第七章離心式制冷壓縮機(jī)

2023/2/41第七章離心式制冷壓縮機(jī)壓縮機(jī)分類特靈開利約克谷輪大金日立三菱丹佛斯比澤爾合計(jì)容積式壓縮機(jī)positivedisplacementcompressor369210223135426681850821076422往復(fù)式壓縮機(jī)reciprocatingcompressor71574115431192276回旋式壓縮機(jī)rotarycompressor2219437568414811460滾子式壓縮機(jī)roller-typecompressor234298306854729渦旋式壓縮機(jī)scrollcompressor1521171365743106949682501螺桿式壓縮機(jī)screwcompressor53010119850470236856葉片式壓縮機(jī)vane-typecompressor54115390176591斜盤型壓縮機(jī)Swashplatetypecompressor90191離心式壓縮機(jī)centrifugal/turbo/turbinecompressor10171524839626091758全封閉壓縮機(jī)hermeticcompressor4235114916246435閉式壓縮機(jī)Closedcompressor2747124706371328合計(jì)82206354712881668045882822222023/2/422023/2/432023/2/442023/2/452023/2/46離心式制冷壓縮機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合7-1概述p225離心式制冷壓縮機(jī)是速度型壓縮機(jī),靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體做功，以提高氣體的壓力。在葉輪中獲得高速，再在環(huán)行通道(即擴(kuò)壓器和蝸室2)將速度動(dòng)能變?yōu)閴毫ξ荒?，從而提高氣體的壓力。氣體每經(jīng)過一級(jí)葉輪和擴(kuò)壓器所能升高的壓力是有限的．當(dāng)壓力比大時(shí)，需采用多級(jí)壓縮。分子最大的制冷劑(如氟利昂)．氣體常數(shù)R和等墑指數(shù)k值小，能達(dá)到較高的單級(jí)壓力比，可采用較低的葉輪圓周速度和鑄鋁合金的葉輪。對(duì)于分子量小的制冷劑(如氨)，因其R和k值大，故單級(jí)壓力比較小，通常采用鋼葉輪。圖7-12023/2/47特點(diǎn)外形尺寸小，質(zhì)量輕，占地面積小。(在相同制冷量時(shí))運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)剩余慣性力小，振動(dòng)小，基礎(chǔ)簡(jiǎn)單。磨損零件少，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，維修費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)。容易實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓縮和多種蒸發(fā)溫度，在用中間抽氣時(shí)壓縮機(jī)能得到較好的中間冷卻，減少功耗。在工作的制冷劑中混入的潤(rùn)滑油極少.壓縮機(jī)運(yùn)行自動(dòng)化程度高，制冷量自動(dòng)調(diào)節(jié)，節(jié)能效果較好。對(duì)大型制冷機(jī)，若用經(jīng)濟(jì)性高的工業(yè)汽輪機(jī)直接拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，節(jié)能效果更好。對(duì)有廢熱蒸氣的工業(yè)企業(yè)，可實(shí)現(xiàn)能量回收。—般要用增速齒輪傳動(dòng)，轉(zhuǎn)速較高，對(duì)軸端密封要求高，制造困難,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。小流量區(qū)域工作已發(fā)生喘振，需布置放喘振結(jié)構(gòu)。2023/2/487.1.1分類吸氣量為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。按使用場(chǎng)合分：冷水機(jī)組低溫機(jī)組按密封形式分：封閉式半封閉式開啟式P225表7-12023/2/497.1.2典型結(jié)構(gòu)及主要部件的作用原理離心式壓縮機(jī)使用于不同的制冷劑和蒸發(fā)溫度時(shí)，其缸數(shù)、段數(shù)(按中間冷卻器分段)和級(jí)數(shù)相差很大，總體結(jié)構(gòu)上也有差異，但組成部件不會(huì)改變，各部件的原理也相同。2023/2/4101．轉(zhuǎn)子組成可以轉(zhuǎn)動(dòng)的部件統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)子。葉輪是壓縮視中對(duì)氣體作功的惟一部件，它由輪盤、葉片和輪蓋所組成。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(kuò)壓流動(dòng)的作用．使氣體的壓力和速度在離開葉輪時(shí)都得到提高。主軸支持旋轉(zhuǎn)部件及傳遞轉(zhuǎn)矩平衡盤平衡轉(zhuǎn)子軸向力。

