离心压缩机系统喘振特性的理论与实验研究

中央空调冷水机组运行参数和工况分析

一、喘振产生的机理

离心压缩机的基本工作原理是利用高速旋转的叶轮对气体做功，将机械能加给气体，使气体压力升高，速度增大，气体获得压力能和速度能。在叶轮后面设置有通流面积逐渐扩大的扩压元件，高压气体从叶轮流出后，再流经扩压器进行降速扩压，使气体流速降低，压力继续升高，即把气体的一部分速度能转变为压力能，完成了压缩过程。

扩压器流道内的边界层分离现象：扩压器流道内气流的流动，来自叶轮对气流所做功转变成的动能，边界层内气流流动，主要靠主流中传递来的动能，边界层内气流流动时，要克服壁面的摩擦力，由于沿流道方向速度降低，压力增大，主流的动能也不断减小。

当主流传递给边界层的动能不足以使之克服压力差继续前进时，最终边界层的气流停滞下来，进而发生旋涡和倒流，使气流边界层分离。气体在叶轮中的流动也是一种扩压流动，当流量减小或压差增大时也会出现这种边界层分离现象。

当流道内气体流量减少到某一值后，叶道进口气流的方向就和叶片进口角很不一致，冲角α大大增加，在非工作面引起流道中气流边界层严重分离，使流道进出口出现强烈的气流脉动。

当流量大大减小时，由于气流流动的不均匀性及流道型线的不均匀性，假定在B流道发生气流分离的现象，这样B流道的有效通流面积减小，使原来要流过B流道的气流有一部分要流向相邻的A流道和C流道，这样就改变了A流道，C流道原来气流的方向，它使C流道的冲角有所减小，A流道的冲角更加增大，从而使A流道中的气流分离，反过来使B流道冲角减小而消除了分离现象，于是分离现象由B流道转移到A流道。这样分离区就以和叶轮旋转方向相反的方向旋转移动，这种现象称为旋转脱离。

扩压器同样存在旋转脱离。在压缩机的运转过程中，流量不断减小到Qmin值时，在压缩机流道中出现如上所述严重的旋转脱离，流动严重恶化，使压缩机出口排气压力突然大大下降，低于冷凝器的压力，气流就倒流向压缩机，一直到冷凝压力低于压缩机出口排气压力为止，这时倒流停止，压缩机的排量增加，压缩机恢复正常工作。

而实际上压缩机的总负荷很小，限制了压缩机的排量，压缩机的排量又慢慢减小，气体又产生倒流，如此反复，在系统中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象称为喘振。

压缩机达到最小排量点而产生严重的气流旋转脱离是内因，而压缩机的性能曲线状况和工况点的位置是条件，内因只有在条件的促成下，才能发生特有的现象——喘振。

离心冷水机组运行在部分负荷时，压缩机导叶开度减小，参与循环的制冷剂流量减少。压缩机排量减小，叶轮达到压头的能力也减小。而冷却水温由于冷却塔未改变而维持不变，则此时就可能发生旋转失速或喘振。

喘振是速度型离心式压缩机的固有特性。因此对于任何一台离心式压缩机，当排量小到某一极限点时就会发生该现象。冷水机组是否在喘振点附近运行，主要取决于机组的运行工况。在什么状态发生喘振只有通过对机器的试验，即不断减少其流量，才可以测出具体的喘振点。

由于压缩机叶轮流道内气体流量的减少，按照压缩机的特性曲线，其运行的工况点引向高压缩比方向。这时气流方向的改变在叶轮入口产生较大的正冲角，使得叶轮叶片上的非工作面产生严重的气流“脱离现象”，气动损失增大，叶轮出口处产生负压区，引起冷凝器上部或蜗壳内原有的正压气流沿压降方向“倒灌”，退回叶轮内，使叶轮流道内的混合流量增大，叶轮恢复正常工作。

如此时压缩机工况点仍未脱离喘振点(区)，又将出现上述气流的“倒灌”。气流这种周期性的往返脉动，正是压缩机喘振的根本原因。

二、喘振的危害性

喘振是离心式压缩机的运行工况在小流量、高压比区域中所产生的一种不稳定的运行状态。压缩机喘振时，将出现气流周期性振荡现象。喘振带给压缩机严重的破坏，会导致下列严重后果：

(1)使压缩机的性能显著恶化，气体参数(压力、排量) 产生大幅度脉动。

(2)噪声加大。

(3)大大加剧整个机组的振动。喘振使压缩机的转子和定子的元件经受交变的动应力：压力失调引起强烈的振动，使机组中心偏移，轴承磨损，密封间隙增大;甚至发生转子和定子元件相碰等：叶轮动应力加大。

(4)电流发生脉动。

(5)小制冷量机组的脉动频率比大型机组高，但振幅小。

不同于一般的机械振动，在压缩机出口产生气流的反复倒灌、吐出、来回撞击，使得主电机交替出现满载和空载，电流表指针或压缩机出口压力表指针产生大幅度无规律的强烈抖摆和跳动。压缩机转子在机内沿轴向来回窜动，并伴有金属摩擦和撞击声响。

