第七章离心式制冷压缩机

2023/2/41第七章离心式制冷压缩机压缩机分类特灵开利约克谷轮大金日立三菱丹佛斯比泽尔合计容积式压缩机positivedisplacementcompressor369210223135426681850821076422往复式压缩机reciprocatingcompressor71574115431192276回旋式压缩机rotarycompressor2219437568414811460滚子式压缩机roller-typecompressor234298306854729涡旋式压缩机scrollcompressor1521171365743106949682501螺杆式压缩机screwcompressor53010119850470236856叶片式压缩机vane-typecompressor54115390176591斜盘型压缩机Swashplatetypecompressor90191离心式压缩机centrifugal/turbo/turbinecompressor10171524839626091758全封闭压缩机hermeticcompressor4235114916246435闭式压缩机Closedcompressor2747124706371328合计82206354712881668045882822222023/2/422023/2/432023/2/442023/2/452023/2/46离心式制冷压缩机特点及应用场合7-1概述p225离心式制冷压缩机是速度型压缩机,靠高速旋转的叶轮对气体做功，以提高气体的压力。在叶轮中获得高速，再在环行通道(即扩压器和蜗室2)将速度动能变为压力位能，从而提高气体的压力。气体每经过一级叶轮和扩压器所能升高的压力是有限的．当压力比大时，需采用多级压缩。分子最大的制冷剂(如氟利昂)．气体常数R和等墒指数k值小，能达到较高的单级压力比，可采用较低的叶轮圆周速度和铸铝合金的叶轮。对于分子量小的制冷剂(如氨)，因其R和k值大，故单级压力比较小，通常采用钢叶轮。图7-12023/2/47特点外形尺寸小，质量轻，占地面积小。(在相同制冷量时)运转时剩余惯性力小，振动小，基础简单。磨损零件少，连续运转周期长，维修费用低，使用寿命长。容易实现多级压缩和多种蒸发温度，在用中间抽气时压缩机能得到较好的中间冷却，减少功耗。在工作的制冷剂中混入的润滑油极少.压缩机运行自动化程度高，制冷量自动调节，节能效果较好。对大型制冷机，若用经济性高的工业汽轮机直接拖动，实现变转速调节，节能效果更好。对有废热蒸气的工业企业，可实现能量回收。—般要用增速齿轮传动，转速较高，对轴端密封要求高，制造困难,结构复杂。小流量区域工作已发生喘振，需布置放喘振结构。2023/2/487.1.1分类吸气量为0.0315m3/s转速为180090000r/min吸气温度通常在10100℃吸气压力为14700kPa排气压力小于2MPa压力比在230之间几乎所有制冷剂都可采用。按使用场合分：冷水机组低温机组按密封形式分：封闭式半封闭式开启式P225表7-12023/2/497.1.2典型结构及主要部件的作用原理离心式压缩机使用于不同的制冷剂和蒸发温度时，其缸数、段数(按中间冷却器分段)和级数相差很大，总体结构上也有差异，但组成部件不会改变，各部件的原理也相同。2023/2/4101．转子组成可以转动的部件统称为转子。叶轮是压缩视中对气体作功的惟一部件，它由轮盘、叶片和轮盖所组成。叶轮随主轴高速旋转后，气体受旋转离心力和流道中扩压流动的作用．使气体的压力和速度在离开叶轮时都得到提高。主轴支持旋转部件及传递转矩平衡盘平衡转子轴向力。

位于末级高压端，外缘有密封装置。2023/2/4112．固定元件组成吸气室使气体在进入叶轮之前形成一个负压，以便将气体均匀地引入叶轮，以减少进口损失。进口导叶空调用压缩机在叶轮之前装有进口导叶，若改变其角度即可改变进入叶轮流量的大小，达到调节制冷量的目的。扩压器无叶和有叶两种。无叶扩压器是由两侧隔板组成的环行通道，随着径向距离的增大，截面通道面积也随之增加，使从叶轮出口出来的高速气体速度逐渐减慢，压力得到提高；有叶扩压器是在流道中装有叶片，在同样直径下，流道面积增加更多，因而气流速度减小更快，压力增加更多。2023/2/412弯道和回流器

