制冷壓縮機第六章2課件

第八章

離心式制冷壓縮機

第八章第八章

一、工作原理及特點

二、分類及結(jié)構(gòu)組成三、基本理論

四、特性及調(diào)節(jié)五、工作循環(huán)六、離心式制冷機組主要內(nèi)容制冷壓縮機分類和結(jié)構(gòu)第八章第八章工作原理

離心式制冷壓縮機是一種速度型壓縮機（屬于透平機械），依靠動能變化提高氣體壓力；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。葉輪擴壓室它由轉(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?；氣體在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪1中獲得高速度后，再在環(huán)行通道(即擴壓器和蝸室2)將速度動能變?yōu)閴毫ξ荒?，從而提高氣體的壓力。與風(fēng)機的區(qū)別與聯(lián)系?第八章第八章

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。第八章

壓縮機工作時，從蒸發(fā)器來的制冷劑蒸氣先進入第一級葉輪入口前的流道—吸入室，然后進入葉輪，氣體在葉片作用下，一邊跟著葉輪高速旋轉(zhuǎn)，一邊由于受離心力作用，在葉片槽道中作擴壓流動，使氣體的壓力和速度都得到提高；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；多級離心式壓縮機的工作過程多級離心式壓縮機的工作過程在多級壓縮機中，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；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。第八章第八章二、分類及結(jié)構(gòu)組成開啟式：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)。離心式制冷壓縮機的分類第八章多級離心式制冷壓縮機的結(jié)構(gòu)參考書上的圖8-2第八章吸氣室

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）。空調(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。主要零部件結(jié)構(gòu)葉輪(工作輪)分閉式、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。

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；半開式葉輪僅有葉片和輪盤，用于單級壓力較大場合；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。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。為什么?第八章第八章

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。密封

為防止輪蓋及隔板處的級間內(nèi)泄漏和軸外伸端及平衡盤處的外泄漏，常采用迷宮式密封和機械摩擦環(huán)式密封裝置。（如減少氣體從葉輪出口倒流到葉輪入口的輪蓋密封；減少級間漏氣的軸套密封；開啟式機組尚有軸端密封等）

主要零部件結(jié)構(gòu)（迷宮式密封工作原理：當(dāng)氣流通過梳齒狀密封片間隙時，氣流近似地經(jīng)歷了一個等熵膨脹過程，其壓力下降，流速增加；當(dāng)氣流進入兩個密封片之間的空腔時，由于截面積的突然擴大，形成劇烈的旋渦，速度幾乎完全損失，而壓力沒有變化；隨后氣流每流經(jīng)一個密封片的間隙和空腔時，壓力逐漸降低。若適當(dāng)配置若干個密封片數(shù)，就可使最后一個空腔內(nèi)的壓力與前一級的壓力(或大氣壓力)相等，從而可減少內(nèi)、外泄漏損失，起到密封的作用。）第八章平衡盤

減少軸向推力。（由于葉輪兩側(cè)壓力不相等，在轉(zhuǎn)子上受到一個指向葉輪進口方向的軸向推力。為減少止推軸承載荷，往往在末級之后設(shè)置一個平衡盤。因平衡盤左側(cè)為高壓，右側(cè)與進氣壓力相通，因而形成一個相反的軸向推力，減輕了止推軸承的負荷。）軸承

包括軸兩端支承用的滑動軸承，承受轉(zhuǎn)子剩余軸向推力的推力軸承等。第八章McQuay葉輪

150和1300冷噸壓縮機上的葉輪第八章第八章第八章第八章

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??；機組的運行自動化程度高，制冷量調(diào)節(jié)范圍廣，且可連續(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；離心式制冷壓縮機的特點離心式制冷壓縮機的特點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；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；通常工作轉(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。第八章第八章

葉輪對氣體作功，反映在氣體進、出口處流動速度的變化；

氣體在旋轉(zhuǎn)葉輪通道中流動時，對一個氣體質(zhì)點有三個運動：相對運動：氣體相對于葉道的流動，用相對速度w表示；牽連運動：葉輪相對于地面的運動，用圓周速度u表示；絕對運動：氣體質(zhì)點相對于地面的運動，用絕對速度c表示。葉輪進、出口速度三角形

三種速度以矢量相加，組成一個封閉三角形，稱氣體運動的速度三角形（圖8-7）；

把絕對速度c分解成兩個分速度：圓周分速度cu：其大小在一定程度上反映了壓力大小，單位為m/s；

徑向分速度cr

：。其大小在一定程度上反映了流量大小，單位為m/s。一般情況下，進口處為直角三角形，即c1u=0，c1r=c1第八章在壓縮過程中，除了用于提高靜壓消耗大部分有用功之外，同時還要克服各種損失。級中損失可分為內(nèi)損失與外損失兩大部分。離心式制冷壓縮機的損失

