離心壓縮機(jī)系統(tǒng)喘振特性的理論與實驗研究基本信息

中央空調(diào)冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和工況分析

一、喘振產(chǎn)生的機(jī)理

離心壓縮機(jī)的基本工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣體做功，將機(jī)械能加給氣體，使氣體壓力升高，速度增大，氣體獲得壓力能和速度能。在葉輪后面設(shè)置有通流面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓元件，高壓氣體從葉輪流出后，再流經(jīng)擴(kuò)壓器進(jìn)行降速擴(kuò)壓，使氣體流速降低，壓力繼續(xù)升高，即把氣體的一部分速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，完成了壓縮過程。

擴(kuò)壓器流道內(nèi)的邊界層分離現(xiàn)象：擴(kuò)壓器流道內(nèi)氣流的流動，來自葉輪對氣流所做功轉(zhuǎn)變成的動能，邊界層內(nèi)氣流流動，主要靠主流中傳遞來的動能，邊界層內(nèi)氣流流動時，要克服壁面的摩擦力，由于沿流道方向速度降低，壓力增大，主流的動能也不斷減小。

當(dāng)主流傳遞給邊界層的動能不足以使之克服壓力差繼續(xù)前進(jìn)時，最終邊界層的氣流停滯下來，進(jìn)而發(fā)生旋渦和倒流，使氣流邊界層分離。氣體在葉輪中的流動也是一種擴(kuò)壓流動，當(dāng)流量減小或壓差增大時也會出現(xiàn)這種邊界層分離現(xiàn)象。

當(dāng)流道內(nèi)氣體流量減少到某一值后，葉道進(jìn)口氣流的方向就和葉片進(jìn)口角很不一致，沖角α大大增加，在非工作面引起流道中氣流邊界層嚴(yán)重分離，使流道進(jìn)出口出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣流脈動。

當(dāng)流量大大減小時，由于氣流流動的不均勻性及流道型線的不均勻性，假定在B流道發(fā)生氣流分離的現(xiàn)象，這樣B流道的有效通流面積減小，使原來要流過B流道的氣流有一部分要流向相鄰的A流道和C流道，這樣就改變了A流道，C流道原來氣流的方向，它使C流道的沖角有所減小，A流道的沖角更加增大，從而使A流道中的氣流分離，反過來使B流道沖角減小而消除了分離現(xiàn)象，于是分離現(xiàn)象由B流道轉(zhuǎn)移到A流道。這樣分離區(qū)就以和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)移動，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)脫離。

擴(kuò)壓器同樣存在旋轉(zhuǎn)脫離。在壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，流量不斷減小到Qmin值時，在壓縮機(jī)流道中出現(xiàn)如上所述嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離，流動嚴(yán)重惡化，使壓縮機(jī)出口排氣壓力突然大大下降，低于冷凝器的壓力，氣流就倒流向壓縮機(jī)，一直到冷凝壓力低于壓縮機(jī)出口排氣壓力為止，這時倒流停止，壓縮機(jī)的排量增加，壓縮機(jī)恢復(fù)正常工作。

而實際上壓縮機(jī)的總負(fù)荷很小，限制了壓縮機(jī)的排量，壓縮機(jī)的排量又慢慢減小，氣體又產(chǎn)生倒流，如此反復(fù)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為喘振。

壓縮機(jī)達(dá)到最小排量點(diǎn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流旋轉(zhuǎn)脫離是內(nèi)因，而壓縮機(jī)的性能曲線狀況和工況點(diǎn)的位置是條件，內(nèi)因只有在條件的促成下，才能發(fā)生特有的現(xiàn)象——喘振。

離心冷水機(jī)組運(yùn)行在部分負(fù)荷時，壓縮機(jī)導(dǎo)葉開度減小，參與循環(huán)的制冷劑流量減少。壓縮機(jī)排量減小，葉輪達(dá)到壓頭的能力也減小。而冷卻水溫由于冷卻塔未改變而維持不變，則此時就可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速或喘振。

喘振是速度型離心式壓縮機(jī)的固有特性。因此對于任何一臺離心式壓縮機(jī)，當(dāng)排量小到某一極限點(diǎn)時就會發(fā)生該現(xiàn)象。冷水機(jī)組是否在喘振點(diǎn)附近運(yùn)行，主要取決于機(jī)組的運(yùn)行工況。在什么狀態(tài)發(fā)生喘振只有通過對機(jī)器的試驗，即不斷減少其流量，才可以測出具體的喘振點(diǎn)。

