。两个转子由一对同步齿轮驱动作反向旋转，在转动过程中，转子表面和壳体内壁围成的工作腔容积周期性地变化。转子之间保持很小的间隙以免互相接触，因而不需要润滑，寿命长。由于间隙对泄漏效率有影响，所以该种机械不宜用于高压流体，多用来输送气体，又名罗茨式。转子型线有由外摆线和内摆线组合而成的组合摆线、基圆半径等于转子节圆半径的1/2的渐开线以及包络线等。此外，还有图1.3(b)所示的单叶回转式、图1.3(c)所示的三叶回转式以及更多叶的回转式等。 图1.3罗茨式 图1.4所示为三螺杆式风机，是由瑞典IMO公司发明的。该风机的转子由一根主动螺杆和两根从动螺杆组成。从理论上讲，采用摆线和次摆线的组 图1.4螺杆式 合型线作为齿形的双头螺纹，主、从动螺杆间的啮合线能将螺旋槽严密地切断，从而形成完全封闭的工作腔。为了保持运行平稳，在设计从动螺杆的齿形时，还应使作用在螺旋表面上的气体压强对从动螺杆形成一很小的力矩，用以克服摩擦，保证从动螺杆自行转动，避免和主动螺杆之间有动力传递。三螺杆式机械的摩擦损失小，使用转速高。 在叶片式风机中，离心式风机和压缩机是应用最广泛的一种。在图1.5所示的离心式风机中，气体在几乎与转动轴线垂直的流面上流过叶轮。由于这种形式的风机主要是利用转动离心力来产生压强升，而一般说来，该部分压强升总是远大于相对速度改变产生的压强升，故适用于高压升的情况。不过，该种风机的使用流量相对较小，因为如果叶片的轴向宽度过大将会导致效率下降。因此，离心式风机通常用于高压强升和小流量的情况。 目前，混流式风机的应用也日益广泛。图1.6所示为混流式风机的剖面图，它主要由叶轮、扩压器和蜗壳等部分组成。混流式风机的叶轮轮毂和主体风筒的形状为圆锥形。一般，气体沿轴向进入叶轮，而气体在叶轮中的流动方向则与轴线成某一角度，气体的流动具有强烈的三维特征。混流式风机兼有离心式和轴流式风机的特点，其压力系数高于轴流式风机，而流量系数则比离心式风机高。 图1.5离心式 如图1.7所示，轴流式通风机由轮毂1、叶片2、轴3、外壳4、集流器5、整流罩6、导叶7、扩散器8等部分组成。根据所需要的压强，按动叶轮数目又分为单级(图1.7(a))和多级式(图1.7(b))。多级轴流通风机上还有后级叶轮和后导叶。在轴流式通风机中，流体质点基本上沿着以转动轴线为中心的圆柱面或圆锥面流动。在同一流面上，叶轮进口和出口处的圆周速度基本相同，其压强升主要是由扩压而产生，因此，轴流式通风机的压强升比离心式低。由于轴流式通风机叶片根部的圆 图1.6混流式 周速度较小，不可能产生很大的压强升，这也限制了其单级压强升的提高，因为尽管叶片端部可以产生较高的压强升，但如果叶片端部和根部之间的压强升差别过大，在根部会发生回流而影响性能。另外，当流量变化时，叶片端部和根部的过流情况也随之改变，因而轴流式通风机的最高效率也比离心式低。但是，由于轴流式通风机叶轮的进口断面面积较相同外径的离心式叶轮为大，所以过流能力较大。由此可知，轴流式通风机一般用在低压强升大流量的场合。 图1.7轴流式 图1.8所示为横流式风机的工作原理示意图，过流部分由叶轮、蜗壳和隔舌组成，叶片采用不扭曲的二元前弯叶片。当不带壳体的叶轮在流体中开始转动时，由于离心力的作用，叶轮内的气体被向外排出，在叶轮中心部分形成低压区。低压达到一定程度后，叶轮外的气体在叶轮的部分区域开始回流，并形成横穿叶轮的流动，即流体从叶轮的一部分区域流入而从另一部分区域流出，同时在流入流出区域的相间处产生中心不在叶轮旋转中心的偏心漩涡。偏心漩涡的中心位置沿着圆周向叶轮旋转的方向缓慢地移动，从而导致气体的流入、流出方向也不断地改变。当在叶轮外配置不对称的蜗壳以后，漩涡中心的位置被固定在隔舌附近，流动方向也稳定下来，这样就构成了可供实用的横流式气体输送机械。若使流体从相反的方向流入，带动叶轮转动以输出动力，这就成为了横流式流体动力机械。 图1.8横流式 图1.9喷射式 喷射式风机主要由喷嘴、吸入室、混合室和扩散管等部分组成，如图1.9所示。