把从扩压器出口后的气体引到下一级去继续压缩，弯道使气体转弯。回流器中有导向叶片．使气体均匀地引入到下一级叶轮人口。蜗室将从扩压器或叶轮后的气体汇集起来并引向机外。蜗室的通道面积是逐渐增大的．其出口接一段扩压管，对气体起到降速扩压作用。除上述外，压缩机还有其它一些部件。如：减少气体从叶轮出口倒流到叶轮入口的轮盖密封；减少级间漏气的轴套密封；开启式机组还有轴端密封；减少轴向推力的平衡盘；承受转子剩余轴向推力的推力轴承及径向轴承等。为了使压缩机持续、安全和高效地运行，还设置一些辅助设备和系统，如增速器、联轴器、润滑系统、冷却系统、自动控制、监测及安全保护系统等。2023/2/413

依靠高速旋转的叶轮对气体做功，以提高气体的压力，叶轮进口处形成低压，气体由吸气管不断吸入，蜗壳处形成高压，最后引出压缩机外，完成吸气—压缩—排气过程。

离心式压缩机的工作原理

A）单级压缩机

2023/2/414B）多级压缩机下一级

对于多级离心式制冷压缩机，则利用弯道和回流器再将气体引入下一级叶轮进行压缩。叶轮0-0——2-2扩压器

3-3——4-4弯道

4-4——5-5回流器

5-5——6-6吸气室in-in——0-02023/2/4157.2.1速度三角形气体相对流道w叶轮相对地面u气体相对地面c2023/2/4167-2离心式制冷压缩机的基本理论p228叶轮入口叶轮出口Cu:切线分量，代表压力大小Cr:径向分量，代表流量大小ucw叶轮气体连续方程气体流经压缩机任意截面的质量流量相等。叶轮出口的连续方程：

流量系数

叶片出口阻塞系数欧拉方程动量矩定律，参见流体力学、泵与风机。

1kg气体流经叶片获得的理论功，J/kg

2023/2/4177.2.2气体流动的基本方程欧拉方程应用余弦定律：

2023/2/418提高气体静压，克服阻力损失。（圆周速度增加与相对速度减小）气体增加的速度能能量方程叶轮对气体所作的功转化为气体的焓能与动能增量。伯努利方程

2023/2/4191kg气体在叶轮中获得的总功，J/kg级内气体的流动损失，J/kg伯努利方程建立了气体压力、速度、能量损失间的关系，适用于离心压缩机的级或整机的任意流通部件。对于扩压器

2023/2/420动能减少使静压提高压缩过程与压缩功等熵压缩多变压缩

2023/2/421（7-12）（7-15）2023/2/4227.2.4级内气体流动的能量损失内部损失：即流动损失。摩擦损失分离损失二次流损失尾迹损失外部损失：泄漏损失轮阻损失p232以下主要讨论内部损失。损失2023/2/423（1）摩擦损失：流体具有粘性所产生的损失2023/2/424（2）分离损失主要由扩压和冲击引起的分离而产生。扩压：气体流过压缩机流道时除吸气室外，其它元件主要是扩压过程。如果扩压度过大，通道面积突然变化，通道急转弯等，则在边界层引起气体分离．产生旋涡，导致较大的分离损失。用扩压角限制叶道的扩压度。hsep2023/2/425（2）分离损失主要由扩压和冲击引起的分离而产生。hsep冲击：冲击引起的分离损失是在工况改变时出现的。当压缩机在设计工况运行时，叶轮进口处的相对速度是沿着叶片进口处的切线方向流动的；当流量增加或减少时，相对速度就与叶片进口处切线方向不一致而产生分离损失，特别在流量减少到一定程度时．分离占据了整个通道而出现“喘振”现象。

