制冷压缩机电子教案二第四章 滚动转子式压缩机《制冷压缩机》电子教案第四章滚动转子式压缩机滚动转子式压缩机是一种容积型回转式压缩机，气缸工作容积的变化，是依靠一个偏心装置的 ...海川化工论坛网

《制冷压缩机》电子教案

第六章  离心式制冷压缩机

第一节  离心式压缩机的工作原理与结构
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离心式制冷压缩机属于速度型压缩机，是一种叶轮旋转式的机械。它是靠高速旋转的叶轮对气体做功，以提高气体的压力。气体的流动是连续的，其流量比容积型制冷压缩机要大得多。
一、压缩机的工作原理与主要结构
1. 工作原理
离心式制冷压缩机有单级、双级和多级等多种结构型式。单级压缩机主要由吸气室、叶轮、扩压器、蜗壳等组成，如图6-1所示。
对于多级压缩机，还设有弯道和回流器等部件。。多级离心式制冷压缩机的中间级如图6-2所示。
级数较多的离心式制冷压缩机中可分为几段，每段包括一到几级。

         

1—进口可调导流叶片  2—吸气室                       1—叶轮  2—扩压器
     3—叶轮  4—蜗壳  5—扩压器  6—主轴                   3—弯道  4—回流器
离心式制冷压缩机的工作原理如下：通过叶轮对气体做功，使其动能和压力能增加，气体的压力和流速得到提高。然后大部分气体动能转变为压力能，压力进一步提高。
对于多级离心式制冷压缩机，则利用弯道和回流器再将气体引入下一级叶轮进行压缩，如图6-2所示。
离心式制冷压缩机与往复活塞式制冷压缩机相比，具有以下特点：
①
①
在相同制冷量时，其外形尺寸小、重量轻、占地面积小。
②
②
无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单。
③
③
③磨损部件少，连续运行周期长，维修费用低，使用寿命长。
④
④
润滑油与制冷剂基本上不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能。
⑤
⑤
易于实现多级压缩和节流，达到同一台制冷机多种蒸发温度的操作运行。
⑥
⑥
能够经济地进行无级调节。
⑦
⑦
对大型制冷机，若用经济性高的工业汽轮机直接带动，实现变转速调节，节能效果更好。
⑧
⑧
转速较高，用电动机驱动的一般需要设置增速器。
⑨
⑨
当冷凝压力较高，或制冷负荷太低时，压缩机组会发生喘振而不能正常工作。
⑩
⑩
制冷量较小时，效率较低。
目前所使用的离心式制冷机组大致可以分成两大类：冷水机组和离心式制冷机组。
2. 主要零部件的结构与作用
（1）吸气室  吸气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。吸气室有轴向进气和径向进气两种形式，如图6-3所示。

a)轴向进气吸气室  b)径向进气肘管式吸气室  c)径向进气半蜗壳式吸气室

（2）进口导流叶片  进口导流叶片可用来调节制冷量。转动导叶时可采用杠杆式或钢丝绳式调节机构。杠杆式如图6-4所示。

1—小齿轮  2—齿圈  3—转动叶片  4—伺服电动机

5—波纹管  6—连杆  7—杠杆  8—手轮

1—导叶  2—从动齿轮  3—钢丝绳  4—过渡轮  5—主动齿轮

图6-5为钢丝绳传动形式。
（3）叶轮  叶轮也称工作轮，是压缩机中对气体做功的惟一部件。叶轮按结构型式分为闭式、半开式和开式三种，通常采用闭式和半开式两种，如图6-6所示。

a)
a)
闭式  b)半开式

离心式制冷压缩机的叶轮的叶片按形状可分为单圆弧、双圆弧、直叶片和三元叶片。
（4）扩压器  气体从叶轮流出时有很高的流动速度，为了将这部分动能充分地转变为压力能，在叶轮后面设置了扩压器，如图6-2所示。一般采用无叶扩压器。
（5）弯道和回流器  弯道和回流器是为了把由扩压器流出的气体引导至下一级叶轮。
在采用多级节流中间补气制冷循环中，段与段之间有中间加气，因此在离心式制冷压缩机的回流器中，还有级间加气的结构。图6-7给出了三种加气型式，其中b和c型对下一级叶轮入口气流均匀性不利，但可以减少轴向距离。