由于壓縮機(jī)葉輪流道內(nèi)氣體流量的減少，按照壓縮機(jī)的特性曲線，其運(yùn)行的工況點(diǎn)引向高壓縮比方向。這時氣流方向的改變在葉輪入口產(chǎn)生較大的正沖角，使得葉輪葉片上的非工作面產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流“脫離現(xiàn)象”，氣動損失增大，葉輪出口處產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，引起冷凝器上部或蝸殼內(nèi)原有的正壓氣流沿壓降方向“倒灌”，退回葉輪內(nèi)，使葉輪流道內(nèi)的混合流量增大，葉輪恢復(fù)正常工作。

如此時壓縮機(jī)工況點(diǎn)仍未脫離喘振點(diǎn)(區(qū))，又將出現(xiàn)上述氣流的“倒灌”。氣流這種周期性的往返脈動，正是壓縮機(jī)喘振的根本原因。

二、喘振的危害性

喘振是離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行工況在小流量、高壓比區(qū)域中所產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)喘振時，將出現(xiàn)氣流周期性振蕩現(xiàn)象。喘振帶給壓縮機(jī)嚴(yán)重的破壞，會導(dǎo)致下列嚴(yán)重后果：

(1)使壓縮機(jī)的性能顯著惡化，氣體參數(shù)(壓力、排量) 產(chǎn)生大幅度脈動。

(2)噪聲加大。

(3)大大加劇整個機(jī)組的振動。喘振使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的元件經(jīng)受交變的動應(yīng)力：壓力失調(diào)引起強(qiáng)烈的振動，使機(jī)組中心偏移，軸承磨損，密封間隙增大;甚至發(fā)生轉(zhuǎn)子和定子元件相碰等：葉輪動應(yīng)力加大。

(4)電流發(fā)生脈動。

(5)小制冷量機(jī)組的脈動頻率比大型機(jī)組高，但振幅小。

不同于一般的機(jī)械振動，在壓縮機(jī)出口產(chǎn)生氣流的反復(fù)倒灌、吐出、來回撞擊，使得主電機(jī)交替出現(xiàn)滿載和空載，電流表指針或壓縮機(jī)出口壓力表指針產(chǎn)生大幅度無規(guī)律的強(qiáng)烈抖擺和跳動。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在機(jī)內(nèi)沿軸向來回竄動，并伴有金屬摩擦和撞擊聲響。

三、防喘振措施

1、熱氣旁通喘振防護(hù)原理

一旦進(jìn)入喘振工況，應(yīng)立即采取調(diào)節(jié)措施，降低出口壓力或增加入口流量。從以上喘振產(chǎn)生的機(jī)理來看，在離心式冷水機(jī)組中，壓比和負(fù)荷是影響喘振的兩大因素。當(dāng)負(fù)荷越來越小，小到某一極限點(diǎn)時，便會發(fā)生喘振，或者當(dāng)壓比大到某一極限點(diǎn)時，便會發(fā)生喘振。

用熱氣旁通來進(jìn)行喘振防護(hù)，是通過喘振保護(hù)線來控制熱氣旁通的開啟或關(guān)閉，使機(jī)組遠(yuǎn)離喘振點(diǎn)，達(dá)到保護(hù)的目的。從冷凝器連接到蒸發(fā)器一根連接管，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)喘振保護(hù)點(diǎn)而未達(dá)到喘振點(diǎn)時，通過控制系統(tǒng)打開熱氣旁通電磁閥，從冷凝器的熱氣排到蒸發(fā)器，降低了壓比，同時提高了排氣量，從而避免了喘振的發(fā)生。

2、改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變，壓縮機(jī)的性能曲線將隨著移動，可以增加穩(wěn)定工況區(qū)域，它適用于蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)拖動的機(jī)組，是一種比較經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方法，只是調(diào)節(jié)后的工作點(diǎn)不一定是最高效率點(diǎn)。但對電動機(jī)拖動的機(jī)組，為了便于變速，就要用直流機(jī)組或采用變頻方法，這會使設(shè)備大大復(fù)雜化，同時造價也高。

