1、第八章 离心式制冷压缩机第八章第八章第八章第八章第八章第八章q 一、工作原理及特点q 二、分类及结构组成q 三、基本理论q 四、特性及调节q 五、工作循环q 六、离心式制冷机组主要内容制冷压缩机分类和结构第八章第八章第八章第八章第八章第八章压缩原理（与容积型比较）都是增加单位容积内气体分子数目，即使分子间距离缩短：q 容积型压缩机：减少气体分子所占封闭空间的容积，使气体在汽缸内随着容积减小直接受到压缩；q 速度型压缩机：利用惯性方法，通过气流的不断加速、减速，因惯性彼此挤压，使分子间距离缩短。一、工作原理及特点第八章第八章第八章工作原理q 离心式制冷压缩机是一种速度型压缩机（属于透平机械），依
2、靠动能变化提高气体压力；q 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。叶轮叶轮扩压室扩压室 它由转子与定子等部分组成：当带叶片的转子(叶轮即工作轮)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；定子部分包括扩压器、弯道、回流器、蜗室等，作用是改变气流运动方向及把速度能转变为压力能；气体在高速旋转的叶轮1中获得高速度后，再在环行通道(即扩压器和蜗室2)将速度动能变为压力位能，从而提高气体的压力。与风机的区别与联系?第八章第八章第八章第八章第八章第八章q 空气调节系统中，由于蒸发温度(压力)较高，压缩比较小，一般采用单级压缩；q 当蒸发温度较低，压缩比较大时采用多级压缩。
3、压缩机由数个叶轮组成，每个叶轮与相配合的固定元件组成一个“级”，蒸气压力逐级增加。级数越多、转速越高，所产生的能量头越大。q“级”是组成离心式压缩机的基础。中间级有叶轮、扩压器、弯道、回流器、级间密封等。末级由叶轮、扩压器和蜗壳组成。离心式制冷压缩机的“级”气体每经过一级叶轮和扩压器所能升高的压力有限，当压力比大时，需采用多级压缩。图 4-3 多级离心式制冷压缩机结构 1、顶轴器 2、13 套筒 3、止推轴承部 4、止推轴承 5、轴承 6、调整块 7、机械密封部 8、进口导叶 9、隔板 10、轴 11、调整环 12、连接件 第八章第八章第八章第八章第八章第八章q 压缩机工作时，从蒸发器来的制冷
4、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，气体在叶片作用下，一边跟着叶轮高速旋转，一边由于受离心力作用，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；q 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，使气体压力进一步提高；多级离心式压缩机的工作过程多级离心式压缩机的工作过程 在多级压缩机中，为把气体引入下一级继续增压，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，故扩压器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，
5、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。第八章第八章第八章第八章第八章第八章二、分类及结构组成q 开启式：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)，压缩机轴外伸端装有机械密封，以防止制冷剂外泄或空气漏入；q 封闭式（半封闭、全封闭式）：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泄漏，大多采用封闭式结构。离心式制冷压缩机的分类第八章第八章第八章 图 4-2 单级离心式制冷压缩机结构 1、轴 2、轴封 3、工作轮 4、扩压器 5、蜗壳 6、扩压器叶片 7、工作轮叶片 主要零部件组成主要零
6、部件组成：吸入室、进口导流器、叶轮(工作轮)、扩压器、弯道和回流器、蜗壳、密封、平衡盘、轴承等单级离心式制冷压缩机的结构第八章第八章第八章 图 4-3 多级离心式制冷压缩机结构 1、顶轴器 2、13 套筒 3、止推轴承部 4、止推轴承 5、轴承 6、调整块 7、机械密封部 8、进口导叶 9、隔板 10、轴 11、调整环 12、连接件 多级离心式制冷压缩机的结构参考书上的图8-2第八章第八章第八章q 吸气室 使气体在进入叶轮之前形成负压，以便将气体均匀地引入叶轮，以减少进口损失（气流扰动和分离损失）。空调用压缩机在叶轮之前装有进口导叶，若改变其角度即可改变进入叶轮流量的大小，达到调节制冷量的目的
