第三章 离心式压缩机

2. 压缩机的喘振与堵塞
a)压缩机的喘振机理（旋转脱离及压缩机的喘振） b)喘振的危害 Pc下降，效率下降、噪音、振动增加，轴承破坏，转子与 固定件碰撞。 c)防喘振的措施：
1) 2) 3) 4)
标注喘振线的性能曲线，随时了解工作点位置
降低转速，使喘振发生流量点下降
设置调节导叶机构（特别是首级，改变进气冲角） 出口旁设置旁通管道，让多余气体放空或降压后回 进口 进（温度、流量）出（压力）口安置监视仪表 运行操作人员了解压缩机工作原理，注意机器所在 工况位置，使机器不致进入喘振状态
3 压缩机与管网联合工作
压缩机前面或后面气体所经过的设备和管道的总称。 化工用的压缩机往往前后均有管道和容器设备等。管 网在前为抽气机、吸气机，管网在后为压缩机。
（1）管网特性曲线
气体在管网中流动时，需要足够的压力用来克 服沿程阻力和各种局部阻力。 每一种管网都有自己的特性曲线，亦称管网阻 力曲线，即p=f（qv ）曲线。管网特性曲线决定于 管网本身的结构和用户的要求。
第三章 离心式压缩机
3.1 离心式压缩机的典型结构和工作原理
3.2 性能、调节与控制
3.3 安全可靠性
3.4. 选型
3.1
离心式压缩机的典型结构和工作原理
3.1.1 离心压缩机的典型结构与特点
• 发展概况
• 工作原理
• 工作过程与典型结构
• 级的结构与关键截面
• 离心压缩机的特点
• 适用范围
发展概况
3.2.2 压缩机的调节方法及其特点
压缩机与管网联合工作时，应尽量运行 在最高效率工况点附近。在实际运行中，为 满足用户对输送气流的流量或压力增减的需 要，就必须设法改变压缩机的运行工况点。 1.出口节流调节 调节压缩机出口管道中的节流阀门开度 是一种最简单的调节方法。
它的特点是：
a，不改变压缩机的特性曲线，仅随阀门开度 的不同而改变管网阻力特性曲线，从而改变压 缩机的工况点。 b，减小阀门开度，可减小流量，反之亦然。
工作原理
一般说，提高气体压力的主要目标就是增加单位 容积内气体分子的数量，也就是缩短气体分子与 分子间的距离。为达到这个目标，除了采用挤压 元件来挤压气体的容积式压缩机以外，还有一种 用气体动力学的方法，即利用机器的做功元件 （高速回转的叶轮）对气体作功，使气体在离心 场中压力得到提高，同时动能也大为增加，随后 在扩张流道中流动时，这部分动能又转变成静压 能，使气体压力进一步提高，这就是离心式压缩 机的工作原理或增压原理。
5) 6)
防喘振设计
d) 压缩机的堵塞工况
Q增加，气流产生负冲角，叶片工作面上气流分离， 当Q大大增加，叶轮做功全部成为能量损失，速度甚 至达到音速，这是压缩机达到堵塞工况，压力、 流量不再增加。 e) 性能曲线的变化规律
由制造厂商提供的离心式压缩机的性能曲线图上一般都注明 该压缩机的设计条件，例如气体介质名称、密度（或分子 量）、进气压力及进气温度等。因为如果运转时的气体介质、 进气条件与设计条件不符，那么压缩机的运转性能就有别于 所提供的性能曲线图。以如图形式表示的性能曲线与气体的 性质和进气状态密切相关。如图所示，如果进气温度T1不变， 在相同容积流量Qi下，压缩重的气体所得到的压力比较大， 反之，压缩轻的气体所得的压力比较小。同样，假设压缩机 是同一种气体介质，但进气温度T1不同，进气温度较高的气 体，其 性能曲线在下 方，进气温度 较低的气体的 性能曲线在上 方。
5.改变转速调节 如原动机可改变转速，则用调节转速的方法 可改变压缩机性能曲线的位置。 如图。图(a)为用户要求压力pr 不变而流量增 大为qms’ 或减小为qms’’ ，调节转速到n’ 或n’’ ，使 性能曲线移动即可满足要求。图(b)为用户要求流 量不变而压力升高到p’r 或降低为p’’r ，调节转速 到ns’ 或ns’’ 的情况。 转速调节其压力和流量的变化都较大，从而 可显著扩大稳定工况区，且并不引起其他附加损 失，亦不附加其他结构，因而它是一种经济简便 的方法。 切割叶轮有与之相同的性能曲线，但切割后性能 无法再提高。
