氧气压缩机安全可靠的结构设计解析

（一）结构简述

1.氧气压缩机的特殊处理

氧气压缩机的结构设计首先考虑的就是安全性，因此，氧气压缩机的设计比其他气体压缩机有更高的可靠性、稳定性。

氧气压缩机转子的零件强度和振动控制都经过严格的计算和校核。

在高纯氧的环境下，一些物质会急剧燃烧，下面列举了氧气压缩机内着火燃烧的几种可能的原因：

1）氧化皮和其他外来物。一块氧化皮或其他的外来异物一旦被吸入压缩机内，随着气流流动，该物质将会有很大的动能，而且与管道（壳体）内壁发生摩擦产生热量，这点热量不会把管加热到燃点，但是如果气流中有可燃物，比如油脂，高温的氧化皮会将油脂点燃，由于氧气的助燃，加热管壁，超过管道金属材料的着火点，引起管子的燃烧。

2）转子和定子静止部分发生摩擦。转子由于变形、振动等原因，引起转子与压缩机静止部件发生碰撞、摩擦，发热超过着火点引起部件燃烧。

3）气体温度升高。由于中间冷却系统故障，比如突然断水等，造成管道内氧气的温度异常升高，一旦系统内有可燃物质，会使系统内的可燃物质加热进而引起燃烧。气体温度的急剧升高，也会使压缩机壳体发生变形，使得转子与压缩机静止部件发生碰撞、摩擦，发热超过着火点引起部件燃烧。

4）氧气泄漏。当氧气通过迷宫式密封间隙泄漏到外面，在压缩机周围积聚，可能会引起周围一些可燃物质发生燃烧。

2.结构

氧气压缩机是用来将空气分离装置生产的产品氧进行增压，输送到用户的设备。氧气压缩机一般由低压氧气压缩机和高压氧气压缩机组成。两台压缩机通过增速器（一台或者两台）由电动机驱动，压缩机、增速器、电动机布置成一列。

一般氧气压缩机系统的主要设备有：

1）低压氧气压缩机（低压缸）。

2）高压氧气压缩机（高压缸）。

3）增速器（一台或者两台）。

4）中间气体冷却器。

5）末端冷却器。

6）强制润滑系统。

7）辅助设备等。

（二）压缩机

1.机壳

一般低压缸采用灰口铸铁机壳；高压缸采用球墨铸铁机壳。两个缸都是水平剖分结构。连接中分面上的螺栓在任何情况下都不能松动。由于机壳的中分面经过精密加工，所以不需要也不允许加装垫片，只允许涂无机化合物，比如中性玻璃水，或者装专用的进口密封条（对于中分面上有槽的机型），严禁使用有机密封胶。因为在高纯度氧气的环境下，使用有机液体密封胶是非常危险的。

氧气压缩机机壳的内壁以及可能与氧接触的隔板等表面镀铜防锈、防火花。镀铜的表面如果受到尖锐物体的碰撞很容易脱落损坏，因此在拆装压缩机的时候一定要特别小心。

轴承箱与压缩机机壳一样是水平剖分的。下半轴承箱与机壳相连在一体，上半轴承箱是铸件，可以很方便地拆装，便于检查轴承。轴承箱下半部分有轴承的进油口与出油口，用于向轴承供油和回油。轴承箱下半部与机壳连成一体可以获得良好的刚性。机壳安装在刚性结构的底座上。

2.转子

转子的主轴由不锈钢锻件加工而成。叶轮热套并紧箍在轴上。在轴上每装好两个叶轮就会进行一次转子的动平衡，使不平衡的量减到最少，最大限度地防止振动。一般情况下，不允许将叶轮拆卸。

轴向推力是由于每个叶轮的进、出口两侧的压力不同引起的。当轴向力无法由推力轴承承受时，需要设置平衡盘来消除部分轴向力。平衡盘由锻造不锈钢制成并热套（过盈配合）在主轴上。当需要时相应的主轴上会设置平衡盘。

3.叶轮

叶轮（见图3-15），由锻造不锈钢材质制成，采用闭式焊接结构叶轮。叶轮由三部分组成：叶片、轮盘、轮盖。叶轮需要经过动平衡及超速实验。超速实验的转速通常为工作转速的115%，超速时间不超过2min。

4.隔板

隔板用来组织压缩机内的氧气流道。可以把隔板分为三类，即进气隔板、中间隔板及排气隔板。

图3-15 叶轮

1—轮盖 2—叶片 3—轮盘

进气隔板把氧气导入叶轮的进口；中间隔板与扩压器组成的流道有效地把叶轮出口处气流的动能转变为压力能，也把氧气导入下级叶轮的进口；排气隔板把氧气引向蜗壳。为了装配转子，所有隔板都制成水平剖分。隔板与机壳一样，与氧气接触的表面镀铜。

5.径向轴承

径向轴承（见图3-16），是可倾瓦式。可倾瓦轴承有五个瓦块，周向均布。轴衬的配列位置与主轴颈同心。

瓦块为钢制件，内孔浇铸巴氏合金。它与垫块连在一起。装在轴承壳内的瓦块可以绕着自己的轴线（与主轴颈中心线平行）单独摆动，同时由螺栓周向限位，使它在工作时不会与轴颈一起转动。这种轴承对于减振是十分有效的。油从轴承壳的外侧环形空间供入，经过轴承间隙供油。轴承间隙由瓦块底部垫块厚度进行调整。