位于末級(jí)高壓端，外緣有密封裝置。2023/2/4112．固定元件組成吸氣室使氣體在進(jìn)入葉輪之前形成一個(gè)負(fù)壓，以便將氣體均勻地引入葉輪，以減少進(jìn)口損失。進(jìn)口導(dǎo)葉空調(diào)用壓縮機(jī)在葉輪之前裝有進(jìn)口導(dǎo)葉，若改變其角度即可改變進(jìn)入葉輪流量的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)制冷量的目的。擴(kuò)壓器無葉和有葉兩種。無葉擴(kuò)壓器是由兩側(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(kuò)壓器是在流道中裝有葉片，在同樣直徑下，流道面積增加更多，因而氣流速度減小更快，壓力增加更多。2023/2/412彎道和回流器

把從擴(kuò)壓器出口后的氣體引到下一級(jí)去繼續(xù)壓縮，彎道使氣體轉(zhuǎn)彎?；亓髌髦杏袑?dǎo)向葉片．使氣體均勻地引入到下一級(jí)葉輪人口。蝸室將從擴(kuò)壓器或葉輪后的氣體匯集起來并引向機(jī)外。蝸室的通道面積是逐漸增大的．其出口接一段擴(kuò)壓管，對(duì)氣體起到降速擴(kuò)壓作用。除上述外，壓縮機(jī)還有其它一些部件。如：減少氣體從葉輪出口倒流到葉輪入口的輪蓋密封；減少級(jí)間漏氣的軸套密封；開啟式機(jī)組還有軸端密封；減少軸向推力的平衡盤；承受轉(zhuǎn)子剩余軸向推力的推力軸承及徑向軸承等。為了使壓縮機(jī)持續(xù)、安全和高效地運(yùn)行，還設(shè)置一些輔助設(shè)備和系統(tǒng)，如增速器、聯(lián)軸器、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)及安全保護(hù)系統(tǒng)等。2023/2/413

依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體做功，以提高氣體的壓力，葉輪進(jìn)口處形成低壓，氣體由吸氣管不斷吸入，蝸殼處形成高壓，最后引出壓縮機(jī)外，完成吸氣—壓縮—排氣過程。

離心式壓縮機(jī)的工作原理

A）單級(jí)壓縮機(jī)

2023/2/414B）多級(jí)壓縮機(jī)下一級(jí)

對(duì)于多級(jí)離心式制冷壓縮機(jī)，則利用彎道和回流器再將氣體引入下一級(jí)葉輪進(jìn)行壓縮。葉輪0-0——2-2擴(kuò)壓器

3-3——4-4彎道

4-4——5-5回流器

5-5——6-6吸氣室in-in——0-02023/2/4157.2.1速度三角形氣體相對(duì)流道w葉輪相對(duì)地面u氣體相對(duì)地面c2023/2/4167-2離心式制冷壓縮機(jī)的基本理論p228葉輪入口葉輪出口Cu:切線分量，代表壓力大小Cr:徑向分量，代表流量大小ucw葉輪氣體連續(xù)方程氣體流經(jīng)壓縮機(jī)任意截面的質(zhì)量流量相等。葉輪出口的連續(xù)方程：

流量系數(shù)

葉片出口阻塞系數(shù)歐拉方程動(dòng)量矩定律，參見流體力學(xué)、泵與風(fēng)機(jī)。

1kg氣體流經(jīng)葉片獲得的理論功，J/kg

2023/2/4177.2.2氣體流動(dòng)的基本方程歐拉方程應(yīng)用余弦定律：

2023/2/418提高氣體靜壓，克服阻力損失。（圓周速度增加與相對(duì)速度減小）氣體增加的速度能能量方程葉輪對(duì)氣體所作的功轉(zhuǎn)化為氣體的焓能與動(dòng)能增量。伯努利方程

2023/2/4191kg氣體在葉輪中獲得的總功，J/kg級(jí)內(nèi)氣體的流動(dòng)損失，J/kg伯努利方程建立了氣體壓力、速度、能量損失間的關(guān)系，適用于離心壓縮機(jī)的級(jí)或整機(jī)的任意流通部件。對(duì)于擴(kuò)壓器

