离心式压缩机的两个特殊工况(2015.4.5培训)

离心式压缩机的两个特殊工况离心式压缩机流道的几何尺寸及结构是根据设计工况确定的。

当压缩机在设计工况下运行时，气体在流道中流动顺畅，与几何尺寸配合良好，气流方向和叶片的几何安装角相一致。

这时压缩机各级工作协调、整机效率高。

当压缩机偏离设计工况运行时，效率、压缩比都有变化。

当向大流量工况偏离时，效率、压缩比下降；当向小流量工况偏离时，效率下降在一定范围内压缩比生高。

若偏离程度不严重，仍能维持稳定工作。

一但工况变化较大，这时由于流道中气体流动情况恶化，将导致压缩机性能大大降低甚至不能正常工作。

喘振工况和阻塞工况就是在偏离达到极限时的两个特殊工况。

一、喘振工况
当离心式压缩机工作在设计点时，气流的进气角基本上等于叶轮叶片的进口几何安装角，气流顺利进入流道，不会出现附面层脱离。

当流量减小时，气流轴向速度减小，冲角增大，气流射向叶片的工作面，使非工作上出现脱离。

由于气气流在非工作面上是扩压流动，出现的脱离很容易扩张。

所以流量减少时，脱离发展明显。

当流量减小到某临界值时，脱离严重扩张，以至冲满流道的相当大部分区域，使损失大大增加，破坏了正常流动。

在叶片扩压器中的流动情况与叶轮中的类似。

流量下降，冲角增大。

由于进口气流本身的不均性和加工上
的问题而造成各叶片间几何结构的微小差异等原因，总会在某一个或几个叶片上最先发生气流脱离现象，形成一个或几个脱离区，我们称之为“脱离团”。

该叶片附近的流动情况恶化，出现了明显的流量减小区，这个受阻滞的气流使它附近的气流方向有所改变，引起流向转向后面叶片的气流冲角增大，转向前面叶片上的冲角减小。

于是后面叶片叶背上出现脱离，同时解除了前面叶片上的脱离。

如此，在相对坐标系上看，引起了脱离团沿转速的反方向传递。

由试验得知，叶轮中脱离团的传递速度小于转速，所以从绝对坐标系来观察，脱离团是以某一转速沿转向传递。

这种现象即称之为“旋转脱离”。

这种压缩机在非设计工况下，由于工况变化导致叶片通道中产生严重的气流脱离，并形成旋转脱离现象，而使级性能明显恶化的情况，被称为“旋转失速”。

旋转失速可以沿气流流动方向向后扩展。

由于工况改变，流量明显减少，而出现严重的旋转脱离，流动情况大大恶化。

这是叶轮虽在旋转、对气体做功，但却不能提高气体压力，压缩机出口压力明显下降。

如国压缩机后管网容量较大，其背压的反应不敏感，于是出现管网中的压力大于压缩机出口处压力的情况，就出现倒流现象。

气流由压缩机出口向进口倒灌，一直到管网中的压力下降至低于压缩机出口压力为止。

倒流停止，气流又在叶片作用下正向流动，压缩机又开始向管网供气，经过压缩机的流量又增大压缩机恢复正常工作。

但管网中压力不断回升，又恢复到原有水平时，压缩机正常排气又受到阻碍，
流量又下降，系统中的气体又生倒流。

如此周而复始，在整个系统中发生了周期性的轴向低频大振幅的气流振荡现象，这种现象称之为压缩机的“喘振工况”。

管网容量越大，喘振频率越低、喘振能量越大，危害也越大。

喘振所造成的后果常常是很严重，它会使压缩机转子和静子经受交变应力作用而断裂；使级间压力失常而引起强烈振动，导致密封及推力轴承损坏；使运动元件和静止元件相碰，造成严重事故。

所以应尽力防止压缩机进入喘振工况。

从上面分析中得知，喘振的发生首先是由于变工况时压缩机叶轮中的气动参数和几何参数不协调，形成旋转脱离，造成严重脱离。

但并不是旋转失速都一定会导致喘振的发生，喘振还与管网系统有关。

所以说喘振的发生有两方面的因素：从内部来说，它取决于离心式压缩机在一定条件下流动情况大大恶化，出现了强烈的旋转失速；从外部来说，又与管网的容量及管网特性线有关。

对离心式压缩机，可以在不同转速下用实测法近似地得出各喘振点，作出喘振界限线。

在该线之右是正常工作区，在该线之左为喘振区。

按现在的技术水平，通过CFD的分析，可以相当准确地计算出压缩机的喘振点和喘振界限线。

除了在离心式压缩机设计时加宽稳定工况区外，为了避免运行时喘振的发生，还可以在流程布臵和控制上采用防喘放空、防喘回流等措施。

前面已讲到喘振产生的原因是压缩机的流量减少
所致，而采用这两种方法，就是要增加压缩机的进气量，以保正压缩机在稳定工作区运行。

喘振的危害性及后果是严重的。

在我国已有多起因配套离心式压缩机发生喘振而导致空分设备事故的报道。

所以运行人员对喘振的机理及现象应有所了解，以便在喘振未出现或刚出现时就采取适当措施妥善处理。

判断离心式压缩机是否以出现喘振现象，其方法大致有下面4点：
（1）测听压缩机排气管的气流噪声。

离心式压缩机在正常工况下，噪声较低且是连续稳定。

而当接近喘振
工况时，排气管中气流发出的噪声时高时低，并作
周期性变化。

当进入喘振工况后，噪声明显增大，
发出异常的周期性吼叫或喘气声，甚至出现爆音。

（2）观察压缩机出口压力和进口流量的变化。

在稳定工况下运行时，压缩机的出口压力和进口流量变化不
大，且有规律，所测得的数据在平均值附近小幅波
动。

当接近或进入喘振工况时，两者都发生了周期
性的大幅脉动。

（3）对于增压机，需观察增压机压缩比的变化是否正常。

（4）观察壳体和轴承的振动情况。

当接近或进入喘振工况时，壳体和轴承会发生强烈振动，其振幅要比正
常时大很多。

发生喘振时，上述的几点现象可能部分或同时存在。

由于引起喘振的原因各种各样，而后果又严重，因此应可能采取用防喘振自动控制装臵，使喘振自动消除。

二．阻塞工况
当流量增大时，气流的轴向速度增大，冲角减小变成负值。

这时气流射向叶轮叶片的非工作面，而在工作面上出现气流脱离现象。

但由于叶片工作面对气流的强烈作用，脱离层获得能量，限制了脱离的扩大。

此外，流量的增加使流道的扩压度减小、气流的流速增大，也使气流分离不易扩大。

所以在这种情况下，除了压缩机的机压比及效率都有些下降外，工作的稳定尚不至于遭到破坏。

当流量进一步增大，气流的速度也进一步增加，脱离层又占了部分通流面积，使流速更大。

当某一截面出现音速时，流量则达到了最大值，此时的状态我们称之为压缩机的“阻塞工况”。

在阻塞工况附近，压缩机效率很低、压缩比比设计工况也低得多，流量的微小变化也可以引起压力的很大变化。

阻塞工况对压缩机的运行不会产生破坏作用。

喘振工况与阻塞工况之间的区域就是离心式压缩机的稳定工况范围。