機房精密空調(diào)|離心式制冷壓縮機的喘振與防喘振措施

一、喘振產(chǎn)生的機理

離心壓縮機的基本工作原理是利用高速旋轉的葉輪對氣體做功，將機械能加給氣體，使氣體壓力升高，速度增大，氣體獲得壓力能和速度能。在葉輪后面設置有通流面積逐漸擴大的擴壓元件，高壓氣體從葉輪流出后，再流經(jīng)擴壓器進行降速擴壓，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變?yōu)閴毫δ?，完成了壓縮過程。

擴壓器流道內(nèi)的邊界層分離現(xiàn)象：擴壓器流道內(nèi)氣流的流動，來自葉輪對氣流所做功轉變成的動能，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)前進時，最終邊界層的氣流停滯下來，進而發(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壓流動，當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。

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

當流量大大減小時，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流道轉移到A流道。這樣分離區(qū)就以和葉輪旋轉方向相反的方向旋轉移動，這種現(xiàn)象稱為旋轉脫離。

擴壓器同樣存在旋轉脫離。在壓縮機的運轉過程中，流量不斷減小到Qmin值時，在壓縮機流道中出現(xiàn)如上所述嚴重的旋轉脫離，流動嚴重惡化，使壓縮機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，一直到冷凝壓力低于壓縮機出口排氣壓力為止，這時倒流停止，壓縮機的排量增加，壓縮機恢復正常工作。

而實際上壓縮機的總負荷很小，限制了壓縮機的排量，壓縮機的排量又慢慢減小，氣體又產(chǎn)生倒流，如此反復，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。

壓縮機達到最小排量點而產(chǎn)生嚴重的氣流旋轉脫離是內(nèi)因，而壓縮機的性能曲線狀況和工況點的位置是條件，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。

離心冷水機組運行在部分負荷時，壓縮機導葉開度減小，參與循環(huán)的制冷劑流量減少。壓縮機排量減小，葉輪達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)生旋轉失速或喘振。

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

由于壓縮機葉輪流道內(nèi)氣體流量的減少，按照壓縮機的特性曲線，其運行的工況點引向高壓縮比方向。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)生嚴重的氣流“脫離現(xiàn)象”，氣動損失增大，葉輪出口處產(chǎn)生負壓區(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，葉輪恢復正常工作。

如此時壓縮機工況點仍未脫離喘振點(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，正是壓縮機喘振的根本原因。

二、喘振的危害性

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

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

(2)噪聲加大。

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

(4)電流發(fā)生脈動。

(5)小制冷量機組的脈動頻率比大型機組高，但振幅小。

不同于一般的機械振動，在壓縮機出口產(chǎn)生氣流的反復倒灌、吐出、來回撞擊，使得主電機交替出現(xiàn)滿載和空載，電流表指針或壓縮機出口壓力表指針產(chǎn)生大幅度無規(guī)律的強烈抖擺和跳動。壓縮機轉子在機內(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、熱氣旁通喘振防護原理

一旦進入喘振工況，應立即采取調(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)生的機理來看，在離心式冷水機組中，壓比和負荷是影響喘振的兩大因素。當負荷越來越小，小到某一極限點時，便會發(fā)生喘振，或者當壓比大到某一極限點時，便會發(fā)生喘振。

用熱氣旁通來進行喘振防護，是通過喘振保護線來控制熱氣旁通的開啟或關閉，使機組遠離喘振點，達到保護的目的。從冷凝器連接到蒸發(fā)器一根連接管，當運行點到達喘振保護點而未達到喘振點時，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、改變壓縮機轉速

壓縮機轉速改變，壓縮機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、燃氣輪機拖動的機組，是一種比較經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法，只是調(diào)節(jié)后的工作點不一定是最高效率點。但對電動機拖動的機組，為了便于變速，就要用直流機組或采用變頻方法，這會使設備大大復雜化，同時造價也高。

3、多級壓縮

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

4、采用轉動的擴壓器調(diào)節(jié)

當流量減小時，一般在擴壓器中首先產(chǎn)生嚴重的旋轉脫離而導致喘振。在流量變化時，如果能相應改變擴壓器流道的進口幾何角，以適應改變了的工況，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，擴大穩(wěn)定工況范圍，使喘振流量大為降低，達到防喘振的目的。該防喘振控制方式，已在開利的產(chǎn)品中得到具體的應用，但低負荷時仍須采用熱氣旁通。

5、可移動式擴壓腔

上面提到，在離心式冷水機組中喘振發(fā)生的原因為壓比和負荷。當機組運行的壓比一定時(提升力)，機組的運行負荷將影響機組是否發(fā)生喘振。對于離心機組來說，當運行負荷降低時，壓縮機的導葉逐漸關閉，吸氣量降低，如果擴壓腔的通道面積不變，則氣體的流速降低：當氣體的流速無法克服擴壓腔的阻力損失時，氣流會出現(xiàn)停滯，由于氣體動能的下降，轉化的壓力能也降低：當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、結論

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

文章來源：機房精密空調(diào)