i＝o时，仅在叶片出口的非工作面引起很小的分离

i＞o时，在叶片非工作面引起较强的分离，且有扩大趋势。当流量小到一定程度时，会使整个通道引起分离，出现喘振。

i＜o时，主要在叶片的工作面上引起分离，但在叶轮旋转中这个分离区会逐渐变小冲击损失i＞oi＜oβ1Ai=o参见p234图7-10速度三角形（3）二次流损失二次流损失即垂直于气流流动方向的截面上，由于工作面的压力大于非工作面的压力，工作面气流流向非工作面．因此产生涡流而引起损失。它随着叶轮中压力比的增加而增加。非工作面工作面工作面均值流道内部面（4）尾迹损失

尾迹混和损失是气体由叶轮出口进入扩压器或蜗室的流道面积突然扩大以及气流由均匀到不均匀而引起的损失。减小尾迹损失措施：非工作面出口边缘削薄叶片、翼型叶片叶片图翼型上的边界层III外部势流II尾部流区域I边界层边界层外边界边界层外边界分离点：通常把物面上开始出现流动方向改变的Ｓ点（即壁面上速度梯度为零的点）称为分离点或脱体点。Ｓ点以后的漩涡区又称为分离区。分离区将严重影响外流区的边界，这时已不能认为粘性起作用的区域只是限制在固体物面附近的一层很薄的流体中，边界层理论不再适用。

顺压力梯度和零压力梯度的条件下，不可能出现边界层分离，边界层分离只可能在逆压力梯度的条件下发生。2023/2/4317.2.5级效率1.多变效率（p235）

是指由压力p1增加到压力p2所需的多变压缩功与实际所耗总功之比2.等熵效率是指由压力p1增加到压力p2时，等熵压缩功与实际所耗总功之比单级离心制冷压缩机：2023/2/4323.流动效率

级的多变压缩功与叶轮传递给气体的理论功之比2023/2/4337-3叶轮（自学7.3.2气体流动；7.3.3结构）1.叶轮形式闭式：减少漏气损失半开式：用于单级压力较大的场合开式:图7-14叶轮加工比较复杂，精度要求高。当使用氟利昂制冷剂时，通常用铸铝叶轮，可降低加工要求。(单级压比大)

2023/2/434半开式叶轮

2023/2/435增速器

闭式叶轮

2023/2/4362.叶片形式前向式：效率低、静压小，但轮径和外形可做得较小后向式：效率高、静压大、噪音低径向:前向：出口速度大，损失大叶道短，易发生分离速度分布不均匀制冷压缩机一般为后向式或径向式2023/2/4372023/2/438轮阻损失：叶轮旋转时，叶轮轮盘、轮盖的外侧面和轮缘与周围其他摩擦产生的损失泄漏损失叶轮出口压力大于进口压力，气体经由叶轮与轮盖外侧间隙中流出，又随进气流一起流动

由叶轮外侧面与隔板的间隙、隔板与轴套的间隙流回压缩机内参与循环高压气体从轴端泄漏

2023/2/4397.3.3轮阻损失、漏气损失密封迷宫密封（梳齿密封）2023/2/440p2412023/2/441密封

2023/2/4422023/2/4432023/2/444进口导流叶片

导流叶片可用来调节制冷量，当导流叶片旋转时，改变了进入叶轮的气流流动方向和气体流量的大小。2023/2/4457-4固定元件吸气室：将气体从蒸发器中引导到叶轮进口扩压器：动能转化为静压能弯道和回流器：

