第七章 離心式制冷壓縮機

重慶大學(xué)動力工程學(xué)院第七章離心式制冷壓縮機

CentrifugalcompressorCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity主要內(nèi)容一、概述二、離心式壓縮機的基本理論三、葉輪四、固定元件五、相似理論及其在離心式制冷機中的應(yīng)用六、離心式制冷機特性曲線與運行調(diào)節(jié)CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第一節(jié)概述CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1.離心式制冷壓縮機原理離心式制冷壓縮機屬于速度型壓縮機，是一種葉輪旋轉(zhuǎn)式的機械?？扛咚傩D(zhuǎn)的葉輪對氣體做功，以提高氣體的壓力。離心式制冷壓縮機的--

吸氣量為0.0315m3/s，轉(zhuǎn)速為180090000r/min，吸氣溫度通常在10100℃，吸氣壓力為14700kPa，排氣壓力小于2MPa，壓力比在230之間，幾乎所有制冷劑都可采用。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity離心式壓縮機的工作原理由轉(zhuǎn)子與定子等部分組成：當(dāng)帶葉片的轉(zhuǎn)子(葉輪即工作輪)轉(zhuǎn)動時，葉片帶動氣體轉(zhuǎn)動，把功傳遞給氣體，使氣體獲得動能；

定子部分包括擴壓器、彎道、回流器、蝸室等，作用是改變氣流運動方向及把速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽粴怏w在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中獲得高速度后，再在環(huán)行通道(即擴壓器和蝸室)將速度動能變?yōu)閴毫ξ荒?，從而提高氣體的壓力。制冷劑蒸氣由軸向吸入，沿半徑方向甩出，故稱離心式壓縮機。A.單級離心式壓縮機CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity離心式壓縮機的工作原理B.多級離心式壓縮機空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于蒸發(fā)溫度(壓力)較高，壓縮比較小，一般采用單級壓縮；當(dāng)蒸發(fā)溫度較低，壓縮比較大時采用多級壓縮。壓縮機由數(shù)個葉輪組成，每個葉輪與相配合的固定元件組成一個“級”，蒸氣壓力逐級增加。級數(shù)越多、轉(zhuǎn)速越高，所產(chǎn)生的能量頭越大?！凹墶笔墙M成離心式壓縮機的基礎(chǔ)。中間級有葉輪、擴壓器、彎道、回流器、級間密封等。末級由葉輪、擴壓器和蝸殼組成。離心式制冷壓縮機的“級”氣體每經(jīng)過一級葉輪和擴壓器所能升高的壓力有限，當(dāng)壓力比大時，需采用多級壓縮。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity離心式壓縮機的工作原理對于多級離心式制冷壓縮機，則利用彎道和回流器再將氣體引入下一級葉輪進行壓縮。B.多級離心式壓縮機CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity壓縮機工作時，第一級吸入和壓縮過程與單級壓縮相同。氣體出葉輪后進入流道截面逐漸擴大的擴壓器，速度減小，速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，使氣體壓力進一步提高；在多級壓縮機中，為把氣體引入下一級繼續(xù)增壓，在擴壓器后面設(shè)置了彎道和回流器。回流器中一般裝有導(dǎo)流葉片，使氣體均勻地沿軸向進入下一級工作輪；多級離心式壓縮機的工作過程

對單級或多級的末級，不存在把氣體引入下一級的問題，故擴壓器后面不再是彎道和回流器，而是將氣體直接排入蝸殼，由于蝸殼外徑和流通截面逐漸擴大，使氣流進一步減速和擴壓，最后從蝸殼出來的氣體排至冷凝器。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2.壓縮原理（與容積型比較）增加單位容積內(nèi)氣體分子數(shù)目，使分子間距離縮短：