7、。主要零部件结构q 叶轮(工作轮)分闭式、半开式和开式三种。叶轮随主轴高速旋转后，气体受旋转离心力和流道中扩压流动的作用，使其压力和速度在离开叶轮时都得到提高。叶轮是压缩机中对气体作功的唯一部件，其材料需具有足够的强度，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。闭式由轮盖、叶片和轮盘焊接或整体铸造而成，空调用制冷压缩机大都采用闭式；半开式叶轮仅有叶片和轮盘，用于单级压力较大场合；有轮盖时，可减少内漏气损失，提高效率，但轮盖应力较大，限制了圆周速度提高。扩压器 分无叶和有叶两种。其作用是将叶轮出口的高速气体的速度能转
8、化为压力能。无叶扩压器：由两侧隔板组成的环行通道，随着径向距离的增大，截面通道面积也随之增加，使从叶轮出口出来的高速气体速度逐渐减慢，压力得到提高。有叶扩压器：在流道中装有叶片，在同样直径下流道面积增加更多，故气流速度减小更快，压力增加更多。为什么?第八章第八章第八章第八章第八章第八章q 弯道和回流器 用于多级离心式压缩机，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，可认为压力和速度不变，仅改变气体流动方向；主要零部件结构弯道：将扩压器出口的气流引导至回流器进口，使气流方向从离开轴心变为向轴心方向；回流器：把气流均匀导向下一级叶轮进口，其流道中设有导向叶片，使气体按叶片弯曲方
9、向流动，沿轴向进入下一级工作轮。第八章第八章第八章q 蜗壳 把从扩压器或叶轮后的气体汇集起来并引向机外。蜗室的通道面积（外径和流通截面）逐渐扩大，其出口接一段扩压管，对气体起到降速扩压作用。q密封 为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，常采用迷宫式密封和机械摩擦环式密封装置。（如减少气体从叶轮出口倒流到叶轮入口的轮盖密封；减少级间漏气的轴套密封；开启式机组尚有轴端密封等）主要零部件结构（迷宫式密封工作原理：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
10、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。）第八章第八章第八章平衡盘 减少轴向推力。（由于叶轮两侧压力不相等，在转子上受到一个指向叶轮进口方向的轴向推力。为减少止推轴承载荷，往往在末级之后设置一个平衡盘。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。）轴承 包括轴两端支承用的滑动轴承，承受转子剩余轴向推力的推力轴承等。第八章第八章第八章第八章第八章第八章McQuay叶轮叶轮150和和130
11、0冷吨压缩机上的叶轮冷吨压缩机上的叶轮第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章q 无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单；q 无进排气阀、活塞，气缸等磨损部件，故障少、工作可靠、寿命长；q 机组单位制冷量的重量、体积及安装面积小；q 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；q 在多级压缩机中容易实现一机多种蒸发温度；q 润滑油与制冷剂基本不接触，从而提高了冷凝器及蒸发器的传热性能；离心式制冷压缩机的特点离心式制冷压缩机的特点 大型离心式制冷压缩机可由蒸气或燃气动力机直接带动，能源使用经济，合理；单机容量
12、不能太小，否则会使气流流道太窄，影响流动效率；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；通常工作转速较高，需通过增速齿轮来驱动；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；制冷量较小时，效率较低；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。第八章第八章第八章第八章第八章第八章q JB/T 6443-92 离心压缩机q JB/T 3355-91 离心式冷水机组技术条件q GB/T 10870-2001 容积式和离心式冷水(热泵)机组性能试验方法 单位中国JB/T3355-91美国