內(nèi)損失指該損失所轉(zhuǎn)化的熱量仍加給級中氣體，使氣體的溫度升高，消耗的壓縮功增加。內(nèi)損失有級內(nèi)流動損失、輪阻損失、輪蓋處漏氣損失、平衡盤及軸套密封中氣體漏回機內(nèi)的損失。

外損失指聯(lián)軸器、增速齒輪、軸承中的摩擦損失以及從軸端密封氣體漏至大氣部分的外泄漏損失，這些損失不影響壓縮功的大小，但增加了傳遞給主軸的功率。第八章

摩擦損失:氣體在通道中流動時與通道壁之間有摩擦,產(chǎn)生具有速度梯度的邊界層,出現(xiàn)的能量交換和損失

分離損失：

由擴壓和沖擊引起的分離而產(chǎn)生

擴壓引起的分離損失氣體流過壓縮機流道時除吸氣室外，其它元件主要是擴壓過程。如果擴壓度過大，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；

沖擊引起的分離損失沖擊引起的分離損失是在工況改變時出現(xiàn)的。當(dāng)壓縮機在設(shè)計工況運行時，葉輪進口處的相對速度時是沿著葉片進口處的切線方向流動的。當(dāng)流量增加或減少時，相對速度就與葉片進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，分離占據(jù)了整個通道而出現(xiàn)“喘振”現(xiàn)象。（圖8-9）內(nèi)損失—1.流動損失第八章第八章二次流損失和尾跡混合損失（圖8-10）二次流損失是在垂直于氣流流動方向的截面上，由于工作面的壓力大于非工作面的壓力，在邊界層中工作面氣流流向非工作面，因此產(chǎn)生渦流而引起的損失。尾跡混合損失是氣體由葉輪出口進入擴壓器或蝸室的流道面積突然擴大以及氣流由均勻到不均勻而引起的損失。2.漏氣損失3.輪阻損失4.級內(nèi)功耗的分配（圖8-13）第八章第八章性能曲線喘振工況點堵塞工況點穩(wěn)定工況區(qū)

K：壓縮機運行的最小流量處

M：壓縮機運行的最大流量處

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)。它的大小是壓縮機性能好壞的標志之一。第八章產(chǎn)生原因：由沖擊引起的分離現(xiàn)象而發(fā)生。由于冷凝壓力增加，使壓縮機的壓力比增加而處于小流量區(qū)時發(fā)生喘振。喘振與堵塞喘振

若壓縮機在設(shè)計工況A點下工作時，氣流方向和葉片流道方向一致，不出現(xiàn)邊界層分離，效率最高；流量減小時(工作點向A1移動)，氣流速度和方向均發(fā)生變化，為正沖角，氣流射向工作面，在非工作面上產(chǎn)生分離；當(dāng)流量減少到臨界值(A1點）時，分離現(xiàn)象擴展到整個流道，使損失大大增加，壓力大大降低，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。第八章喘振現(xiàn)象：喘振喘振發(fā)生后，葉輪在旋轉(zhuǎn)時不會使氣體壓力提高，但葉輪后的背壓仍存在，反而會使氣體逆向流動。（壓縮機產(chǎn)生的能量頭不足以克服冷凝壓力，致使氣流從冷凝器倒流）倒流到進口處的氣體與吸入氣體混合，流量增大，葉輪又可壓送氣體，但由于蒸發(fā)器來流較小，且固定不變，以致又產(chǎn)生分離，再次出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，如此周而復(fù)始。這種氣流來回倒流撞擊的現(xiàn)象稱為“喘振”。b,c,d為葉輪剖面第八章喘振危害：喘振

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。旁通的氣體也可以從冷凝器頂部流入。）第八章當(dāng)流量增大，直至壓縮機流道某個最小截面處的氣流速度達到音速時，流量不可能繼續(xù)增加，這時稱為堵塞流量（如圖8-35中的A2點以右）；或者雖未達到音速，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。聲速較小的氟利昂機組較易出現(xiàn)堵塞。堵塞第八章四、特性及調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度的影響