3、多級壓縮

多級壓縮以降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。一般多級機(jī)器中任何一級發(fā)生喘振，都會影響到整臺機(jī)器的正常工作。采用多級壓縮，在同樣的壓比工況下，可大大降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，增大穩(wěn)定工況區(qū)域。

4、采用轉(zhuǎn)動的擴(kuò)壓器調(diào)節(jié)

當(dāng)流量減小時，一般在擴(kuò)壓器中首先產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離而導(dǎo)致喘振。在流量變化時，如果能相應(yīng)改變擴(kuò)壓器流道的進(jìn)口幾何角，以適應(yīng)改變了的工況，使沖角α不致很大，則可使性能曲線向小流量區(qū)大幅度移動，擴(kuò)大穩(wěn)定工況范圍，使喘振流量大為降低，達(dá)到防喘振的目的。該防喘振控制方式，已在開利的產(chǎn)品中得到具體的應(yīng)用，但低負(fù)荷時仍須采用熱氣旁通。

5、可移動式擴(kuò)壓腔

上面提到，在離心式冷水機(jī)組中喘振發(fā)生的原因為壓比和負(fù)荷。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行的壓比一定時(提升力)，機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷將影響機(jī)組是否發(fā)生喘振。對于離心機(jī)組來說，當(dāng)運(yùn)行負(fù)荷降低時，壓縮機(jī)的導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉，吸氣量降低，如果擴(kuò)壓腔的通道面積不變，則氣體的流速降低：當(dāng)氣體的流速無法克服擴(kuò)壓腔的阻力損失時，氣流會出現(xiàn)停滯，由于氣體動能的下降，轉(zhuǎn)化的壓力能也降低：當(dāng)氣流體壓力小于排氣管網(wǎng)的壓力時，氣流發(fā)生倒流，喘振發(fā)生。

四、結(jié)論

熱氣旁通、改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、多級壓縮、轉(zhuǎn)動的擴(kuò)壓器調(diào)節(jié)以及散流滑塊設(shè)計均能有效避免“喘振”，對于離心式冷水機(jī)組具有較好的節(jié)能效果。

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【學(xué)員問題】離心式制冷壓縮機(jī)防喘振措施？

【解答】1、喘振產(chǎn)生的機(jī)理

離心壓縮機(jī)的基本工作原理是利用高速回轉(zhuǎn)的葉輪對氣體做功，將機(jī)械能加給氣體，負(fù)氣體壓力升高，速度增大，氣體獲得壓力能和速度能。在葉輪后面設(shè)置有通流面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓元件，高壓氣體從葉輪流出后，再流經(jīng)擴(kuò)壓器進(jìn)行降速擴(kuò)壓，負(fù)氣體流速降低，壓力繼續(xù)升高，即把氣體的一部分速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽瓿闪藟嚎s過程。擴(kuò)壓器流道內(nèi)的邊界層分離現(xiàn)象：擴(kuò)壓器流道內(nèi)氣流的活動，來自葉輪對氣流所做功轉(zhuǎn)變成的動能，邊界層內(nèi)氣流活動，主要靠主流中傳遞來的動能，邊界層內(nèi)氣流活動時，要克服壁面的摩擦力，由于沿流道方向速度降低，壓力增大，主流的動能也不斷減小。當(dāng)主流傳遞給邊界層的動能不足以使之克服壓力差繼續(xù)前進(jìn)時，終極邊界層的氣流停滯下來，進(jìn)而發(fā)生旋渦和倒流，負(fù)氣流邊界層分離。氣體在葉輪中的活動也是一種擴(kuò)壓活動，當(dāng)流量減小或壓差增大時也會出現(xiàn)這種邊界層分離現(xiàn)象。

當(dāng)流道內(nèi)氣體流量減少到某一值后，葉道進(jìn)口氣流的方向就和葉片進(jìn)口角很不一致，沖角α大大增加，在非工作面引起流道中氣流邊界層嚴(yán)重分離，使流道進(jìn)出口出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣流脈動。當(dāng)流量大大減小時，由于氣流活動的不均勻性及流道型線的不均勻性，假定在B流道發(fā)生氣流分離的現(xiàn)象，這樣B流道的有效通流面積減小，使原來要流過B流道的氣流有一部分要流向相鄰的A流道和C流道，這樣就改變了A流道，C流道原來氣流的方向，它使C流道的沖角有所減小，A流道的沖角更加增大，從而使A流道中的氣流分離，反過來使B流道沖角減小而消除了分離現(xiàn)象，于是分離現(xiàn)象由B流道轉(zhuǎn)移到A流道。這樣分離區(qū)就以和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)移動，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)脫離。