（2）压缩机与管网联合工作
离心压缩机的工作点： 管网为一带有阀门的排气管道。将压缩机的特性曲线 2和在阀门某一开度下的管网阻力曲线1画于同一上， 这时两条曲线交于M点，即工作点。 若阀门开度减小时流量减小为qmMa ，管网曲 线变为1a，压缩机工作点沿性能曲线2移至Ma ，则 两者在交点 Ma平衡地工作。 若阀门开度增大，流量增加，则两者在交点 Mb 平衡地工作。 这就是用调节管网中阀门开度的办法来实现压 缩机的变工况运行，以适应管网的需要。
工作过程与典型结构
工作过程： 驱动机带动叶轮高速旋转，叶轮入口产生低 压，将气体从吸入室吸入，经叶轮后压力、 温度、速度增加，然后流入扩压器扩压， 经弯道和回流器回到第二级入口继续压缩。 为了降低温度与减少功耗，采用中间冷却 器冷却。 主要零部件如图
级的结构与关键截面
例2 性能变化造成的喘振情况
某压缩机原在图中A点正 常运转，后来由于某种原 因，进气管被异物堵塞而 出现了喘振。分析其原因 就是因为进气管被堵，压 缩机进气压力从Pj下降为 Pj’，使机器性能曲线下 降到1’线，管网性能曲线 无变化，于是工作点变到 A’点，落入喘振限所致。
例3 性能变化造成的喘振情况
a) 为中间级，由叶轮（1）、扩压器（2）、
弯道（3）、回流器（4）组成。 b) 为首级，由吸气管和中间级组成。 c) 为末级，由叶轮（1）、扩压器（2）、 排气蜗室（5）组成
1
Байду номын сангаас
2
离心叶轮的典型结构： 叶轮有轮盖、叶片、轮盘组成 闭式叶轮：漏气少、效率高、性能好、轮盖强度影响u2 半开式 效率低、强度高、u2大作功大、单级压力高 双面进气 流量大、轴向力小 按弯曲形式、出口角分 后弯叶轮 效率高、工作范围大、常用 径向叶轮 介于两者间 前弯叶轮 效率小、工作范围小、常用于通风机
若气流参数产生某种小扰动，使流量瞬 间有所增加，即由原来的qv 增大到qv1，则压 缩机工况点移至A1 点，而管网工况点移至B1 点。这时压缩机所产生的压力pA1小于管网压 力pB1，由于△p ＝pB1 －pA1的作用，系统中 的流量将有减少的趋势，致使qv1又回到原来 的qv ，即又回复到原来的平衡工况点A的位 置了。 以上情况表明，压缩机与管网系统的平 衡是稳定的。
某压缩机原在转速为n 下正常运转，工况点 为A点（见图）。后 因生产中高压蒸汽供 应不足，作为驱动机 的蒸汽轮机的转速下 降到n2，这时压缩机 的工作点A’落到喘振 区，因此产生了喘振。
4 压缩机的串联与并联
压缩机串联工作可增大气流的排出压力， 压缩机并联工作可增大气流的输送流量。 但在两台压缩机串联或并联工作时，两台 压缩机的特性和管网特性在相互匹配中有可能 出现不能很好协调工作的情况，例如使总的性 能曲线变陡，变工况时某台压缩机实际上没有 起作用，却白白耗功，或者某台压缩机发生喘 振等。 故压缩机并联不宜用于管网阻力极大的系 统（图） 。所以，若要使压缩机串联或并联 工作，需对其匹配作具体的了解与分析，以防 使用不当出现问题。
扩压器典型结构 扩压器作用：升压、降速 无叶扩压器：结构简单、效率高、工作范围大，D4大 叶片扩压器：D4小、效率高、结构复杂、工作范围小 弯道作用：将气体引入回流器 蜗壳作用：升压、降速
离心式压缩机的特点
1）流量大；(连续、截面大、转速大) 2）转速高；(无惯性力、往复件） 3）结构紧凑；（重量小、占地面积小） 4）运转可靠，维修费低；（1~3年不停、无备机） 5）单级压力比不高；（P2>70MPa需用活塞式) 6）不适用小流量。（转速高、流通截面大 ） 7）效率低（能量损失大） 8）稳定工况区窄，不适宜工况变化大，故障破坏性 大。
1.性能曲线、最佳工况点与稳定工作范围
性能曲线亦称特性曲线
（1）增压比曲线（ε-qvin)，选压缩机、定工况点、能量核算
（2）效率曲线（η -qvin)，是经济指标、参数计算的原始数据 （3）轴功率曲线（N-qvin)，决定原动机功率。
qvin是出口截面测得的流量换算到进口P、T下的qv