2023/2/420動(dòng)能減少使靜壓提高壓縮過程與壓縮功等熵壓縮多變壓縮

2023/2/421（7-12）（7-15）2023/2/4227.2.4級(jí)內(nèi)氣體流動(dòng)的能量損失內(nèi)部損失：即流動(dòng)損失。摩擦損失分離損失二次流損失尾跡損失外部損失：泄漏損失輪阻損失p232以下主要討論內(nèi)部損失。損失2023/2/423（1）摩擦損失：流體具有粘性所產(chǎn)生的損失2023/2/424（2）分離損失主要由擴(kuò)壓和沖擊引起的分離而產(chǎn)生。擴(kuò)壓：氣體流過壓縮機(jī)流道時(shí)除吸氣室外，其它元件主要是擴(kuò)壓過程。如果擴(kuò)壓度過大，通道面積突然變化，通道急轉(zhuǎn)彎等，則在邊界層引起氣體分離．產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致較大的分離損失。用擴(kuò)壓角限制葉道的擴(kuò)壓度。hsep2023/2/425（2）分離損失主要由擴(kuò)壓和沖擊引起的分離而產(chǎn)生。hsep沖擊：沖擊引起的分離損失是在工況改變時(shí)出現(xiàn)的。當(dāng)壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，葉輪進(jìn)口處的相對(duì)速度是沿著葉片進(jìn)口處的切線方向流動(dòng)的；當(dāng)流量增加或減少時(shí)，相對(duì)速度就與葉片進(jìn)口處切線方向不一致而產(chǎn)生分離損失，特別在流量減少到一定程度時(shí)．分離占據(jù)了整個(gè)通道而出現(xiàn)“喘振”現(xiàn)象。

i＝o時(shí)，僅在葉片出口的非工作面引起很小的分離

i＞o時(shí)，在葉片非工作面引起較強(qiáng)的分離，且有擴(kuò)大趨勢(shì)。當(dāng)流量小到一定程度時(shí)，會(huì)使整個(gè)通道引起分離，出現(xiàn)喘振。

i＜o(jì)時(shí)，主要在葉片的工作面上引起分離，但在葉輪旋轉(zhuǎn)中這個(gè)分離區(qū)會(huì)逐漸變小沖擊損失i＞oi＜o(jì)β1Ai=o參見p234圖7-10速度三角形（3）二次流損失二次流損失即垂直于氣流流動(dòng)方向的截面上，由于工作面的壓力大于非工作面的壓力，工作面氣流流向非工作面．因此產(chǎn)生渦流而引起損失。它隨著葉輪中壓力比的增加而增加。非工作面工作面工作面均值流道內(nèi)部面（4）尾跡損失

尾跡混和損失是氣體由葉輪出口進(jìn)入擴(kuò)壓器或蝸室的流道面積突然擴(kuò)大以及氣流由均勻到不均勻而引起的損失。減小尾跡損失措施：非工作面出口邊緣削薄葉片、翼型葉片葉片圖翼型上的邊界層III外部勢(shì)流II尾部流區(qū)域I邊界層邊界層外邊界邊界層外邊界分離點(diǎn)：通常把物面上開始出現(xiàn)流動(dòng)方向改變的Ｓ點(diǎn)（即壁面上速度梯度為零的點(diǎn)）稱為分離點(diǎn)或脫體點(diǎn)。Ｓ點(diǎn)以后的漩渦區(qū)又稱為分離區(qū)。分離區(qū)將嚴(yán)重影響外流區(qū)的邊界，這時(shí)已不能認(rèn)為粘性起作用的區(qū)域只是限制在固體物面附近的一層很薄的流體中，邊界層理論不再適用。

順壓力梯度和零壓力梯度的條件下，不可能出現(xiàn)邊界層分離，邊界層分離只可能在逆壓力梯度的條件下發(fā)生。2023/2/4317.2.5級(jí)效率1.多變效率（p235）

是指由壓力p1增加到壓力p2所需的多變壓縮功與實(shí)際所耗總功之比2.等熵效率是指由壓力p1增加到壓力p2時(shí)，等熵壓縮功與實(shí)際所耗總功之比單級(jí)離心制冷壓縮機(jī)：2023/2/4323.流動(dòng)效率