高压流体(工作流体)通过喷嘴加速喷出时，由于湍流粘性应力的作用，将喷嘴附近的气体带走，使那里形成负压区，吸入管内的气体被吸入，在混合室内与射流混合并进行能量交换，能量趋于一致的混合流体进入扩散管后将大部分动能转换为压强能。由于是通过两种速度不同的流体混合来传递能量，故射流风机的损失较大，最高效率为30％~40％。不过，因为此种风机结构简单，工作可靠、使用方便、所以被广泛用于高温、高压等特殊工作条件下。 本书主要介绍叶片式风机中离心式和轴流式通风机和压缩机的原理及气动设计，在此基础上读者不难了解其他类型风机和压缩机的原理和气动设计。 2. 按产生的压强高低分类 按照升压的高低，分为通风机、鼓风机和压缩机。我国JB/T 2977—2005 《工业通风机、透平鼓风机和压缩机名词术语》规定： ① 升压小于30kPa的机械称为通风机； ② 出口表压强在30kPa~0.2MPa之间的机械称为鼓风机； ③ 出口表压强大于0.2MPa的机械称为压缩机。 1.1.2风机和压缩机的应用 风机和压缩机广泛应用于国民经济的各个领域和人们的日常生活中。例如，在家庭中广泛使用的电风扇和吹风机，微型计算机中的冷却风扇，空调机和电冰箱中的制冷压缩机等均是风机和压缩机的实际应用。应用场合不同，对尺寸和性能方面的具体要求也不同。例如，空调制冷系统的压缩机要求尺寸小、重量轻、密封性好、制冷量大、噪声小、抗震性好，且在不同的运行工况下都能正常工作。常用的制冷压缩机类型主要有以下几种。 斜盘式压缩机： 分为单向和双向两种，气缸数一般有5、6、10等几种，斜盘的运动使进入气缸的润滑油飞溅到各润滑部位，高速时容积效率低。 旋转滑片式压缩机： 滑片式压缩机的气缸有圆柱面和椭圆面两种，前者的转子在气缸内偏心配置，后者为同心配置。滑片安装在转子上的纵向凹槽内，转子旋转时通过离心力使滑片紧贴气缸壁，故低速时容积效率高。这种压缩机结构简单，成本低。 滚动活塞式压缩机： 压缩机的滚动活塞装在曲轴上，自转的同时绕气缸中心线公转，转子与气缸的接触点转到进口处时开始吸气，到下侧时停止吸气，转子旋转，容积减少，气压增高，高于排气压强时排气。这种压缩机易损件较少、寿命长。 汪克尔式(Wangkel)压缩机： 又称摆线式压缩机，于1962年由德国的Borsig公司生产。它的气缸型线为双弧外摆线，转子为三顶点内包络线，两者同一方向旋转改变基元容积大小。该压缩机采用接触式密封，可靠性和稳定性高，但高速时容积效率较低。 螺杆式压缩机： 靠气缸内螺杆的回转造成螺旋状齿型空间的容积变化来完成气体的压缩过程。为适应车用空调小而轻的要求，螺杆式压缩机需要向小型化发展，但存在相对泄漏量大、相对喷油量多、动力损失大、对轴承的要求较高等问题，必须进一步提高压缩机的性能。 涡旋式压缩机： 是用于车辆空调系统较为理想的一种容积式压缩机，近年来备受重视而发展迅速。涡旋式压缩机的动涡旋盘借助曲轴机构绕静涡旋盘转动，两者之间形成月牙腔。压缩机工作时，静涡旋盘外侧的进气口引入气体封闭于月牙腔内，气体在向中心运动过程中容积减小，压强提高，最后通过静涡旋盘轴向中心孔排出。 以下举例说明风机和压缩机在国民经济主要工业部门中的应用。 在煤炭工业中，通风机用于矿井井下通风，根据通风机服务区域的不同又分为主通风机和局部通风机（简称主扇和局扇）。 在冶金工业中，鼓风机为高炉和各种冶炼设备提供氧气或空气。 在石油天然气工业中，压缩机是气举法开采原油的关键设备。气举法是用高压压缩机，将天然气加压注入油层夹管和油管的环形空间，再使油气混合物沿油管举升到地面。为了更有效、更容易地使油气混合物举升到地面，必须提高加注天然气的压强，因此活塞式压缩机和透平压缩机是比较合适的压缩机械。 随着石油化工和化工工业的发展，压缩机被广泛用来压缩和输送石油化工和化工生产过程中的气体。近20年来，由于离心压缩机技术和水平的不断提高，离心压缩机已经成为石油化工和化工生产过程中应用最广泛的压缩机。下面介绍具有代表性的日产30万吨乙烯生产装置中的3种压缩机以及大化肥装置的5种压缩机。 