13、ARl55092日本JISB862195冷水出水温度76.77冷却水进水温度3229.432单位制冷量的冷水流量m3(kWh)0.1720.155 单位制冷量的冷却水流量m3(kWh)0.2230.194 冷水侧污垢系数m2kW0.0860.0440.086冷却水污垢系数m2kW0.0860.0440.086制冷剂侧污垢系数m2kW0.0000.000 相关标准机组的标准（名义）工况机组的标准（名义）工况第八章第八章第八章q 流动特性：三元非定常流动 在离心式压缩机级中其流道形状比较复杂，并存在气流中的摩擦和边界层，气体参数如速度、压力、温度及密度不仅沿流道变化，而且在任一截面上各点参数大小也
14、是变化的，即级中气体是三元流动；由于叶轮具有有限的叶片数，在空间的任一点上，气体参数周期地随时间而变化，是一个非定常流动。q 假定：气体参数在任一截面上可用一平均值表示，作为一元流动处理；气体的流动是不随时间而变化的定常流动。（实践证明，把流动视作一元定常流动基本符合工程要求。）为了提高压缩机效率，现代叶轮的设计均采用三元流动理论，蜗室也有用二元流动理论进行设计的，但仍以一元流动理论作为设计基础。三、基本理论第八章第八章第八章q 叶轮对气体作功，反映在气体进、出口处流动速度的变化；q 气体在旋转叶轮通道中流动时，对一个气体质点有三个运动：相对运动：气体相对于叶道的流动，用 相对速度w 表示；牵
15、连运动：叶轮相对于地面的运动，用 圆周速度u 表示；绝对运动：气体质点相对于地面的运动，用 绝对速度c 表示。叶轮进、出口速度三角形q 三种速度以矢量相加，组成一个封闭三角形，称气体运动的速度三角形（图8-7）；q 把绝对速度c分解成两个分速度：圆周分速度cu：其大小在一定程度上反映了压力大小，单位为m/s；径向分速度cr：。其大小在一定程度上反映了流量大小，单位为m/s。一般情况下，进口处为直角三角形，即c1u=0，c1r=c1第八章第八章第八章 在压缩过程中，除了用于提高静压消耗大部分有用功之外，同时还要克服各种损失。级中损失可分为内损失与外损失两大部分。离心式制冷压缩机的损失q 内损失
16、指该损失所转化的热量仍加给级中气体，使气体的温度升高，消耗的压缩功增加。内损失有级内流动损失、轮阻损失、轮盖处漏气损失、平衡盘及轴套密封中气体漏回机内的损失。q 外损失 指联轴器、增速齿轮、轴承中的摩擦损失以及从轴端密封气体漏至大气部分的外泄漏损失，这些损失不影响压缩功的大小，但增加了传递给主轴的功率。第八章第八章第八章q 摩擦损失摩擦损失:气体在通道中流动时与通道壁之间有摩擦,产生具有速度梯度的边界层,出现的能量交换和损失q 分离损失分离损失：由扩压和冲击引起的分离而产生 扩压引起的分离损失扩压引起的分离损失 气体流过压缩机流道时除吸气室外，其它元件主要是扩压过程。如果扩压度过大，通道面积突
17、然变化，通道急转弯等，则在边界层引起气体分离，产生旋涡，导致较大的分离损失；冲击引起的分离损失冲击引起的分离损失 冲击引起的分离损失是在工况改变时出现的。当压缩机在设计工况运行时，叶轮进口处的相对速度时是沿着叶片进口处的切线方向流动的。当流量增加或减少时，相对速度就与叶片进口处切线方向不一致而产生分离损失，特别在流量减少到一定程度时，分离占据了整个通道而出现“喘振喘振”现象。（图8-9）内损失1.流动损失第八章第八章第八章第八章第八章第八章q二次流损失和尾迹混合损失（图8-10）q二次流损失是在垂直于气流流动方向的截面上，由于工作面的压力大于非工作面的压力，在边界层中工作面气流流向非工作面，因
18、此产生涡流而引起的损失。q尾迹混合损失是气体由叶轮出口进入扩压器或蜗室的流道面积突然扩大以及气流由均匀到不均匀而引起的损失。2.漏气损失3.轮阻损失4.级内功耗的分配（图8-13）第八章第八章第八章第八章第八章第八章性能曲线喘振工况点喘振工况点堵塞工况点堵塞工况点稳定工况区稳定工况区 K：压缩机运行的最小流量处 M：压缩机运行的最大流量处 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。它的大小是压缩机性能好坏的标志之一。第八章第八章第八章q 产生原因：由冲击引起的分离现象而发生。由于冷凝压力增加，使压缩机的压力比增加而处于小流量区时发生喘振。喘振与堵塞喘