三、防喘振措施

1、热气旁通喘振防护原理

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。从以上喘振产生的机理来看，在离心式冷水机组中，压比和负荷是影响喘振的两大因素。当负荷越来越小，小到某一极限点时，便会发生喘振，或者当压比大到某一极限点时，便会发生喘振。

用热气旁通来进行喘振防护，是通过喘振保护线来控制热气旁通的开启或关闭，使机组远离喘振点，达到保护的目的。从冷凝器连接到蒸发器一根连接管，当运行点到达喘振保护点而未达到喘振点时，通过控制系统打开热气旁通电磁阀，从冷凝器的热气排到蒸发器，降低了压比，同时提高了排气量，从而避免了喘振的发生。

2、改变压缩机转速

压缩机转速改变，压缩机的性能曲线将随着移动，可以增加稳定工况区域，它适用于蒸汽轮机、燃气轮机拖动的机组，是一种比较经济的调节方法，只是调节后的工作点不一定是最高效率点。但对电动机拖动的机组，为了便于变速，就要用直流机组或采用变频方法，这会使设备大大复杂化，同时造价也高。

3、多级压缩

多级压缩以降低压缩机转速。一般多级机器中任何一级发生喘振，都会影响到整台机器的正常工作。采用多级压缩，在同样的压比工况下，可大大降低压缩机的转速，增大稳定工况区域。

4、采用转动的扩压器调节

当流量减小时，一般在扩压器中首先产生严重的旋转脱离而导致喘振。在流量变化时，如果能相应改变扩压器流道的进口几何角，以适应改变了的工况，使冲角α不致很大，则可使性能曲线向小流量区大幅度移动，扩大稳定工况范围，使喘振流量大为降低，达到防喘振的目的。该防喘振控制方式，已在开利的产品中得到具体的应用，但低负荷时仍须采用热气旁通。

5、可移动式扩压腔

上面提到，在离心式冷水机组中喘振发生的原因为压比和负荷。当机组运行的压比一定时(提升力)，机组的运行负荷将影响机组是否发生喘振。对于离心机组来说，当运行负荷降低时，压缩机的导叶逐渐关闭，吸气量降低，如果扩压腔的通道面积不变，则气体的流速降低：当气体的流速无法克服扩压腔的阻力损失时，气流会出现停滞，由于气体动能的下降，转化的压力能也降低：当气流体压力小于排气管网的压力时，气流发生倒流，喘振发生。

四、结论

热气旁通、改变压缩机转速、多级压缩、转动的扩压器调节以及散流滑块设计均能有效避免“喘振”，对于离心式冷水机组具有较好的节能效果。

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【学员问题】离心式制冷压缩机防喘振措施？

【解答】1、喘振产生的机理

离心压缩机的基本工作原理是利用高速回转的叶轮对气体做功，将机械能加给气体，负气体压力升高，速度增大，气体获得压力能和速度能。在叶轮后面设置有通流面积逐渐扩大的扩压元件，高压气体从叶轮流出后，再流经扩压器进行降速扩压，负气体流速降低，压力继续升高，即把气体的一部分速度能转变为压力能，完成了压缩过程。扩压器流道内的边界层分离现象：扩压器流道内气流的活动，来自叶轮对气流所做功转变成的动能，边界层内气流活动，主要靠主流中传递来的动能，边界层内气流活动时，要克服壁面的摩擦力，由于沿流道方向速度降低，压力增大，主流的动能也不断减小。当主流传递给边界层的动能不足以使之克服压力差继续前进时，终极边界层的气流停滞下来，进而发生旋涡和倒流，负气流边界层分离。气体在叶轮中的活动也是一种扩压活动，当流量减小或压差增大时也会出现这种边界层分离现象。

当流道内气体流量减少到某一值后，叶道进口气流的方向就和叶片进口角很不一致，冲角α大大增加，在非工作面引起流道中气流边界层严重分离，使流道进出口出现强烈的气流脉动。当流量大大减小时，由于气流活动的不均匀性及流道型线的不均匀性，假定在B流道发生气流分离的现象，这样B流道的有效通流面积减小，使原来要流过B流道的气流有一部分要流向相邻的A流道和C流道，这样就改变了A流道，C流道原来气流的方向，它使C流道的冲角有所减小，A流道的冲角更加增大，从而使A流道中的气流分离，反过来使B流道冲角减小而消除了分离现象，于是分离现象由B流道转移到A流道。这样分离区就以和叶轮旋转方向相反的方向旋转移动，这种现象称为旋转脱离。

扩压器同样存在旋转脱离。在压缩机的运转过程中，流量不断减小到Qmin值时，在压缩机流道中出现如上所述严重的旋转脱离，活动严重恶化，使压缩机出口压力忽然大大下降，低于冷凝器的压力，气流就倒流向压缩机，一直到冷凝压力低于压缩机出口压力为止，这时倒流停止，压缩机的排量增加，压缩机恢复正常工作。而实际上压缩机的总负荷很小，限制了压缩机的排量，压缩机的排量又慢慢减小，气体又产生倒流，如此反复，在系统中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象称为喘振。