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)速的影響

由于離心式壓縮機產(chǎn)生的能量頭與轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此隨轉(zhuǎn)速的降低能量頭急劇下降，因而制冷量也將急劇下降。工況變動對離心式壓縮機性能的影響第八章第八章調(diào)節(jié)離心式制冷壓縮機制冷量的方法很多，如改變壓縮機轉(zhuǎn)速、進氣節(jié)流、進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)（改變?nèi)~輪前進口導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)角）、改變冷凝器的冷卻水量、吸氣旁通等。

所謂進氣節(jié)流調(diào)節(jié)，就是在壓縮機前的進氣管道上安裝一個調(diào)節(jié)閥，如要改變壓縮機的工況時，就調(diào)節(jié)閥門的大小，通過節(jié)流使壓縮機進口的壓力降低，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)制冷量。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，也改變了流量的大小，達到制冷量調(diào)節(jié)的目的。制冷量調(diào)節(jié)方法第八章第八章第八章五、工作循環(huán)離心式制冷機循環(huán)原理與活塞式制冷循環(huán)基本相同，即包括壓縮、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)；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)。離心式制冷機的工作循環(huán)第八章單級離心式制冷循環(huán)示意圖第八章空調(diào)用離心式制冷機組蒸發(fā)溫度在0～10℃范圍內(nèi)，大多采用單級和雙級離心式制冷壓縮機。通常將離心式壓縮機、冷凝器、浮球式節(jié)流閥和蒸發(fā)器四大部件組裝成機組；采用單級離心式壓縮機，冷凝器裝置在蒸發(fā)器上部，二者之間裝置浮球閥室。壓縮機、增速齒輪箱和電動機密封于一個機殼之中組成半封閉式，以油箱為底座。這樣布置節(jié)省連接管材料，減少管路中的阻力損失，使結(jié)構(gòu)緊湊；

輔助系統(tǒng)：潤滑系統(tǒng)、抽氣回收裝置、泵出系統(tǒng)、閃發(fā)柜等等。在制冷量較小的場合，如在DC-8航空飛機上用R12制冷劑的離心式制冷機，它在蒸發(fā)溫度為5℃，冷凝溫度為60℃的情況下，制冷量為50千瓦，主軸轉(zhuǎn)速為89500轉(zhuǎn)/分，用鋁合金葉輪，葉輪直徑只有49.8毫米，葉輪圓周速度為233米/分。另一臺用R114制冷劑，轉(zhuǎn)速為75000轉(zhuǎn)/分的制冷機，其制冷量為35千瓦。這兩臺均用尾氣渦輪驅(qū)動。空調(diào)不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且對提高工作人員勞動生產(chǎn)率也是一項重要措施。據(jù)統(tǒng)計，在夏天設(shè)置空調(diào)時，工廠提高工效一般達25-35%?？梢娍照{(diào)的意義很重大，而離心式制冷機又是空調(diào)中采用的主要機種。第八章第八章離心式制冷機組

第八章開發(fā)研制離心式壓縮機的難點、重點及對策

研制一臺離心壓縮機包括多方面的內(nèi)容：氣動熱力計算、強度與振動計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、各種材料的選擇、加工制造工藝設(shè)計、自動控制與調(diào)節(jié)設(shè)計、以及驅(qū)動型式選擇等。其中的離心式制冷壓縮機研究難重點主要有以下幾個方面：

第八章1.離心式制冷壓縮機葉輪的設(shè)計

轉(zhuǎn)子作為離心式制冷壓縮機的運動部件,其核心部分為葉輪.現(xiàn)在國內(nèi)外各大離心式制冷壓縮機廠家均采用三元流方法進行葉輪設(shè)計。三元流方法要求設(shè)計人員具備數(shù)值模擬、計算流體動力學(xué)、流體機械內(nèi)部流場理論等非常專業(yè)的知識。國內(nèi)公司技術(shù)人員大部分不具備這些專業(yè)知識,要設(shè)計高效的三元葉輪,只有和高?？蒲袡C構(gòu)合作.高校中離心式制冷壓縮機方面的專家主要有上海交大的谷傳綱教授、西安交大的王尚錦教授等。

第八章2.離心式制冷壓縮機葉輪的加工制作以三元流理論設(shè)計的葉輪葉片形狀一般為空間曲面,葉片及葉輪的加工成型是制造的重點,也是難點.對于三元葉輪，離心式制冷壓縮機常用的加工方法主要有兩種：

1)離心式制冷壓縮機三體焊形式：也就是說輪盤、葉片、輪蓋分別加工.這種加工方法對設(shè)備要求比較簡單，輪盤、輪蓋只需要車出外形就夠了.葉片加工要麻煩一些，首先要利用三坐標機床銑出葉片模具，然后將下好料的葉片進