（6）蜗壳  蜗壳的作用是把从扩压器或从叶轮中（没有扩压器时）流出的气体汇集起来，排至冷凝器或中间冷却器。图6-8所示为常用的一种蜗壳形式。蜗壳一般是装在每段最后一级的扩压器之后，也有的最后级不用扩压器而将蜗壳直接装在叶轮之后，如图6-9所示。其中a为蜗壳前装有扩压器；

a)蜗壳前为扩压器  b)蜗壳前为叶轮  c)不对称内蜗壳

b为蜗壳直接装在叶轮之后；
c为不对称内蜗壳，是空调用单级机组中常用的形式。
蜗壳的横截面常见的有圆形、梯形等。
（7）密封  离心式制冷压缩机中常用的密封型式有如下几种。
1)迷宫式密封  又称为梳齿密封，主要用于级间的密封，如轮盖与轴套的内密封及平衡盘处的密封。常见的如图6-10所示。

a)镶嵌曲折型密封  b)整体平滑型密封  c)台阶型密封

2)机械密封  主要用于开启式压缩机中的转轴穿过机器外壳部位的轴端密封。如图6-11所示。
1—轴封壳体  2—弹簧  3、7—O形圈
4—静环座  5—静环  6—动环

a)单片油封  b)充气油封

3)油封  图6-12a为简单的单片油封。
图6-12b为充气密封。在空调用离心式制冷压缩机上，主要采用充气密封。
除上述主要零部件外，离心式制冷压缩机还有其它一些零部件。如：减少轴向推力的平衡盘；承受转子剩余轴向推力的推力轴承以及支撑转子的径向轴承等。
为了使压缩机持续、安全、高效地运行，还需设置一些辅助设备和系统，如增速器、润滑系统、冷却系统、自动控制和监测及安全保护系统等。

二、压缩机总体结构实例
离心式制冷压缩机和其它形式的制冷压缩机一样，按密封结构型式分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。表6-1给出了离心式制冷压缩机常用型式结构示意图及特点。

表6-1  离心式制冷压缩机常用形式结构示意图及特点

种类	结构示意图	特点
全 封 闭 式		所有的制冷设备封闭在同一机壳内。电动机两个出轴端各悬一级或两级叶轮直接拖动，取消了增速器、无叶扩压器和其它固定元件。电动机在制冷机中得到充分冷却，不会出现电流过载。装置简单，噪声低，振动小。有些机组采用气体膨胀机高速传动，结构更简单。一般用于飞机机舱或船只内空调，采用氟利昂制冷剂。它具有制冷量小，气密性好的特点
半 封 闭 式		压缩机组封闭在一起，泄漏少。各部件与机壳用法兰面连接，结构紧凑。采用单级或多级悬臂叶轮。多级叶轮也可不用增速器而由电动机直接拖动。电动机需专门制造，采用制冷剂冷却并要考虑电动机的耐腐蚀。润滑系统为整体组合件，埋藏在冷凝器一侧的油室中
空 调 用 开 启 式		开启式压缩机或增速器出轴端装有轴封。电动机放在机组外面利用空气冷却，可节省能耗3%~6%。也可用其它动力机械传动。若机组改换制冷剂运行时，可以按工况要求的大小更换电动机。润滑系统放在机组内部或另外设立。用于化工企业或空调
低 温 用 开 启 式		常用于化工流程中。尽量采用单位容积制冷量大的制冷剂以减小尺寸，通常采用化工工艺流程中的工质作制冷剂。采用多级压缩制冷循环以提高经济性。多级压缩机主轴的叶轮可以是顺向或逆向排列，各级有完善的固定元件，压缩机机壳为水平中分面，轴端用机械或其它型式的密封，轴的两端用止推及滑动轴承支撑。制冷剂有泄漏并有毒易爆，应控制其泄漏量。润滑系统一般另附油站，以确保转动部分的润滑和调节控制