擴(kuò)壓器同樣存在旋轉(zhuǎn)脫離。在壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，流量不斷減小到Qmin值時，在壓縮機(jī)流道中出現(xiàn)如上所述嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離，活動嚴(yán)重惡化，使壓縮機(jī)出口壓力忽然大大下降，低于冷凝器的壓力，氣流就倒流向壓縮機(jī)，一直到冷凝壓力低于壓縮機(jī)出口壓力為止，這時倒流停止，壓縮機(jī)的排量增加，壓縮機(jī)恢復(fù)正常工作。而實際上壓縮機(jī)的總負(fù)荷很小，限制了壓縮機(jī)的排量，壓縮機(jī)的排量又慢慢減小，氣體又產(chǎn)生倒流，如此反復(fù)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為喘振。

壓縮機(jī)達(dá)到最小排量點(diǎn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流旋轉(zhuǎn)脫離是內(nèi)因，而壓縮機(jī)的性能曲線狀況和工況點(diǎn)的位置是條件，內(nèi)因只有在條件的促成下，才能發(fā)生特有的現(xiàn)象———喘振。

離心冷水機(jī)組運(yùn)行在部分負(fù)荷時，壓縮機(jī)導(dǎo)葉開度減小，參與循環(huán)的制冷劑流量減少。壓縮機(jī)排量減小，葉輪達(dá)到壓頭的能力也減小。而冷卻水溫由于冷卻塔未改變而維持不變，則此時就可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速或喘振。

喘振是速度型離心式壓縮機(jī)的固有特性。因此對于任何一臺壓縮機(jī)，當(dāng)排量小到某一極限點(diǎn)時就會發(fā)生該現(xiàn)象。冷水機(jī)組是否在喘振點(diǎn)四周運(yùn)行，主要取決于機(jī)組的運(yùn)行工況。在什么狀態(tài)發(fā)生喘振只有通過對機(jī)器的試驗，即不斷減少其流量，才可以測出具體的喘振點(diǎn)。

由于壓縮機(jī)葉輪流道內(nèi)氣體流量的減少，按照壓縮機(jī)的特性曲線，其運(yùn)行的工況點(diǎn)引向高壓縮比方向。這時氣流方向的改變在葉輪進(jìn)口產(chǎn)生較大的正沖角，使得葉輪葉片上的非工作面產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流“脫離現(xiàn)象”，氣動損失增大，葉輪出口處產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，引起冷凝器上部或蝸殼內(nèi)原有的正壓氣流沿壓降方向“倒灌”，退回葉輪內(nèi)，使葉輪流道內(nèi)的混合流量增大，葉輪恢復(fù)正常工作。

如此時壓縮機(jī)工況點(diǎn)仍未脫離喘振點(diǎn)（區(qū)），又將出現(xiàn)上述氣流的“倒灌”。氣流這種周期性的往返脈動，正是壓縮機(jī)喘振的根本原因。

2、喘振運(yùn)行狀態(tài)

喘振是離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行工況在小流量、高壓比區(qū)域中所產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)喘振時，將出現(xiàn)氣流周期性振蕩現(xiàn)象。喘振帶給壓縮機(jī)嚴(yán)重的破壞，會導(dǎo)致下列嚴(yán)重后果：

1）使壓縮機(jī)的性能明顯惡化，氣體參數(shù)（壓力、排量）產(chǎn)生大幅度脈動。2）噪聲加大。3）大大加劇整個機(jī)組的振動。喘振使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的元件經(jīng)受交變的動應(yīng)力：壓力失調(diào)引起強(qiáng)烈的振動，使密封和軸承損壞，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)子和定子元件相碰等：葉輪動應(yīng)力加大。4）電流發(fā)生脈動。5）小制冷量機(jī)組的脈動頻率比大型機(jī)組高，但振幅小。