容積型壓縮機：減少氣體分子所占封閉空間的容積，使氣體在氣缸內(nèi)隨著容積減小直接受到壓縮；

速度型壓縮機：利用慣性方法，通過氣流的不斷加速、減速，因慣性彼此擠壓，使分子間距離縮短。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity無往復(fù)運動部件，動平衡特性好，振動小，基礎(chǔ)要求簡單；無進排氣閥、活塞、氣缸等磨損部件，故障少、工作可靠、壽命長；機組單位制冷量的重量、體積及安裝面積?。粰C組的運行自動化程度高，制冷量調(diào)節(jié)范圍廣，可連續(xù)無級調(diào)節(jié)，經(jīng)濟方便；在多級壓縮機中容易實現(xiàn)一機多種蒸發(fā)溫度；潤滑油與制冷劑基本不接觸，從而提高了冷凝器及蒸發(fā)器的傳熱性能；大型離心式制冷壓縮機可由蒸氣或燃氣動力機直接帶動，能源使用經(jīng)濟、合理；3.離心式制冷壓縮機的特點3.離心式制冷壓縮機的特點單機容量不能太小，否則會使氣流流道太窄，影響流動效率；因依靠速度能轉(zhuǎn)化成壓力能，速度又受到材料強度等因素的限制，故壓縮機的一級壓力比不大，在壓力比較高時，需采用多級壓縮；工作轉(zhuǎn)速較高，需通過增速齒輪來驅(qū)動；當(dāng)冷凝壓力太高或制冷負荷太低時，機器會發(fā)生喘振而不能正常工作；制冷量較小時，效率較低；在蒸發(fā)溫度不太低和冷量需求量很大時，選用離心式制冷壓縮機是比較適宜的。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversityCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity4.離心式制冷壓縮機的分類

開啟式：壓縮機與原動機分開(增速齒輪可以與壓縮機裝在同一機殼內(nèi)，也可以單獨裝在機外)，壓縮機軸外伸端裝有機械密封，以防止制冷劑外泄或空氣漏入；

封閉式（半封閉、全封閉式）：

將壓縮機、增速齒輪、原動機用一個殼體連成一體，軸端不需要機械密封。氟利昂離心式制冷壓縮機為了減少制冷劑泄漏，大多采用封閉式結(jié)構(gòu)。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity5.典型離心式壓縮機結(jié)構(gòu)空調(diào)用半封閉式離心式制冷壓縮機CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity5.典型離心式壓縮機結(jié)構(gòu)CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversityTwo-stagecentrifugalcompressor.1-Second-stagevariableinletguidevane.2-First-stageimpeller.3-Second-stageimpeller.4-Water-cooledmotor.5-Base,oiltank,andlubricatingoilpumpassembly.6-First-stageguidevanesandcapacitycontrol.7-Labyrinthseal.8-Cross-overconnection.9-Guidevaneactuator.10-Volutecasing.11-Pressure-lubricatedsleevebearing.5.典型離心式壓縮機結(jié)構(gòu)CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity5.典型離心式壓縮機結(jié)構(gòu)1缸2段7級CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity基本工作原理：

從蒸發(fā)器來的低溫低壓制冷劑蒸氣通過可變進口導(dǎo)葉閥(A)進入壓縮機的第一級,此時一級葉輪(B)對制冷劑蒸氣做功，提高其速度。壓縮后的蒸氣經(jīng)過一個徑向的擴壓器，使速度降低，壓力提高。最后進入蝸殼(C)。壓縮后的高溫蒸氣經(jīng)由級間管道進入一級中間冷卻器(D)進行冷卻。冷卻后的蒸氣進入二級葉輪(E)，壓縮后的蒸氣再次經(jīng)過擴壓提高壓力，然后進入蝸殼，最后進入二級中間冷卻器(F)。從二級中間冷卻器出來的蒸氣在三級葉輪(G)中被壓縮，并在擴壓器中提高壓力后進入蝸殼，最后經(jīng)后部冷卻器進入客戶的空氣系統(tǒng)。5.典型離心式壓縮機結(jié)構(gòu)CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第三節(jié)葉輪CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity葉輪(工作輪)