19、振 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，不出现边界层分离，效率最高；流量减小时(工作点向A1移动)，气流速度和方向均发生变化，为正冲角，气流射向工作面，在非工作面上产生分离；当流量减少到临界值(A1点）时，分离现象扩展到整个流道，使损失大大增加，压力大大降低，出现喘振现象。第八章第八章第八章q 喘振现象：喘 振 喘振发生后，叶轮在旋转时不会使气体压力提高，但叶轮后的背压仍存在，反而会使气体逆向流动。（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）倒流到进口处的气体与吸入气体混合，流量增大，叶轮又可压送气体，但由于蒸发器来流较小，且固定不变，以致又产生分离，
20、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“喘振喘振”。b,c,d为叶轮剖面第八章第八章第八章q 喘振危害：喘 振 喘振发生时，出现周期性的来回脉动气流，压缩机转子出现大的振动，电动机电流脉动加剧，气压表读数变化无常，机组运行处于危险状态。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，应设法消除。q 解决措施：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，可从压缩机出口旁通一部分气流直接进入吸入口，加大吸入量（即当流量小到接近喘振点时适当增加压缩机进口流量），从而避免喘振现象发生。（开大进口导叶阀，同时打开旁通阀，使部分气体旁通
21、进入蒸发器或压缩机进口。旁通的气体也可以从冷凝器顶部流入。）第八章第八章第八章q 当流量增大，直至压缩机流道某个最小截面处的气流速度达到音速时，流量不可能继续增加，这时称为堵塞流量（如图8-35中的A2点以右）；q 或者虽未达到音速，叶轮对气体所作的功全部用来克服流动损失，压力并不升高，这时也达到了堵塞工况，在运行中也不允许。声速较小的氟利昂机组较易出现堵塞。堵 塞第八章第八章第八章四、特性及调节q 蒸发温度的影响 蒸发温度对性能的影响较大：当转速和冷凝温度不变时，蒸发温度愈低，制冷量下降愈剧烈；q 冷凝温度的影响 当转速和蒸发温度不变时，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
22、降；q 转速的影响 由于离心式压缩机产生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。工况变动对离心式压缩机性能的影响第八章第八章第八章 图 4-14 离心式和活塞式压缩机性能的比较(a)蒸发温度变化的影响 (b)冷凝温度变化的影响(c)转速变化的影响 第八章第八章第八章 调节离心式制冷压缩机制冷量的方法很多，如改变压缩机转速、进气节流、进口导叶调节（改变叶轮前进口导叶的转角）、改变冷凝器的冷却水量、吸气旁通等。所谓进气节流调节，就是在压缩机前的进气管道上安装一个调节阀，如要改变压缩机的工况时，就调节阀门的大小，通过节流使压缩机进口的压力降低，从而实现调节
23、制冷量。改变叶轮前进口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，也改变了流量的大小，达到制冷量调节的目的。制冷量调节方法第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章五、工作循环 离心式制冷机循环原理与活塞式制冷循环基本相同，即包括压缩、冷凝、节流和蒸发等主要过程。q 空调用单级压缩制冷循环 采用浮球式节流阀作为制冷剂的流量控制和降压机构；压缩机排出的制冷剂蒸汽在冷凝器中由冷却水冷凝成液体后流入浮球室。当浮球室液位升至一定高度时，浮球式节
24、流阀开启，液体制冷剂经节流降压后流至蒸发器底部；制冷剂在蒸发器中被冷媒水(载冷剂)加热蒸发后，流经挡液板以除去液滴，然后重新被压缩机吸入、压缩并排入冷凝器，如此不断循环。离心式制冷机的工作循环第八章第八章第八章 图 4-16 单级离心式制冷装置的制冷循环 1、单级离心式制冷压缩机 2、冷凝器 3、浮球式节流阀 4、蒸发器 5、挡液板 载冷剂 冷却水 单级离心式制冷循环示意图第八章第八章第八章q 空调用离心式制冷机组 蒸发温度在010范围内，大多采用单级和双级离心式制冷压缩机。通常将离心式压缩机、冷凝器、浮球式节流阀和蒸发器四大部件组装成机组；采用单级离心式压缩机，冷凝器装置在蒸发器上部，二者之