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图3-16 径向轴承

运行中，每块瓦块随着轴颈旋转而产生的流体动力调整自己的位置，从而使每个瓦块具有最佳油楔。由于瓦块之间的间隙大，油膜不连续，与油膜旋转有关的不稳定性也就不存在了。

6.推力轴承

推力轴承带有油量控制环，以减少油耗量，在推力盘的每侧装有若干块推力块，足以承受双向的设计负荷。

考虑油膜及轴的热膨胀，必须保持足够的间隙。

7.迷宫密封

密封器在压缩机壳内，转子从密封器的内孔穿过。密封器分为级间密封和轴端密封两类。级间密封装在级和级之间，阻止氧气沿着轴向漏向前面的级；轴端密封器装在机器两端，阻止氧气外漏。本机组采用氧气分段密封及氮气密封，使氧气外漏降到最低。

迷宫密封器都是水平剖分和高压缸的气体密封器的本体由黄铜制成；密封片由铜镍合金材料制成；油密封由铝制成。

由于泄漏的氧气在通过密封片与转子上的密封槽之间的间隙时反复节流，减少了氧气的泄漏量。

密封片与转子之间必须有适当的间隙，以免发生碰撞，设计时，密封片的材质比转子相应部位的材质要软，以免一旦发生碰撞时损坏转子。

迷宫密封在维修时调换方便。

8.联轴器

联轴器用来传递电动机和压缩机之间的转矩。常用的是叠片式联轴器及膜片式联轴器。它们都是用过盈热套连接或者用键连接。

轴的不同心是由叠片（膜片）的挠度来补偿的。叠片的挠性在一定程度上也可以弥补两轴之间的角度误差及平行度误差，轴向位移同样可以得到补偿。如果使用的方法不当，会损坏叠片，故在安装或者操作时要小心。联轴器出厂时都经过严格的动平衡校正，装配时必须使所有装配标志与原来一致，用来保证转子运转的平稳性。

9.底座

氧气压缩机的底座采用框架式公共底座。增速器以及高低压缸均安装在此底座上。该底座采用焊接结构。底座上配有导向键，保障压缩机热膨胀时能够伸缩，并保证机组的对中良好。

机壳与底座的配合面安装时必须做防锈处理，使热膨胀引起移动时不产生作用在机壳上的额外的力。

10.入口导叶的调节装置

低压氧气压缩机的第一级叶轮前，装有入口导叶装置，用来减少起动阻力及控制流量。氧气流量的大小可以通过调整叶片的迎风角来控制。叶片由不锈钢加工而成。它由复合轴承支撑，按照周向排列在机壳内。装置内有一片主动叶片和若干从动叶片，通过操作主动叶片，经过传动机构带动其他叶片。导叶开度的大小，在不同工况下对机组稳定运行影响极大。不适合的导叶开度可能使机器进入喘振区域，对压缩机造成破坏性伤害，因此操作导叶时必须严格按照要求执行。

（三）气体冷却器

压缩机一般配有四台（三台）中间冷却器和一台末端冷却器。壳程走水，管程走气。每台冷却器芯子都是由紫铜光管制成。每根管子的两端与管板通过胀接连接。管束水平安装。管束的每一侧都有一条氧气管道，水侧设计为多程，氧气侧设计为单程。

（四）润滑系统

氧气压缩机配备有强制润滑系统，用以向压缩机轴承、电动机轴承及增速器供油。供油装置的工作过程如下：

吸油管从油箱内吸油，并经过油泵入口过滤器过滤掉油箱内的杂质，再经过油泵增压。从油泵出来的润滑油经过油冷却器冷却和经过切换式双芯过滤器进一步过滤后，由送油管送到各个润滑点，然后再经过回油管回到油箱。

（五）增速器

氧气压缩机由于有两个压缩缸，配套有（两个或者一个）增速器，见图3-17。

图3-17 氧气压缩机配有增速器

（六）其他辅助设备

1.轴封装置

轴封装置用来防止氧气外漏以及防止空气和润滑油通过间隙漏入机壳内。氧气压缩机通常采用不接触型迷宫密封，以免密封和转子发生接触，引起着火和燃烧。如果采用简单的迷宫密封，少量的氧气会泄漏，增加机器周围氧气浓度，没有安全保障，所以采取充入氮气，且氮气与氧气之间具有差压控制的迷宫密封。经过迷宫密封泄漏出的氧气，分段进入前一段的氧气出口管，最后部分漏出的氧气流回压缩机进口管。这部分回流氧气的量，由平衡腔与进口管的差压来控制。平衡腔的压力略高于进口管的压力。另一部分氧气进入密封的氧气腔，该处的压力略高于混合气腔的压力，同时，氮气进入密封的氮气腔，该处压力略高于混合气体腔的压力。漏出的氧气和氮气一起进入混合气体腔。氧气的浓度因为与氮气混合而降低，混合气体在安全的地方排入大气。具体的密封气系统的布置流程见机组的说明书。

此外，机组设置了氧气平衡管，把高压缸氧气腔里的氧气吸入低压缸的氧气腔，以防止氮气进入压缩机进口管。采用这样的迷宫密封，防止了氧气的外漏和外部大气、氮气及润滑油的渗入。

2.流量调节系统和防喘振系统

氧气压缩机设置有完整的流量调节系统及防喘振系统。它通常由一组调节阀及设置于第一级叶轮前的进口导叶装置组成。调节阀设置于压缩机出口管和旁通管上。

出口压力高于出口压力的设定值时，放空阀打开，进口管压力低于进口压力的设定值的时候，旁通阀打开，从而防止氧气压缩机进入喘振区。所以，当用户的供气或者用气工况发生变化时，系统可自动或者手动做相应的调整，以保证氧气压缩机的安全稳定运行。

3.氧气过滤器

氧气过滤器过滤精度为≤0.13mm。进口氧气过滤器装在压缩机的进口处，卧式或者立式布置。