离心式制冷压缩机

离心式制冷压缩机离心式制冷压缩机(centrifugal refrigeration compressor)是一种速度型的压缩机。

大型空气调节系统和石油化学工业对冷量的需求很大，离心式制冷压缩机正是适应这种需求而发展起来的。

与其他特别是活塞式制冷压缩机相比，因压缩气体的工作原理不同，它具有下列特点：1)无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单；2)无进排气阀、活塞，气缸等磨损部件，故障少、工作可靠、寿命长；3)机组单位制冷量的重量、体积及安装面积小；4)机组的运行自动化程度高，制冷量调节范围广，且可连续无级调节，经济方便；5)在多级压缩机中容易实现一机多种蒸发温度；6)润滑油与制冷剂基本上不接触，从而提高了冷凝器及蒸发器的传热性能；7)对大型离心式制冷压缩机，可由蒸气动力机或燃气动力机直接带动，能源使用经济，合理；8)单机容量不能太小，否则会使气流流道太窄，影响流动效率；9)因依靠速度能转化成压力能，速度又受到材料强度等因素的限制，故压缩机的一级压力比不大，在压力比较高时，需采用多级压缩；l0)通常工作转速较高，需通过增速齿轮来驱动；11)当冷凝压力太高或制冷负荷太低时，机器会发生喘振而不能正常工作；12)制冷量较小时，效率较低；综上所述，在蒸发温度不太低和冷量需求量很大时，选用离心式制冷压缩机是比较适宜的。

第一节工作原理与结构一、离心式制冷压缩机的工作原理离心式制冷压缩机的工作原理与容积式压缩机不同，它是依靠动能的变化来提高气体的压力的。

它由转子与定子等部分组成。

当带叶片的转子(即工作轮)转动时，叶片带动气体转动，把功传递给气体，使气体获得动能。

定子部分则包括扩压器、弯道、回流器、蜗壳等，它们是用来改变气流的运动方向以及把速度能转变为压力能的部件。

制冷剂蒸气由轴向吸入，沿半径方向甩出，故称离心式压缩机（centrifugal compressor）。

图4—1示出了气体通过叶轮和扩压器时压力和速度的变化。

这种变化与第一篇离心式泵与风机所述相同，这里不再重复。

二、总体及零部件结构离心式制冷压缩机可分为开启式和封闭式两大类型。

开启式的压缩机与原动机分开(增速齿轮可以与压缩机装在同一机壳内，也可以单独装在机外)，压缩机轴的外伸端装有机械密封，以防止制冷剂外泄或空气漏入。

封闭式则是将压缩机、增速齿轮、原动机用一个壳体连成一体，轴端不需要机械密封。

氟利昂离心式制冷压缩机为了减少制冷剂的泄漏，大多采用封闭式结构。

由于使用场合、工作条件(冷凝温度、蒸发温度)及采用制冷剂的不同，要求离心式压缩机产生的能量头也各有所异，因此，离心式制冷压缩机有单级和多级之分。

在空气调节系统中，由于蒸发温度(压力)较高，压缩比较小，一般都采用单级压缩，它的构造如图4—2所示。

当蒸发温度较低，压缩比较大时则采用多级压缩。

它由数个工作轮组成，每一个工作轮与相配合的固定元件组成一个“级”，级数越多、转速越高，所生的能量头也越大。

它的构造如图4—3所示。

蒸气的压力是逐级增加的，“级”是组成离心式压缩机基础。

中间级有叶轮、扩压器、弯道、回流器、级间密封等，如图4—4所示。

末级是由叶轮、扩压器和蜗壳组成，如图4-5所示。

压缩机工作时，从蒸发器来的制冷剂蒸气先进入第一级叶轮入口前的流道——吸入室，然后进入叶轮，气体在叶片的作用下，一边跟着叶轮高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，使气体的压力和速度都得到提高。

气体出叶轮后进入流道截面逐渐扩大的扩压器，速度减小，速度能转变为压力能，使气体的压力进一步提高。

在多级压缩机中，为了把气体引入下一级去继续增压，在扩压器后面设置了弯道和回流器。

回流器中一般都装有导流叶片，使气体均匀地沿轴向进入下一级工作轮。

对单级或多级的末级，不存在把气体引入下一级的问题，所以在扩压器的后面不再是弯道和回流器；而是将气体直接排入蜗壳，由于蜗壳外径和流通截面逐渐扩大，使气流进一步减速和扩压，最后从蜗壳出来的气体排至冷凝器。