引导气体均匀进入下一级叶轮进口蜗室：搜集扩压器或叶轮后的气体，并引入到压缩机后的冷凝器2023/2/446吸气室

其作用是将从蒸发器或级间冷却器来的气体，均匀地引导至叶轮的进口；为减少气流的扰动和分离损失，吸气室沿气体流动方向的截面一般做成渐缩形。

无叶扩压缺点：气体流动路程长，摩擦损失大。设计工况下较有叶扩压效率低。方向角小时效率降低更明显。2023/2/447扩压器（p244图7-25，7-26，7-27）将气体动能转变为压力能的固定部件，气体流过扩压器时，速度逐渐降低，压力逐渐升高。无叶扩压：两个平壁构成的环形通道。结构简单、制造方便，稳定工况范围宽，不易产生旋转失速或喘振气体流动方向角2023/2/448有叶扩压：环形通道中沿圆周安装均匀分布的叶片。迫使气流沿着叶片的方向运动。气体流动方向角α总是逐渐增大。缺点：变工况时损失较大，效率降低很多。冲角增值一定程度后，较易发生强烈的流动分离现象，导致喘振。优点：扩压程度大、尺寸小。设计工况下损失较无叶扩压小，流道长度短，流动损失小，效率较高。

α较小时效果明显，较无叶扩压效率高3%-5%。2023/2/449新型扩压器兼有有叶扩压与无叶扩压的优点。措施：减小扩压器叶片径向长度、高度适用于变流量均匀轴向气体流动2023/2/450弯道和回流器（p247图7-30）

弯道和回流器是为了把由扩压器流出的气体均匀引导至下一级叶轮。回流器中设有叶片。2023/2/451蜗壳（p248图7-31，7-32）

a)蜗壳前为扩压器b)蜗壳前为叶轮c)不对称内蜗壳

蜗壳的作用是把从扩压器或叶轮中（没有扩压器时）流出的气体汇集起来，排至冷凝器或中间冷却器。图7-32图7-312023/2/4527-5相似理论（略，不讲，自学）同流体力学、泵与风机几何相似、流动相似模块化相似条件：几何形状相似进口速度三角形相似马赫数相等气体等熵指数相等相似模化设计与性能换算P252例题7-12023/2/4537-6特性曲线与运行调节7.6.1离心式制冷压缩机的性能曲线比轴功率每kW制冷量的等熵功率p20相对制冷量2023/2/4547.6.2压缩机与换热器的联合工作离心式压缩机的运行是和管网阻力联系在一起的，管网主要是指冷凝器和蒸发器。只有和这些换热器的性能曲线相配合，压缩机才能得到运行的性能曲线。平衡工作点的确定（a,a’,a’’）压缩机性能曲线冷凝器性能曲线压缩机出口温度曲线2023/2/4557.6.3旋转失速和喘振评价一台压缩机性能好坏．除了满足制冷机所需压力比(温差)、效率和制冷量的关系之外，还应了解压缩机运行范围的宽窄。冷凝温度曲线上，点K为压缩机运行的最小流量处，称为“喘振”工况点，而点M为压缩机运行的最大流量处，称为“堵塞”工况点。喘振与堵塞工况之间的区域称为压缩机的稳定工况区。这个范围的大小用最大和最小制冷量的比值来表示。Ko＝Q。max／Q。min2023/2/456喘振现象i<0i>0i=02023/2/457喘振的征状与产生原因喘振征状：压缩机出口外的制冷剂倒流回叶轮，出现周期性的来回脉动气流，约瑟夫转子出现大的振动，电动机电流脉动加剧，气压表也变化无常。原因：冷凝压力过高或吸气压力过低，流量减少到临界值，在叶轮工作面上发生强烈的气体分离，损失大大增加，叶轮旋转产生的压力不足以克服损失，压力大大降低，但叶轮后的背压仍存在，造成气体逆向流动。倒流到进口处的气体又与叶轮进口吸入的气体混合，增大了流量，又可以压送气体，但是倒流叶轮中又发生分离，如此周而复始。2023/2/458喘振的预防保持冷凝压力与蒸发压力的稳定。可预防喘振发生。但当制冷能力调节得过小时，也会发生喘振。此时应进行保护性的反喘振调节。如旁通调节，从出口引出部分制冷剂，不经冷凝旁通到吸气管，既减少了进入蒸发器的制冷剂流量，又不致使压缩机排气量过小，可防止喘振发生。