图6-13为一台2800kW制冷量的空调用单级离心式制冷压缩机纵剖面图。它由叶轮、扩压器、蜗壳、增速齿轮、电动机和进口导叶等部件组成。

1—导叶电动机  2—进口导叶 3—增速齿轮  4—电动机  5—油加热管  6—叶轮

图6-14所示为ALT250-36/-20型氨离心式制冷压缩机的总体结构图。该机为2段7级，主要用于化工工艺中的冷却或大型食品工业冷藏等，其主要技术参数见表6-2。

表6-2  ALT250-36/-20压缩机主要技术参数

项 目		参 数	项 目	参 数
段 数		2	二段出口温度/℃	123
级 数		7（一段1~4级、二段5~7级）	二段出口压力/MPa	1.4279
设计工况	冷凝温度/℃	+36	转子最大直径/mm	475
	蒸发温度/℃	-20	主轴转速/（r/min）	12789
设计工况制冷量/kW		2907	电动机转速/（r/min）	1500
一段进口温度/℃		-12	电动机功率/kW	1600
一段进口压力/MPa		0.1764	机组传动方式	电动机—增速器—压缩机

压缩机的转子由主轴和七级叶轮组成，均用优质合金钢制造。
压缩机的级间密封是轮盖密封和级间轴封组成，均为迷宫密封。
压缩机两段的吸入口分别布置在机体前、后两侧，从而使轴封得以简化。
压缩机主轴的轴端用齿轮联轴器与行星齿轮增速器的输出轴联接。
压缩机吸入口装有蝶形阀，可采用控制其开度的方式调节压缩机的制冷量。
为了确保整个压缩机组各润滑部位的用油，该机需配置润滑油站，上设两套可切换的油系统，一套投入运行，一套备用。

第二节  空调用离心式制冷装置

一、离心式制冷循环
和其它压缩式制冷装置一样，离心式制冷循环是由蒸发、压缩、冷凝和节流四个热力状态过程组成。图6-15为一单级半封闭离心式制冷机组的制冷循环示意图。

1—电动机  2—叶轮  3—进口导流叶片  4—离心式制冷压缩机

5—冷凝器  6—蒸发器  7—节流阀  8—过冷盘管  9—过滤器

二、离心式制冷装置
离心式制冷装置主要是由离心式制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、润滑系统、进口低于大气压时用的抽气回收装置、进口高于大气压时用的泵出系统、能量调节机构及安全保护装置等组成。
1. 润滑系统
离心式制冷压缩机一般是在高转速下运行的，其叶轮与机壳无直接接触摩擦，无需润滑。但其他运动摩擦部位则不然，即使短暂缺油，也将导致烧坏，因此离心式制冷机组必须带有润滑系统。开启式机组的润滑系统为独立的装置，半封闭式则放在压缩机机组内。
图6-16所示为一半封闭离心式制冷压缩机的润滑系统。

1—液压泵  2—油冷却器  3—油压调节阀  4—注油阀  5—油过滤器  6—磁力塞

7—供油管  8—油压表  9—电动机  10—低油压断路器  11—关闭导叶的油开关

12—油箱压力表  13—除雾器  14—小齿轮轴承  15—径向轴承  16—推力轴承

17—喷油嘴视镜  18—油加热器的恒温控制器与指示灯

油箱中设有带恒温装置的油加热器。
2. 抽气回收装置
空调机组采用低压制冷剂（如R11、R123）时，压缩机进口处于真空状态。当机组运行、维修和停机时，不可避免地有空气、水分或其它不凝性气体渗透到机组中。因此需采用抽气回收装置，随时排除机内的不凝性气体和水分，并把混入气体中的制冷剂回收。
一般有“有泵”和“无泵”两种型式。