为了进一步了解离心式制冷压缩机的结构，现对其主要零部件结构加以介绍。

1) 吸入室吸入室的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，以减少气流的扰动和分离损失。

它的结构比较简单，有轴向进气和径向进气两种。

通常空调用单级离心式制冷压缩机都采用轴向进气的结构，如图4-6(a)所示。

沿轴线的截面略有收缩，以减少分离损失并保证气体的均匀流动。

径向进气结构多采用于多级双支承压缩机中，如图4—6(b)所示。

为使气流转弯时流动均匀，往往在吸入室设置导流肋片。

2)进口导流器进口导流器安装在第一级进口前的机壳上。

它由一组彼此联动旋转的小叶片组成，叶片呈放射状分布，每一个叶片均有一个小圆锥齿轮与一个大锥形齿轮圈啮合，如图4-7所示。

可以通过伺服电动机自动控制大锥形齿轮圈的转动，也可用手动控制。

小圆锥齿轮则带动全部叶片转动，从而改变叶轮进口处的流通截面，达到输气量调节的目的。

3)叶轮(工作轮) 叶轮是一个最重要的部件，通过叶轮将能量传递给气体，使气体的速度及压力都得到提高。

叶轮一般由轮盘1、叶片2和轮盖3组成，称为闭式叶轮，如图4—8(b)所示。

如果仅有轮盘和叶片组成，称为半开式叶轮。

如图4-8(a)所示。

影响叶轮性能的主要因素是叶片的弯曲形状。

按叶片出口端弯曲方向的不同，可分为后弯、前弯及径向叶轮三种类型，如图4—9所示。

如弯曲方向与工作轮旋转方向一致(β2<90o)，称为后弯式；弯曲方向与工作轮旋转方向相反(β2>90o)，称为前弯式；叶片出口方向与工作轮半径方向一致(β2=90o)称为径向式。

由于后弯式叶片的级效率较高，因此被广泛采用。

叶轮是高速旋转的部件，要求材料具有足够的强度，一般用碳钢或合金钢制成。

氟利昂离心式压缩机的叶轮，一般采用高强度铝合金精密铸造而成。

为了减少振动，叶轮和轴必须经过动平衡试验，以达到规定的动平衡要求。

4)扩压器扩压器是固定部件中最重要的一个部件。

它的作用是将叶轮出口的高速气体的速度能转化为压力能。

扩压器通常是由两个和叶轮轴相垂直的平行壁面组成。

如果在两平行壁面之间不装叶片，称为无叶扩压器(图4—10a)；如果设置叶片，则称为叶片扩压器(图4—10b)。

扩压器内环形通道截面是逐渐扩大的，当气体流过时，违度逐渐降低，压力逐渐升高。

无叶扩压器结构简单，制造方便、由于流道内没有叶片阻挡，无冲击损失，故被广泛采用。

5)弯道和回流器在多级离心式制冷压缩机中，弯道回流器是为了把由扩压器流出的气体导至下一级叶轮。

气体在弯道和回流器的流动，可以认为压力和速度不变，仅改变气体的流动方向。

弯道的作用是将扩压器出口的气流引导至回流器进口，使气流的方向从离开轴心变为向轴心方向。

回流器则是把气流均匀地导向下一级叶轮的进口，为此，在回流器流道中设有叶片，使气体按叶片弯曲方向流动，沿轴向进入下一级工作轮。

6)蜗壳蜗壳的作用是把扩压器流出的气体汇集起来，集中排至冷凝器或级间冷却器。

蜗壳在径向面上的形状似蜗牛壳，外径和流通截面逐渐扩大，也起到使气流减速和扩压的作用，如图4—11(a)所示。

蜗壳的断面形状常用偏置圆形，如图4—11(b，c，d)所示。

7)密封凡是转动元件与固定元件之间均需要留有一定的间隙，若间隙两边压力不相等，则会产生泄漏。

为了防止轮盖及隔板处的级间内泄漏和轴外伸端及平衡盘处的外泄漏，在离心式制冷压缩机中往往采用迷宫式密封和机械摩擦环式密封装置、迷宫式密封的结构形式如图4—12所示。