閉式、半開式和開式三種。葉輪隨主軸高速旋轉(zhuǎn)后，氣體受旋轉(zhuǎn)離心力和流道中擴壓流動的作用，使其壓力和速度在離開葉輪時都得到提高

葉輪是壓縮機中對氣體作功的唯一部件，其材料需具有足夠的強度，氟利昂離心式壓縮機的葉輪一般采用高強度鋁合金精密鑄造而成。為減少振動，葉輪和軸必須經(jīng)過動平衡試驗，以達到規(guī)定的動平衡要求。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity葉輪(工作輪)閉式由輪蓋、葉片和輪盤焊接或整體鑄造而成，空調(diào)用制冷壓縮機大都采用閉式；有輪蓋時，可減少內(nèi)漏氣損失，提高效率，但輪蓋應(yīng)力較大，限制了圓周速度提高。半開式葉輪僅有葉片和輪盤，用于單級壓力較大場合；CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第四節(jié)固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity固定元件吸氣室

使氣體在進入葉輪之前形成負壓，以便將氣體均勻地引入葉輪，以減少進口損失（氣流擾動和分離損失）?？照{(diào)用壓縮機在葉輪之前裝有進口導(dǎo)葉，若改變其角度即可改變進入葉輪流量的大小，達到調(diào)節(jié)制冷量的目的。作用:將從蒸發(fā)器或級間冷卻器來的氣體，均勻地引導(dǎo)至葉輪的進口；為減少氣流的擾動和分離損失，吸氣室沿氣體流動方向的截面一般做成漸縮形。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity擴壓器分無葉和有葉兩種。其作用是將葉輪出口的高速氣體的速度能轉(zhuǎn)化為壓力能。無葉擴壓器：由兩側(cè)隔板組成的環(huán)行通道，隨著徑向距離的增大，截面通道面積也隨之增加，使從葉輪出口出來的高速氣體速度逐漸減慢，壓力得到提高。有葉擴壓器：在流道中裝有葉片，在同樣直徑下流道面積增加更多，故氣流速度減小更快，壓力增加更多。固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity可變無葉擴壓器調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

當(dāng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動時，裝在導(dǎo)葉軸上的凸輪跟著旋轉(zhuǎn)，并改變隔板在軸方向的位置。從而改變擴壓器的寬度，達到提高運行效率的目的。固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity進口導(dǎo)流葉片（杠桿式）

導(dǎo)流葉片可用來調(diào)節(jié)制冷量，當(dāng)導(dǎo)流葉片旋轉(zhuǎn)時，改變了進入葉輪的氣流流動方向和氣體流量的大小。固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity彎道和回流器

用于多級離心式壓縮機，把由擴壓器流出的氣體導(dǎo)至下一級葉輪。氣體在彎道和回流器的流動，可認為壓力和速度不變，僅改變氣體流動方向；它們實際上起的作用是整流。彎道：將擴壓器出口的氣流引導(dǎo)至回流器進口，使氣流方向從離開軸心變?yōu)橄蜉S心方向；回流器：把氣流均勻?qū)蛳乱患壢~輪進口，其流道中設(shè)有導(dǎo)向葉片，使氣體按葉片彎曲方向流動，沿軸向進入下一級工作輪。下一級固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity蝸殼

把從擴壓器或葉輪后的氣體匯集起來并引向機外。蝸室的通道面積（外徑和流通截面）逐漸擴大，其出口接一段擴壓管，對氣體起到降速擴壓作用。固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity密封迷宮密封目前是離心壓縮機用得較為普遍的密封裝置，用于壓縮機的外密封和內(nèi)密封。迷宮密封的氣體流動，當(dāng)氣體流過梳齒形迷宮密封片的間隙時，氣體經(jīng)歷了一個膨脹過程，壓力從P1降至右端的P2。氣流經(jīng)過隨后的每一個密封片和空腔就重復(fù)一次上面的過程，一直到壓力P2為止。固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity迷宮密封常用的迷宮密封平滑形