1~9—阀门  10—过滤干燥器  11—冷凝器压力表  12—回收冷凝器

13—再冷器  14—差压开关  15—回收冷凝器压力表  16、18—减压阀

17—止回阀  19—电磁阀  20—抽气泵  21—节流器

作为“有泵”型式的抽气回收装置的例子如图6-17所示，它由抽气泵（小型活塞式压缩机）、油分离器、回收冷凝器、再冷器、差压开关、过滤干燥器、节流器、电磁阀等组成。
“无泵”型抽气回收装置不用抽气泵，而采用新的控制流程，自动排放冷凝器中积存的空气和不凝性气体，达到与有泵装置等同的效果。
目前使用的无泵抽气回收装置控制方式，有差压式和油压式两种。图6-18为差压式无泵抽气回收装置示意图

1~8—波纹管阀  9、16—过滤器  10—干燥器  11—回收冷凝器  12—压力表

13—电磁阀  14—差压继电器  15—压力继电器  17—冷凝器  18—蒸发器

19—浮球阀  20—过冷段

图6-19为油压式无泵抽气回收装置示意图。

1—三通电磁阀  2—干燥过滤器  3—下浮球阀  4—上浮球阀  5—排气电磁阀

6、11—单向阀  7—冷却盘管  8—润滑油油位  9—回收冷凝器  10—节流口

另外对于采用高压制冷剂（如R22、R134a）的机组，还必须设置泵出系统。它用于充灌制冷剂、制冷剂在蒸发器和冷凝器之间的转换以及机组抽真空等场合。

第三节  离心式制冷机组的特性曲线及能量调节

一、离心式制冷机组的特性曲线
1. 离心式制冷压缩机的特性曲线
对于一般离心式压缩机，为了较清晰地反映其特性，通常在某一转速情况下，将排气压力和气体流量的关系用曲线表示。图6-20为某空调用离心式制冷压缩机在一定转速下的特性曲线。它表示了在不同蒸发温度t0时（t0=2、4、6℃），温差（Dt=tk-t0）及压缩机的轴功率Pe与制冷量Q0的关系曲线。
由图中可以看出，蒸发温度和冷凝温度的变化对制冷量都有较大的影响。当冷凝温度不变时，制冷量Q0随蒸发温度t0的升高而增大；当蒸发温度不变时，制冷量Q0随冷凝温度tk的升高而下降。压缩机的轴功率Pe一般情况下随制冷量的增大而增大，但随制冷量增大到某一最大值后发生陡降。

2. 冷凝器和蒸发器的特性曲线
在离心式制冷机组中，压缩机与制冷设备是密切相关的，因此需要讨论冷凝器和蒸发器两个主要设备的特性曲线。
由冷凝器换热方程与机组的热平衡方程的综合，可得冷凝器的冷凝温度tk与制冷量Q0之间的关系式：

                  （6-1）

式（6-1）中，1/Ke即离心式制冷机的比轴功率，此值随制冷量Q0的增大而减小，严格地说，冷凝器的特性曲线tk—Q0是一条稍微向上凸起的曲线。为分析工况方便，可不考虑Q0的变化，而认为冷凝器的特性曲线是一条斜率与冷却水量Gw成反比的直线（见图6-21中的Ⅰ、Ⅰ¢、Ⅱ、Ⅱ¢）。当制冷量为0时，tk=tw1。由图6-21中的冷凝器特性曲线可看出，冷凝温度随着Q0的增加而升高。当冷却水进水温度tw1改变时，冷凝器的特性曲线tk—Q0在纵坐标上的初始点位置也随之改变。当进入冷凝器的冷却水量减少时，冷凝器的特性曲线tk—Q0斜率增大；当冷却水量增大时，则斜率减小。