迷宫式密封的工作原理是：当气流通过梳齿状密封片间隙时，气流近似地经历了一个等熵膨胀过程，其压力下降，流速增加；当气流进入两个密封片之间的空腔时，由于截面积的突然扩大，形成剧烈的旋涡，速度几乎完全损失，而压力没有变化；随后气流每流经一个密封片的间隙和空腔时，压力逐渐降低。

若适当配置若干个密封片数，就可使最后一个空腔内的压力与前一级的压力(或大气压力)相等，从而可减少内、外泄漏损失，起到密封的作用。

8)平衡盘由于叶轮两侧的压力不相等，在转子上受到一个指向叶轮进口方向的轴向椎力。

为了减少止推轴承的载荷，往往在末级之后设置一个平衡盘，如图4—13所示。

因平衡盘左侧为高压，右侧与进气压力相通，因而形成一个相反的轴向推力，减轻了止推轴承的负荷。

9)轴承离心式制冷压缩机中，在轴的两端装有支承用的滑动轴承，而轴向推力则由止推轴承来承担。

第二节特性及调节一、特性(1)工况变动时对性能的影响工况变动时，离心式制冷压缩机的性能也将发生变化，它与活塞式制冷压缩机有类似之处。

1)蒸发温度对性能的影响当转速和冷凝温度不变时，制冷量随蒸发温度的变化情况如图4—14(a)所示。

从图中可以看出，蒸发温度愈低，制冷量下降愈剧烈。

蒸发温度对性能的影响较大。

2)冷凝温度对性能的影响当转速和蒸发温度不变时，制冷量随玲凝温度变化时的情况如图4—14(b)所示。

从图中可以看出，当冷凝温度高于设计值时，离心式制冷压缩机的制冷量将急剧下降。

3)转速对性能的影响由于离心式压缩机产尘的能量头与转速的平方成正比，因此随转速的降低能量头急剧下降，因而制冷量也将急剧下降，如图4-14(c)所示。

(2)喘振与堵塞图4—15示出离心式制拎压缩机的特性曲线。

若压缩机在设计工况A点下工作时，气流方向和叶片流道方向一致，不出现边界层脱离现象，效率达最高值。

当流量减小时(工作点向At移动)，气流速度和方向均发生变化，使非工作面上出现脱离现象，当流量减少到临界值(A1)点时，脱离现象扩展到整个流道，使损失大大增加，压缩机产生的能量头不足以克服冷凝压力，致使气流从冷凝器倒流，倒流的气体与吸进来的气体混合，流量增大，叶轮又可压送气体。

但由于吸入气体量没有变化，流量仍然很小，故又将产生脱离，再次出现倒流现象，如此周而复始。

这种气流来回倒流撞击的现象称为“喘振”，它将使压缩机产生强烈的振动和噪声，严重时会损坏叶片甚至整个机组。

为了防止当压缩机工况发生变化或调节压缩机制冷量(减少负荷)时发生喘振现象，机组中可采取反喘振措施。

例如从压缩机出口旁通—部分气流直接进入压缩机的吸入口，加大它的吸入量，从而避免喘振现象的发生。

所谓堵塞．即流量已达最大值，如图4—15中的A2点，此时，压缩机流道中某个最小截面处的气流速度达到了音速，流量不可能继续增加。

从堵塞点(最大流量点)到喘振点(最小流量点)这一范围，称为离心式压缩机的稳定工作区。

它的大小也是压缩机性能好坏的标志之一。

二、调节离心式制冷压缩机制冷量的调节方法很多，如改变压缩机转速、进气节流、改变叶轮进口前可转导叶的转角、改变冷凝器的冷却水量、吸气旁通等。

其中，改变叶轮进口前可转导叶的转角的方法调节，经济性较好，调节范围较宽，方法又较简单，故被广泛采用。

它在叶轮进口前装有一组放射性可转动叶片，当改变它的角度时，就改变了进入叶轮气流的方向，致使叶轮产生的能量头发生变化，达到制冷量调节的目的。