級(jí)的多變壓縮功與葉輪傳遞給氣體的理論功之比2023/2/4337-3葉輪（自學(xué)7.3.2氣體流動(dòng)；7.3.3結(jié)構(gòu)）1.葉輪形式閉式：減少漏氣損失半開式：用于單級(jí)壓力較大的場(chǎng)合開式:圖7-14葉輪加工比較復(fù)雜，精度要求高。當(dāng)使用氟利昂制冷劑時(shí)，通常用鑄鋁葉輪，可降低加工要求。(單級(jí)壓比大)

2023/2/434半開式葉輪

2023/2/435增速器

閉式葉輪

2023/2/4362.葉片形式前向式：效率低、靜壓小，但輪徑和外形可做得較小后向式：效率高、靜壓大、噪音低徑向:前向：出口速度大，損失大葉道短，易發(fā)生分離速度分布不均勻制冷壓縮機(jī)一般為后向式或徑向式2023/2/4372023/2/438輪阻損失：葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪輪盤、輪蓋的外側(cè)面和輪緣與周圍其他摩擦產(chǎn)生的損失泄漏損失葉輪出口壓力大于進(jìn)口壓力，氣體經(jīng)由葉輪與輪蓋外側(cè)間隙中流出，又隨進(jìn)氣流一起流動(dòng)

由葉輪外側(cè)面與隔板的間隙、隔板與軸套的間隙流回壓縮機(jī)內(nèi)參與循環(huán)高壓氣體從軸端泄漏

2023/2/4397.3.3輪阻損失、漏氣損失密封迷宮密封（梳齒密封）2023/2/440p2412023/2/441密封

2023/2/4422023/2/4432023/2/444進(jìn)口導(dǎo)流葉片

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(shí)，改變了進(jìn)入葉輪的氣流流動(dòng)方向和氣體流量的大小。2023/2/4457-4固定元件吸氣室：將氣體從蒸發(fā)器中引導(dǎo)到葉輪進(jìn)口擴(kuò)壓器：動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能彎道和回流器：

引導(dǎo)氣體均勻進(jìn)入下一級(jí)葉輪進(jìn)口蝸室：搜集擴(kuò)壓器或葉輪后的氣體，并引入到壓縮機(jī)后的冷凝器2023/2/446吸氣室

其作用是將從蒸發(fā)器或級(jí)間冷卻器來的氣體，均勻地引導(dǎo)至葉輪的進(jìn)口；為減少氣流的擾動(dòng)和分離損失，吸氣室沿氣體流動(dòng)方向的截面一般做成漸縮形。

無葉擴(kuò)壓缺點(diǎn)：氣體流動(dòng)路程長(zhǎng)，摩擦損失大。設(shè)計(jì)工況下較有葉擴(kuò)壓效率低。方向角小時(shí)效率降低更明顯。2023/2/447擴(kuò)壓器（p244圖7-25，7-26，7-27）將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿墓潭ú考?，氣體流過擴(kuò)壓器時(shí)，速度逐漸降低，壓力逐漸升高。無葉擴(kuò)壓：兩個(gè)平壁構(gòu)成的環(huán)形通道。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，穩(wěn)定工況范圍寬，不易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速或喘振氣體流動(dòng)方向角2023/2/448有葉擴(kuò)壓：環(huán)形通道中沿圓周安裝均勻分布的葉片。迫使氣流沿著葉片的方向運(yùn)動(dòng)。氣體流動(dòng)方向角α總是逐漸增大。缺點(diǎn)：變工況時(shí)損失較大，效率降低很多。沖角增值一定程度后，較易發(fā)生強(qiáng)烈的流動(dòng)分離現(xiàn)象，導(dǎo)致喘振。優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)壓程度大、尺寸小。設(shè)計(jì)工況下?lián)p失較無葉擴(kuò)壓小，流道長(zhǎng)度短，流動(dòng)損失小，效率較高。

α較小時(shí)效果明顯，較無葉擴(kuò)壓效率高3%-5%。2023/2/449新型擴(kuò)壓器兼有有葉擴(kuò)壓與無葉擴(kuò)壓的優(yōu)點(diǎn)。措施：減小擴(kuò)壓器葉片徑向長(zhǎng)度、高度適用于變流量均勻軸向氣體流動(dòng)2023/2/450彎道和回流器（p247圖7-30）