压缩机达到最小排量点而产生严重的气流旋转脱离是内因，而压缩机的性能曲线状况和工况点的位置是条件，内因只有在条件的促成下，才能发生特有的现象———喘振。

离心冷水机组运行在部分负荷时，压缩机导叶开度减小，参与循环的制冷剂流量减少。压缩机排量减小，叶轮达到压头的能力也减小。而冷却水温由于冷却塔未改变而维持不变，则此时就可能发生旋转失速或喘振。

喘振是速度型离心式压缩机的固有特性。因此对于任何一台压缩机，当排量小到某一极限点时就会发生该现象。冷水机组是否在喘振点四周运行，主要取决于机组的运行工况。在什么状态发生喘振只有通过对机器的试验，即不断减少其流量，才可以测出具体的喘振点。

由于压缩机叶轮流道内气体流量的减少，按照压缩机的特性曲线，其运行的工况点引向高压缩比方向。这时气流方向的改变在叶轮进口产生较大的正冲角，使得叶轮叶片上的非工作面产生严重的气流“脱离现象”，气动损失增大，叶轮出口处产生负压区，引起冷凝器上部或蜗壳内原有的正压气流沿压降方向“倒灌”，退回叶轮内，使叶轮流道内的混合流量增大，叶轮恢复正常工作。

如此时压缩机工况点仍未脱离喘振点（区），又将出现上述气流的“倒灌”。气流这种周期性的往返脉动，正是压缩机喘振的根本原因。

2、喘振运行状态

喘振是离心式压缩机的运行工况在小流量、高压比区域中所产生的一种不稳定的运行状态。压缩机喘振时，将出现气流周期性振荡现象。喘振带给压缩机严重的破坏，会导致下列严重后果：

1）使压缩机的性能明显恶化，气体参数（压力、排量）产生大幅度脉动。2）噪声加大。3）大大加剧整个机组的振动。喘振使压缩机的转子和定子的元件经受交变的动应力：压力失调引起强烈的振动，使密封和轴承损坏，甚至发生转子和定子元件相碰等：叶轮动应力加大。4）电流发生脉动。5）小制冷量机组的脉动频率比大型机组高，但振幅小。

不同于一般的机械振动，在压缩机出口产生气流的反复倒灌、吐出、往返撞击，使得主电机交替出现满载和空载，电流表指针或压缩机出口压力表指针产生大幅度无规律的强烈抖摆和跳动。压缩机转子在机内沿轴向往返窜动，并伴有金属摩擦和撞击声响。

3、防喘振措施

3.1　热气旁通喘振防护原理

一旦进进喘振工况，应立即采取调节措施，降低出口压力或增加进口流量。从以上喘振产生的机理来看，在离心式冷水机组中，压比和负荷是影响喘振的两大因素。当负荷越来越小，小到某一极限点时，便会发生喘振，或者当压比大到某一极限点时，便会发生喘振。用热气旁通来进行喘振防护，是通过喘振保护线来控制热气旁通的开启或封闭，使机组阔别喘振点，达到保护的目的。从冷凝器连接到蒸发器一根连接管，当运行点到达喘振保护点而未达到喘振点时，通过控制系统打开热气旁通电磁阀，从冷凝器的热气排到蒸发器，降低了压比，同时进步了排气量，从而避免了喘振的发生。

3.2　改变压缩机转速

压缩机转速改变，压缩机的性能曲线将随着移动，可以增加稳定工况区域，它适用于蒸汽轮机、燃气轮机拖动的机组，是一种比较经济的调节方法，只是调节后的工作点不一定是最高效率点。但对电动机拖动的机组，为了便于变速，就要用直流机组或采用变频方法，这会使设备大大复杂化，同时造价也高。

3.3　多级压缩

多级压缩以降低压缩机转速。一般多级机器中任何一级发生喘振，都会影响到整台机器的正常工作。采用多级压缩，在同样的压比工况下，可大大降低压缩机的转速，增大稳定工况区域。

3.4　采用转动的扩压器调节

当流量减小时，一般在扩压器中首先产生严重的旋转脱离而导致喘振。在流量变化时，假如能相应改变扩压器流道的进口几何角，以适应改变了的工况，使冲角α不致很大，则可使性能曲线向小流量区大幅度移动，扩大稳定工况范围，使喘振流量大为降低，达到防喘振的目的。该防喘振控制方式，已在开利的产品中得到具体的应用，但低负荷时仍须采用热气旁通。

3.5　可移动式扩压腔

上面提到，在离心式冷水机组中喘振发生的原由于压比和负荷。当机组运行的压比一定时（提升力），机组的运行负荷将影响机组是否发生喘振。对于离心机组来说，当运行负荷降低时，压缩机的导叶逐渐封闭，吸气量降低，假如扩压腔的通道面积不变，则气体的流速降低：当气体的流速无法克服扩压腔的阻力损失时，气流会出现停滞，由于气体动能的下降，转化的压力能也降低：当气流体压力小于排气管网的压力时，气流发生倒流，喘振发生。

4、结语

热气旁通、改变压缩机转速、多级压缩、转动的扩压器调节以及散流滑块设计均能有效避免“喘振”，对于离心式冷水机组具有较好的节能效果。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。