曲折形臺階形軸做成光軸，密封體上車有梳齒或者鑲嵌有齒片為了增加每個齒片的節(jié)流降壓效果，發(fā)展了曲折型的迷宮密封，密封效果比平滑形好這種型式的密封效果也優(yōu)于平滑形，常用于葉輪輪蓋的密封，一般有3-5個密封齒。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity增速裝置固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity半軸聯(lián)器由高強度合金鋼制成，同端面上凸起和凹下不分相配合，以傳遞力矩。兩個鋁制卡環(huán)夾緊兩個半軸聯(lián)器并用螺栓按規(guī)定力矩均勻拴緊。軸聯(lián)器固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity平衡盤和平衡管利用平衡管把進口處的低壓氣體引至增速器機體的上部空間，平衡軸向力。并起到冷卻的功能。固定元件CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity第六節(jié)離心式壓縮機特性曲線與運行調(diào)節(jié)CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity1、離心式壓縮機的特性工況變動時，離心式制冷壓縮機的性能也將發(fā)生變化，它與活塞式制冷壓縮機有類似之處。蒸發(fā)溫度對性能的影響

蒸發(fā)溫度對性能的影響較大：當(dāng)轉(zhuǎn)速和冷凝溫度不變時，蒸發(fā)溫度愈低，制冷量下降愈劇烈；冷凝溫度對性能的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)溫度不變時，冷凝溫度高于設(shè)計值時，離心式制冷壓縮機的制冷量將急劇下降；轉(zhuǎn)速對性能的影響隨轉(zhuǎn)速的降低，制冷量將急劇下降。(1)工況變動時對性能的影響當(dāng)冷凝溫度不變時，制冷量Q0隨蒸發(fā)溫度t0的升高而增大；當(dāng)蒸發(fā)溫度不變時，制冷量Q0隨冷凝溫度tk的升高而下降。壓縮機的特性曲線

空調(diào)用離心式制冷壓縮機特性曲線機組的平衡工況應(yīng)該是壓縮機特性曲線與冷凝器特性曲線的交點。壓縮機與制冷設(shè)備的聯(lián)合工作特性壓縮機和制冷設(shè)備的聯(lián)合特性曲線點A為壓縮機的穩(wěn)定工作點

點K為喘振工況點CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity

“喘振”是離心式壓縮機固有的一個缺點，在低速運轉(zhuǎn)負荷降低或者冷凝溫度很高的時候，可能會發(fā)生喘振。離心壓縮機是一種速度型壓縮機，靠高速旋轉(zhuǎn)來使制冷劑氣體達到一定的速度(即獲得動能)，然后進入擴壓腔由動能轉(zhuǎn)化為壓力能。在低速旋轉(zhuǎn)負荷很低的時候，氣體的動能轉(zhuǎn)化的壓力能(即排氣壓力)小于冷凝器內(nèi)部冷凝壓力的時候，氣體就會發(fā)生倒流，進入壓縮機的壓縮腔重新壓縮，然后再回到排氣口，如此反復(fù)，就是“喘振”，此時，氣體對壓縮機的沖擊很大，會導(dǎo)致壓縮機軸承燒毀。(2)喘振與堵塞CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity喘振的危害及解決措施喘振危害：喘振發(fā)生時，出現(xiàn)周期性的來回脈動氣流，壓縮機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)大的振動，電動機電流脈動加劇，氣壓表讀數(shù)變化無常，機組運行處于危險狀態(tài)。它將使壓縮機產(chǎn)生強烈的振動和噪聲，嚴重時會損壞葉片甚至整個機組，應(yīng)設(shè)法消除。解決措施：為了防止當(dāng)壓縮機工況發(fā)生變化或調(diào)節(jié)壓縮機制冷量(減少負荷)時發(fā)生喘振現(xiàn)象，可從壓縮機出口旁通一部分氣流直接進入吸入口，加大吸入量（即當(dāng)流量小到接近喘振點時適當(dāng)增加壓縮機進口流量），從而避免喘振現(xiàn)象發(fā)生。（開大進口導(dǎo)葉閥，同時打開旁通閥，使部分氣體旁通進入蒸發(fā)器或壓縮機進口。旁通的氣體可以從冷凝器頂部流入。）CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity所謂堵塞，即流量已達最大值。此時，壓縮機流道中某個最小截面處的氣流速度達到了音速，流量不可能繼續(xù)增加?；蛘唠m未達到音速，葉輪對氣體所作的功全部用來克服流動損失，壓力并不升高，這時也達到了堵塞工況，在運行中也不允許。(2)喘振與堵塞從堵塞點(最大流量點)到喘振點(最小流量點)這一范圍，稱為離心式壓縮機的穩(wěn)定工作區(qū)(圖7-33,K-M)。它的大小也是壓縮機性能好壞的標志之一。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity2、離心式制冷壓縮機組能量調(diào)節(jié)進氣節(jié)流調(diào)節(jié)。在蒸發(fā)器和壓縮機的連接管路上安裝一節(jié)流閥，通過改變節(jié)流閥的開度，使氣流通過節(jié)流閥時產(chǎn)生壓力損失，從而改變壓縮機的特性曲線，達到調(diào)節(jié)制冷量的目的。這種調(diào)節(jié)方法簡單，但壓力損失大，不經(jīng)濟。進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。在葉輪進口前裝有可轉(zhuǎn)動的進口導(dǎo)流葉片。利用進氣預(yù)旋，在轉(zhuǎn)速不變的情況下改變壓縮機的特性曲線，從而實現(xiàn)機組能量的調(diào)節(jié)。2、離心式制冷壓縮機組能量調(diào)節(jié)CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity進口節(jié)流調(diào)節(jié)改變?nèi)~輪前進口導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)角的方法調(diào)節(jié)，經(jīng)濟性較好，調(diào)節(jié)范圍較寬，方法又較簡單，故被廣泛采用；它在葉輪進口前裝有一組放射性可轉(zhuǎn)動葉片，當(dāng)改變它的角度時，就改變了進入葉輪氣流的方向，致使葉輪產(chǎn)生的能量頭發(fā)生變化，達到制冷量調(diào)節(jié)的目的。改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速改變時，其性能曲線也有相應(yīng)的改變，所以可用這個方法來改變工況點，以滿足生產(chǎn)上的調(diào)節(jié)要求。2、離心式制冷壓縮機組能量調(diào)節(jié)用汽輪機或可變轉(zhuǎn)速的電動機拖動時，可改變壓縮機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法最經(jīng)濟。改變制冷壓縮機轉(zhuǎn)速的能量調(diào)節(jié)