彎道和回流器是為了把由擴(kuò)壓器流出的氣體均勻引導(dǎo)至下一級(jí)葉輪?；亓髌髦性O(shè)有葉片。2023/2/451蝸殼（p248圖7-31，7-32）

a)蝸殼前為擴(kuò)壓器b)蝸殼前為葉輪c)不對(duì)稱內(nèi)蝸殼

蝸殼的作用是把從擴(kuò)壓器或葉輪中（沒有擴(kuò)壓器時(shí)）流出的氣體匯集起來，排至冷凝器或中間冷卻器。圖7-32圖7-312023/2/4527-5相似理論（略，不講，自學(xué)）同流體力學(xué)、泵與風(fēng)機(jī)幾何相似、流動(dòng)相似模塊化相似條件：幾何形狀相似進(jìn)口速度三角形相似馬赫數(shù)相等氣體等熵指數(shù)相等相似?；O(shè)計(jì)與性能換算P252例題7-12023/2/4537-6特性曲線與運(yùn)行調(diào)節(jié)7.6.1離心式制冷壓縮機(jī)的性能曲線比軸功率每kW制冷量的等熵功率p20相對(duì)制冷量2023/2/4547.6.2壓縮機(jī)與換熱器的聯(lián)合工作離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行是和管網(wǎng)阻力聯(lián)系在一起的，管網(wǎng)主要是指冷凝器和蒸發(fā)器。只有和這些換熱器的性能曲線相配合，壓縮機(jī)才能得到運(yùn)行的性能曲線。平衡工作點(diǎn)的確定（a,a’,a’’）壓縮機(jī)性能曲線冷凝器性能曲線壓縮機(jī)出口溫度曲線2023/2/4557.6.3旋轉(zhuǎn)失速和喘振評(píng)價(jià)一臺(tái)壓縮機(jī)性能好壞．除了滿足制冷機(jī)所需壓力比(溫差)、效率和制冷量的關(guān)系之外，還應(yīng)了解壓縮機(jī)運(yùn)行范圍的寬窄。冷凝溫度曲線上，點(diǎn)K為壓縮機(jī)運(yùn)行的最小流量處，稱為“喘振”工況點(diǎn)，而點(diǎn)M為壓縮機(jī)運(yùn)行的最大流量處，稱為“堵塞”工況點(diǎn)。喘振與堵塞工況之間的區(qū)域稱為壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)。這個(gè)范圍的大小用最大和最小制冷量的比值來表示。Ko＝Q。max／Q。min2023/2/456喘振現(xiàn)象i<0i>0i=02023/2/457喘振的征狀與產(chǎn)生原因喘振征狀：壓縮機(jī)出口外的制冷劑倒流回葉輪，出現(xiàn)周期性的來回脈動(dòng)氣流，約瑟夫轉(zhuǎn)子出現(xiàn)大的振動(dòng)，電動(dòng)機(jī)電流脈動(dòng)加劇，氣壓表也變化無常。原因：冷凝壓力過高或吸氣壓力過低，流量減少到臨界值，在葉輪工作面上發(fā)生強(qiáng)烈的氣體分離，損失大大增加，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力不足以克服損失，壓力大大降低，但葉輪后的背壓仍存在，造成氣體逆向流動(dòng)。倒流到進(jìn)口處的氣體又與葉輪進(jìn)口吸入的氣體混合，增大了流量，又可以壓送氣體，但是倒流葉輪中又發(fā)生分離，如此周而復(fù)始。2023/2/458喘振的預(yù)防保持冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的穩(wěn)定?？深A(yù)防喘振發(fā)生。但當(dāng)制冷能力調(diào)節(jié)得過小時(shí)，也會(huì)發(fā)生喘振。此時(shí)應(yīng)進(jìn)行保護(hù)性的反喘振調(diào)節(jié)。如旁通調(diào)節(jié)，從出口引出部分制冷劑，不經(jīng)冷凝旁通到吸氣管，既減少了進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，又不致使壓縮機(jī)排氣量過小，可防止喘振發(fā)生。