乙烯生产装置中的离心压缩机： 乙烯是衡量一个国家石油化工工业发展水平的重要标志，是生产石化产品中最基础的原料，因此乙烯装置在石油化工中具有特别重要的地位。与乙烯装置配套的简称为三机的压缩机，包括裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机。 由美国DresserRand和日本三菱重工合营的MHIDresserRand公司是我国乃至全球乙烯用压缩机最大的供应商。此外，意大利的新比隆公司、德国的伍德公司和德马格公司、丹麦的诺文科公司以及日本日立制作所等也都是世界上著名的压缩机制造商。我国的沈阳鼓风机厂基本上代表了我国离心压缩机的技术水平。目前，我国现有的乙烯装置配套的三机基本上都是引进的，如目前已投产的30万吨乙烯装置中的3种压缩机基本上都是从MHIDresserRand公司引进的，其基本参数如表1.1所示。 表1.1乙烯装置中的3种压缩机的基本参数 压缩机 型号 级数 介质 进口 流量 /(m3/h) 进口温 度/℃ 进口压 强/MPa 出口压 强/MPa 转速 /(r/min) 总功率 /kW 裂解气 压缩机 低压缸4M95595509 40 0.135 0.579 中压缸 4M3 3裂解气 22003 38 0.539 1.133 5105 17606 高压缸 3M108 8 12037 40 1.023 3.793 丙烯压缩机 4M9 9 丙烯气 14888 -40 0.133 1.706 4638 13792 乙烯压缩机 4M7 7 乙烯气 7229 -101 0.109 1.873 9777 2368 大化肥装置中应用的离心压缩机包括原料气压缩机、空气压缩机、合成气压缩机、氨压缩机和二氧化碳压缩机。表1.2所示为大化肥装置中的5种压缩机的基本参数。图1.10所示为离心式压缩机的外形图及内部结构图。 在航空工程中，空气喷气发动机是目前飞机上用的主要航空发动机，在形式上它可以分为无压缩机的空气喷气发动机和燃气涡轮发动机两种。前者可分为超声速冲压式发动机和高超声速冲压式发动机，后者可分为涡轮喷气发动机(图1.11)、加力式涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机(图1.12)、加力式涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。在燃气涡轮发动机中就用到了压缩机。 表1.2大化肥装置中的5种压缩机的基本参数 压缩机型号级数介质进口流 量/(m3/h)进口温 度/℃进口压 强/MPa出口压 强/MPa转速 /(r/min)总功率 /kW 空气 压缩机 低压缸5CK573 高压缸7CK317 空气 54080 162 0.0913 0.634 6600 7935 169 0.599 3.691 10700 7983 原料气 压缩机 低压缸9C269 高压缸9B269 原料气 8878 32.22 0.431 1.472 10800 2750 43.33 1.423 4.493 108004075 合成气 压缩机 低压缸 2BC9 9 高压缸 2BF98 8 合成气 6359 37.78 2.573 6.510 10372 2346 7.78 6.370 15.292 10372 16868 氨压 缩机 低压缸 4C57 4 高压缸 7CK45 7 氨气 34715 -32.2 0.101 0.330 6700 26011 30.7 0.327 1.898 8900 9165 二氧化 碳压缩机 低压缸 2MCL607 7 高压缸 2BCL306/A 6 二氧 化碳 27636 40 0.96 2.1 7200 27636 42 2.05 14.4 13900 7210 图1.10离心式压缩机外形图和内部结构图 图1.11涡轮喷气发动机 图1.12涡轮风扇发动机 涡轮喷气发动机是以空气作为介质的，空气通过进气道进入压缩机进行压缩提高压强，从压缩机流出的高压空气在燃烧室与喷入的燃料混合燃烧，形成很高能量的高温高压燃气，进入涡轮膨胀并部分变为机械能带动压缩机旋转，从涡轮流出的高温高压燃气在尾喷管继续膨胀，并沿发动机轴向以高速从喷口向外喷出，从而使发动机获得反作用推力。