不同于一般的機(jī)械振動，在壓縮機(jī)出口產(chǎn)生氣流的反復(fù)倒灌、吐出、往返撞擊，使得主電機(jī)交替出現(xiàn)滿載和空載，電流表指針或壓縮機(jī)出口壓力表指針產(chǎn)生大幅度無規(guī)律的強(qiáng)烈抖擺和跳動。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在機(jī)內(nèi)沿軸向往返竄動，并伴有金屬摩擦和撞擊聲響。

3、防喘振措施

3.1　熱氣旁通喘振防護(hù)原理

一旦進(jìn)進(jìn)喘振工況，應(yīng)立即采取調(diào)節(jié)措施，降低出口壓力或增加進(jìn)口流量。從以上喘振產(chǎn)生的機(jī)理來看，在離心式冷水機(jī)組中，壓比和負(fù)荷是影響喘振的兩大因素。當(dāng)負(fù)荷越來越小，小到某一極限點(diǎn)時，便會發(fā)生喘振，或者當(dāng)壓比大到某一極限點(diǎn)時，便會發(fā)生喘振。用熱氣旁通來進(jìn)行喘振防護(hù)，是通過喘振保護(hù)線來控制熱氣旁通的開啟或封閉，使機(jī)組闊別喘振點(diǎn)，達(dá)到保護(hù)的目的。從冷凝器連接到蒸發(fā)器一根連接管，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)喘振保護(hù)點(diǎn)而未達(dá)到喘振點(diǎn)時，通過控制系統(tǒng)打開熱氣旁通電磁閥，從冷凝器的熱氣排到蒸發(fā)器，降低了壓比，同時進(jìn)步了排氣量，從而避免了喘振的發(fā)生。

3.2　改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變，壓縮機(jī)的性能曲線將隨著移動，可以增加穩(wěn)定工況區(qū)域，它適用于蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)拖動的機(jī)組，是一種比較經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方法，只是調(diào)節(jié)后的工作點(diǎn)不一定是最高效率點(diǎn)。但對電動機(jī)拖動的機(jī)組，為了便于變速，就要用直流機(jī)組或采用變頻方法，這會使設(shè)備大大復(fù)雜化，同時造價也高。

3.3　多級壓縮

多級壓縮以降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。一般多級機(jī)器中任何一級發(fā)生喘振，都會影響到整臺機(jī)器的正常工作。采用多級壓縮，在同樣的壓比工況下，可大大降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，增大穩(wěn)定工況區(qū)域。

3.4　采用轉(zhuǎn)動的擴(kuò)壓器調(diào)節(jié)

當(dāng)流量減小時，一般在擴(kuò)壓器中首先產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離而導(dǎo)致喘振。在流量變化時，假如能相應(yīng)改變擴(kuò)壓器流道的進(jìn)口幾何角，以適應(yīng)改變了的工況，使沖角α不致很大，則可使性能曲線向小流量區(qū)大幅度移動，擴(kuò)大穩(wěn)定工況范圍，使喘振流量大為降低，達(dá)到防喘振的目的。該防喘振控制方式，已在開利的產(chǎn)品中得到具體的應(yīng)用，但低負(fù)荷時仍須采用熱氣旁通。

3.5　可移動式擴(kuò)壓腔

上面提到，在離心式冷水機(jī)組中喘振發(fā)生的原由于壓比和負(fù)荷。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行的壓比一定時（提升力），機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷將影響機(jī)組是否發(fā)生喘振。對于離心機(jī)組來說，當(dāng)運(yùn)行負(fù)荷降低時，壓縮機(jī)的導(dǎo)葉逐漸封閉，吸氣量降低，假如擴(kuò)壓腔的通道面積不變，則氣體的流速降低：當(dāng)氣體的流速無法克服擴(kuò)壓腔的阻力損失時，氣流會出現(xiàn)停滯，由于氣體動能的下降，轉(zhuǎn)化的壓力能也降低：當(dāng)氣流體壓力小于排氣管網(wǎng)的壓力時，氣流發(fā)生倒流，喘振發(fā)生。

4、結(jié)語

熱氣旁通、改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、多級壓縮、轉(zhuǎn)動的擴(kuò)壓器調(diào)節(jié)以及散流滑塊設(shè)計均能有效避免“喘振”，對于離心式冷水機(jī)組具有較好的節(jié)能效果。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。