通常将曲线上效率最高点称为最佳工况点。 稳定工况范围： 压缩机左边受喘振工况限制，右边受堵塞工况限制，两个 工况之间为稳定工作范围
为使压缩机进口流场均匀，要求阀门与压缩 机进口之间设有足够长的平直管道。进气节流是 一种广泛采用的调节方法。 3.采用可转动的进口导叶调节（又称进气预旋调节） 在叶轮之前设置进口导叶并用专门机构，使 各个叶片绕自身的轴转动，从而改变导向叶片的 角度，可使叶轮进口气流产生预旋c1u≠0。 总体来说，进气预旋调节比进口出口节流调 节的经济性好，但可转动导叶的机构比较复杂。 故在离心压缩机中实际采用得不多，而在轴流压 缩机中采用得较多。
适用范围
化工及石油化工工艺用 动力工程用
制冷工程和气体分离用
气体输送用
Use in process industries
3.2 性能、调节与控制
3.2.1离心式压缩机的性能 3.2.2压缩机的调节方法及其特点
3.2.3 附属系统
3.2.4 压缩机的控制
3.2.1 离心式压缩机的性能
离心压缩机是透平式压缩机的一种，具有处理 量大，体积小，结构简单，运转平稳，维修方 便以及气体不受污染等特点。随着气体动力学 研究的成就，使离心压缩机的效率不断提高， 又由于高压密封，小流量、窄叶轮的加工，多 油契轴承等关键技术的研制成功，解决了离心 压缩机向高压力、宽流量范围发展的一系列问 题，使离心压缩机的应用范围大为扩展，以致 于在许多场合可以取代往复活塞式压缩机。
c，阀门关小，使管网阻力增大，其压力损失
△p= Aq2v主要消耗在阀门引起的附加局部损失
上，因而使整个系统的效率有所下降，且压缩 机的性能曲线愈陡，效率下降愈多。
2.进口节流调节 调节压缩机进口管道中阀门开度是又一种简便 且可节省功率的调节方法。改变进气管道中的阀门 开度，可以改变压缩机性能曲线的位置，从而达到 改变输送气流的流量或压力。 由于进气节流可使压缩机进口的压力减小，相 应地进口密度减小，在输送相同质量流量的气体时， 因ρin小，其结果使功率N=ρinqvinHth(1+βl+βdf)有所 减少。 进气节流的另一优点是使压缩机的性能曲线向 小流量方向移动，因而能在更小流量下稳定地工作， 而不致发生喘振。缺点是节流阻力带来一定的压力 损失并使排气压力降低。
管网特性曲线有三种形式：
图a，管网阻力与流量大小无关，例如压缩机后面仅经 过很短的管道即进入容积很大的储气筒，此即为忽略沿程 压力，而局部阻力为定值的情况。 图b，可用p=Aq2v表示，大部分管网都属于这种形式，如 输气管道、流经塔器、热交换器等。 图c，上述两种形式的混合，其管网特性曲线表示为p=pr ＋Aq2v 。
如压缩机的转速固定，压缩机的工作点仅能 沿一条固定的性能曲线移动。压缩机的高效工作 范围仅在最高效率点附近如M点附近。如果用户 对经常使用的流量和管网阻力的计算有错误，由 此所选定的压缩机就不能在高效工作区工作。 （3）平衡工况的稳定性 在压缩机和管网系统中总存在各种小扰动因素， 如进气条件的变化、转速的波动、管网阻力的变化 等等，它使平衡工况点离开原来的位置。如果小扰 动过去后，工况仍回到原来的平衡工况点，则工况 是稳定的；否则就是不稳定的。这就需要自动调节 来维持在某一工况点下的工作。
平衡工况的实例
例题1 性能变化造成的喘振情况
某压缩机原来进气温度为30 度，工作点在A点（见图）， 因生产中冷却器出现了故障， 使气温急剧增到70度，这时 压缩机突然出现了喘振，究 其原因，就是因为进气温度 升高，使压缩机的性能曲线 下降，由线1下降为1’，而 管网性能曲线未变，压缩机 的工作点变到A’,此点如果落 在喘振限上，就会出现喘振。
4.采用可转动的扩压器叶片调节 具有叶片扩压器的离心压缩机，其性能曲 线较陡，且当流量减小时，往往首先在叶片扩 压器出现严重分离导致喘振。但如果能改变扩 压器叶片的进口角α3A以适应来流角α3，则可避 免上述缺点，从而扩大稳定工况的范围。 这种调节方式能很好的满足流量调节的要 求，但改变出口压力的作用很小。这种调节机 构相当复杂因而较少采用。