25、间装置浮球阀室。压缩机、增速齿轮箱和电动机密封于一个机壳之中组成半封闭式，以油箱为底座。这样布置节省连接管材料，减少管路中的阻力损失，使结构紧凑；辅助系统：润滑系统、抽气回收装置、泵出系统、闪发柜等等。在制冷量较小的场合，如在DC-8航空飞机上用R12制冷剂的离心式制冷机，它在蒸发温度为5，冷凝温度为60的情况下，制冷量为50千瓦，主轴转速为89500转/分，用铝合金叶轮，叶轮直径只有49.8毫米，叶轮圆周速度为233米/分。另一台用R114制冷剂，转速为75000转/分的制冷机，其制冷量为35千瓦。这两台均用尾气涡轮驱动。空调不仅能提高产品质量，而且对提高工作人员劳动生产率也是一项重要措施。
26、据统计，在夏天设置空调时，工厂提高工效一般达25-35%。可见空调的意义很重大，而离心式制冷机又是空调中采用的主要机种。第八章第八章第八章第八章第八章第八章 图 4-17 FLZ-1000 离心式制冷机组简图 1、压缩机 2、增速齿轮箱 3、电动机 4、油箱 5、冷凝器 6、蒸发器 7、滤油器 8、油冷却器 离心式制冷机组 第八章第八章第八章开发研制离心式压缩机的难点、重点及对策开发研制离心式压缩机的难点、重点及对策 研制一台离心压缩机包括多方面的内容：气动热力计算、强度与振动计算、结构设计、各种材料的选择、加工制造工艺设计、自动控制与调节设计、以及驱动型式选择等。其中的离心式制冷压缩机研究难
27、重点主要有以下几个方面：第八章第八章第八章1.离心式制冷压缩机叶轮的设计离心式制冷压缩机叶轮的设计 转子作为离心式制冷压缩机的运动部件,其核心部分为叶轮.现在国内外各大离心式制冷压缩机厂家均采用三元流方法进行叶轮设计。三元流方法要求设计人员具备数值模拟、计算流体动力学、流体机械内部流场理论等非常专业的知识。国内公司技术人员大部分不具备这些专业知识,要设计高效的三元叶轮,只有和高校科研机构合作.高校中离心式制冷压缩机方面的专家主要有上海交大的谷传纲教授、西安交大的王尚锦教授等。第八章第八章第八章2.离心式制冷压缩机叶轮的加工制作离心式制冷压缩机叶轮的加工制作 以三元流理论设计的叶轮叶片形状一般为
28、空间曲面,叶片及叶轮的加工成型是制造的重点,也是难点.对于三元叶轮，离心式制冷压缩机常用的加工方法主要有两种：1)离心式制冷压缩机三体焊形式：也就是说轮盘、叶片、轮盖分别加工.这种加工方法对设备要求比较简单，轮盘、轮盖只需要车出外形就够了.叶片加工要麻烦一些，首先要利用三坐标机床铣出叶片模具，然后将下好料的叶片进行热处理，压型得到所需的叶片形状.最后将叶片焊接到轮盘上，再将轮盖焊好.这样的话需要的设备大概是三坐标铣床、热处理炉、油压机以及其他所需的一些常规设备，这样离心式制冷压缩机所需投资比较低,更适合开始做.第八章第八章第八章2)离心式制冷压缩机整体铣制：也就是轮盘和叶片是在一起利用多坐标设
29、备进行整体铣制而得到一个半开式叶轮.为避免干涉，目前国际上对这种叶轮的加工大都是利用五坐标加工中心进行.一台五坐标设备大概从几百万到上千万不止，成本非常高.以加工600mm叶轮为例,国内五轴床大概要350万人民币,进口五轴床大概要480万人民币.通过四坐标机床旋转工作台的倾斜实现三元叶轮的四坐标整体铣制，如果叶片稠度比较大,干涉问题在四坐标上就不可避免.四坐标的设备相对比较便宜，大概100多万人民币.第八章第八章第八章3.离心式制冷压缩机转子的临界转速的计算离心式制冷压缩机转子的临界转速的计算 离心式制冷压缩机临界转速是设计转子转速时要考虑的一个重要因素,转子转速要避开临界转速.临界转速的计算
30、一般采用普洛尔法,市场上有专门计算临界转速的软件,也可以自己开发计算软件.4.离心式制冷压缩机防喘振系统的设计离心式制冷压缩机防喘振系统的设计 由离心式制冷压缩机的工作机理可知,喘振是离心式制冷压缩机所固有的性质,不可消除,但可通过有效途径加以避免.离心式制冷压缩机发生喘振的原因:流量过低及冷凝压力过高.喘振对机组的危害相当大,须认真设计防喘振系统.5.离心式制冷压缩机滑动轴承的设计离心式制冷压缩机滑动轴承的设计 离心式制冷压缩机一般采用增速齿轮,转子转速一般都在5000RPM以上,都采用滑动轴承,滑动轴承的设计也是研制离心式制冷压缩机的一个重点.第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章第八章