VSD根據(jù)冷水出水溫度和壓縮機壓頭來優(yōu)化電動機的轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片的開度，從而使機組始終在最佳狀態(tài)區(qū)運行。VSD控制的基本參數(shù)是冷水出水溫度實際值與設(shè)定值的溫差。2、離心式制冷壓縮機組能量調(diào)節(jié)改變換熱器參數(shù)對機組能量的調(diào)節(jié)當(dāng)改變冷凝器冷卻水流量時，可以得到不同的冷凝器特性曲線，從而可使工作點移動，達到調(diào)節(jié)能量的目的。

2、離心式制冷壓縮機組能量調(diào)節(jié)3.防喘振調(diào)節(jié)通過喘振保護線來控制熱氣旁通閥的開啟或關(guān)閉，使機組遠離喘振點，達到保護的目的。

CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity4、離心式制冷機的工作循環(huán)離心式制冷機循環(huán)原理包括壓縮、冷凝、節(jié)流和蒸發(fā)等主要過程?？照{(diào)用單級壓縮制冷循環(huán)

采用浮球式節(jié)流閥作為制冷劑的流量控制和降壓機構(gòu)；采用抽氣回收裝置排出機內(nèi)不凝結(jié)氣體和水份，并把混入的氣體中的制冷劑回收CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity浮球式節(jié)流閥壓縮機排出的制冷劑蒸汽在冷凝器中由冷卻水冷凝成液體后流入浮球室。當(dāng)浮球室液位升至一定高度時，浮球式節(jié)流閥開啟，液體制冷劑經(jīng)節(jié)流降壓后流至蒸發(fā)器底部；制冷劑在蒸發(fā)器中被冷媒水(載冷劑)加熱蒸發(fā)后，流經(jīng)擋液板以除去液滴，然后重新被壓縮機吸入、壓縮并排入冷凝器，如此不斷循環(huán)。CollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity抽氣回收裝置由于壓縮機進口處于真空狀態(tài)，不凝性氣體會滲透到機組中，引起冷凝器內(nèi)部壓力的急劇升高，導(dǎo)致制冷效果下降，功耗增加。用抽氣泵排放冷凝器中積存的空氣和不凝