和冷凝器的方程转换类似，可推导出蒸发器的蒸发温度t0与制冷量Q0的关系为：

                  （6-2）

由式（6-2）可见：当载冷剂质量流量Gs及进入蒸发器的载冷剂温度ts1恒定时，蒸发温度t0随制冷量Q0的增加而降低。若不考虑蒸发器的传热系数K0的变化，则t0与Q0将成为直线关系（见图6-21）。
3. 压缩机与制冷设备的联合工作特性
当通过压缩机的流量与通过制冷设备的流量相等，压缩机产生的压头（排气口压力与吸气口压力的差值）等于制冷设备的阻力时，整个制冷系统才能保持在平衡状况下工作。这样制冷机组的平衡工况应该是压缩机特性曲线与冷凝器特性曲线的交点。
图6-21中压缩机特性曲线与冷凝器特性曲线的交点A为压缩机的稳定工作点。
“喘振”
当冷凝器冷却水进水量减小到一定程度时压缩机的流量变得很小，压缩机流道中出现严重的气体脱流，压缩机的出口压力突然下降。由于压缩机和冷凝器联合工作，而冷凝器中气体的压力并不同时降低，于是冷凝器中的气体压力反大于压缩机出口处的压力，造成冷凝器中的气体倒流回压缩机，直至冷凝器中的压力下降到等于压缩机出口压力为止。这时压缩机又开始向冷凝器送气，压缩机恢复正常工作。但当冷凝器中的压力也恢复到原来的压力时，压缩机的流量又减小，压缩机出口压力又下降，气体又产生倒流。如此周而复始，产生周期性的气流振荡现象。
如图6-21中所示，当冷凝器冷却水进水量减小，冷凝器的特性曲线移至位置Ⅱ时，压缩机的工作点移至K。这时，制冷机组就出现喘振现象。点K即为压缩机运行的最小流量处，称为喘振工况点，其左侧区域为喘振区域。
喘振时，压缩机周期性地发生间断的吼响声，整个机组出现强烈的振动。冷凝压力、主电动机电流发生大幅度的波动，轴承温度很快上升，严重时甚至破坏整台机组。因此，在运行中必须采取一定的措施，防止喘振现象的发生。
由于季节的变化，冷水机组工况范围变化的幅度较大。因此，扩大工况范围，特别是减小喘振工况点的流量，是目前改善离心式制冷机组性能的关键之一。

二、离心式制冷机组的能量调节
离心式制冷机组的能量调节，决定于用户热负荷大小的改变。一般情况下，当制冷量改变时，要求保持从蒸发器流出的载冷剂温度tS2为常数（这是由用户给定的），而这时的冷凝温度是变化的。改变压缩机及换热器参数可对机组的能量进行调节，为防止发生喘振，还必须有防喘振措施。
1. 压缩机对机组能量的调节
（1）进气节流调节  
（2）采用可调节进口导流叶片调节
图6-22所示为空调用制冷机组中进口导流叶片自动能量调节的示意图。

（3）改变压缩机转速的调节  当用汽轮机或可变转速的电动机拖动时，可改变压缩机的转速进行调节，这种调节方法最经济。如图6-23所示，

压缩机转速的改变可采用变频调节以改变电动机转速来实现。
VSD根据冷水出水温度和压缩机压头来优化电动机的转速和导流叶片的开度，从而使机组始终在最佳状态区运行。图6-24为VSD工作原理图。
2. 改变换热器参数（如改变冷却水水量）对机组能量的调节
由前可知当改变冷凝器冷却水流量时，可以得到不同的冷凝器特性曲线，从而可使工作点移动，达到调节能量的目的。但这种调节方法不经济，一般只在采用其它调节方法的同时作为一种辅助性的调节。

3. 防喘振调节
离心式制冷机组工作时一旦进入喘振工况，应立即采取调节措施，降低出口压力或增加入口流量。压力比和负荷是影响喘振的两大因素，一般可采用热气旁通来进行喘振防护，如图6-25所示，它是通过喘振保护线来控制热气旁通阀的开启或关闭，使机组远离喘振点，达到保护的目的。

a)喘振保护示意图   b)系统循环图