在燃气涡轮发动机中，压缩机和涡轮都是由旋转的和静止的叶片组成，压缩机的作用是提高流过它的空气总压。 以柴油作为主要燃料的柴油机动力装置是目前使用较为广泛的且具有较高经济性能的动力推进装置，在柴油机装置中就用到压缩机。压缩空气系统中有空气压缩机，用来起动主机和发电机组及其他需要压缩空气的设备。 船用和车用发动机已广泛采用增压技术来改善发动机性能，以提高发动机动力性、经济性和降低废气排放。因为在车用发动机中使用涡轮增压器能有效地提高发动机的平均有效压强，从而大幅度提高了发动机的比功率和燃油经济性； 同时又能降低噪声和废气中的有害成分； 并随着技术的发展，在改善发动机的扭矩特性、提高发动机的低速性能和加速响应特性等方面也发挥了重要的作用。车用发动机涡轮增压器主要由压气机部分、涡轮部分、中间部分等组成。车用发动机涡轮增压器要求整体结构尺寸小、重量轻、效率高、可工作范围广、寿命长以及成本低，这就使得结构形式上有其特殊性。压缩机一般为径流离心式，由进口段、叶轮、扩压器和集气器组成。进口段设计成圆柱形，有的还 图1.13离心式压缩机叶轮 装有导向叶片； 叶轮选用摩擦损失和流动阻力较小、结构又较简单的半开式，普遍采用径向叶片，目前在小型增压器中已开始并越来越多地采用前倾后弯叶片以提高级效率，扩大流量范围； 扩压器多采用无叶扩压器，虽最高效率较低，但随流量变化平稳，能适应较宽的流量范围； 集气器的形状为蜗壳状或等截面状，视增压器在发动机中的位置和进气管数目而定。图1.13所示为离心式压缩机叶轮。 在水电站中以及铁路和公路建设、矿山建设、水利和土建工程的供气系统中广泛使用活塞式压缩机(图1.14)，它又分为移动式和固定式。水电站供气系统分低压空气系统和高压空气系统，前者的压强一般为0.7MPa，主要负责机组制动、机组调相压水、维护检修及空气围带用气； 后者压强为2～3MPa，负责油压装置的用气。电站供气系统由空压机、储气罐、气水分离器、各种阀门及监控装置等组成。热电厂锅炉中的重要设备有送风机和引风机(图1.15)。送风机的作用是向炉膛供给燃烧所需的空气。空气温度与室温相同，所需风压不超过15kPa，属于通风机的范围。送风机普 图1.14活塞式压缩机 图1.15离心式引风机 遍采用机翼型后弯式叶片离心风机，目前大容量机组多采用轴流式风机。离心式送风机一般采用双速电动机驱动，并配有入口导流器调节风量； 轴流式送风机则可以通过变角度调节来改变风量。 引风机用于将燃料在锅炉中燃烧后产生的高温烟气排入到大气中去。烟气温度较高，通常在150~200℃，故需要引风机的轴承具有良好的冷却条件。由于烟气中带有飞灰，引风机易磨损，一般采用板式叶片。对于除尘效率高或者用于燃油锅炉的引风机可以采用后弯机翼型离心风机或者轴流式风机，轴流式风机作为锅炉引风机将是今后发展的趋势。 1.2通风机的结构和主要性能参数 1.2.1通风机的结构 轴流式通风机主要由集流器、整流罩、叶轮、导叶、机壳、扩散器（包括外筒和流线体）等部分组成，单级和多级轴流式通风机的结构参见图1.7。图1.16所示为常见的单吸离心式通风机的结构示意图。离心式通风机主要由集流器和进风箱、叶轮、传动轴、蜗壳、出风口等部件组成。 图1.16离心式通风机的结构 (1) 集流器的作用是将气体平滑地导入叶轮，因此，集流器的形状需要精心设计和制作，以保证叶轮入口具有良好的气流状态。进风箱只用在大型的或双侧进风的离心式通风机上，其主要作用是使轴承装在通风机机壳的外面，便于安装和检修。进气箱的出口与集流器的入口相连接。 (2) 叶轮是通风机的核心部件，它由原动机驱动，叶轮旋转时便将原动机的机械能传递给气体，使气体的压强升高。离心通风机的叶轮一般由轮盖、轮盘、叶片和轴盘组成，其结构有焊接和铆接两种形式。叶片有后弯、前弯和径向三种形式。