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工程师讲解:离心压缩机技术!

离心式压缩机的原理是通过叶片向空气施加动能,不像容积式使用油或水,工厂内用气的压缩级数为2~4级。

 

 

 

一、离心式压缩机的主要结构

 

 

1、叶轮(叶片轮)

 

是向空气施加动能的部分,过去是以精密铸造的方式生产,但在开发出高速5轴加工机后,更多采用切削加工的方式。这种方式的实际生产工时数少,成本低廉。其材质一般使用了不会腐蚀的钛合金或不锈钢。

 

从原理上看,压缩级数越多越接近于等温压缩,其效率越高。如考虑中间冷却器的压力损失及轴封装置产生的泄露,2级压缩与3级压缩的效率之差大约为3.5%3级压缩与4级压缩的效率之差约为1%

 

由于流体数值分析的进步,其处理软件已经不存在购买门槛,因此老牌制造商在技术与数据积累方面的优势已经消失。叶轮单体的效率也达到95%,已没有多大的改善余地。

 

由于干螺杆压缩机的螺杆与螺杆的接触会烧焦并受损,因此对精度的管理非常重要,但离心式压缩机的叶轮即使与蜗壳发生稍许接触也不致于烧焦并发生事故。运转中的叶轮由于离心力引起的形变或蜗壳的形变,致使实际运转时叶轮的出口并不存在缝隙。如在运转结束后进行拆分查看,则大多数情况下能够确认轻微接触的痕迹。也就是说其结构非常安全。

 

2、扩压器

 

对叶轮加速的空气进行减速,并转变为压力的装置被称为扩压器。

 

如不带叶片(无叶片式)则空气多沿圆周方向流动,到达下游涡室(蜗壳)的距离变长。一般地,通过安装固定式叶片将气流角度改变为沿半径方向来缩短通过的距离,减少通路的摩擦损失。该通路存在隧道式、叶片式、无叶片式等。

 

1983年九州大学的妹尾泰利教授在ASME公布了其开发的小展弘比叶片扩压器(低密度型),在效率与流量范围内非常实用,得到了全世界的广泛采用。妹尾泰利教授在当时并未申请专利权,因此该项技术在世界范围内使用都不受限制。

 

流体力学当中,对空气的减速要比加速困难。因此扩压器的改良开发难度要高于旋转叶轮的开发,目前在实际使用上的损失约在10%左右,还存在进步的空间,有待进一步的开发改良。

   

二、离心式压缩机的特点

   

1、喘振

 

离心式压缩机具有容积式所不具备的喘振特点。

 

 

 

当流量减少到某个界限时,扩压器及叶轮会出现失速(stall,下游的空气开始逆流向上游。在该流量界限下,排气侧空气发生一次全量逆流,下游被压缩的空气在上游急剧膨胀,会产生爆炸音。该逆流使排气侧的压力急剧下降,后又上升并再次发生逆流,这种振荡现象被称为涡轮的喘振。

 

由于引起该现象的原因是扩压器或叶轮的失速,因此要考虑防止该失速的方法。在叶轮施加的动能被不断地转变为压力的情况下,失速的原因是过大的减速。一旦发生减量,扩压器这种一般减速器会最先开始失速,有的设计也有可能出现叶轮先失速的情况。

 

叶轮是一种空气加速机,一般不认为其会出现失速,但如果从叶轮与空气的相对速度来考虑的话,则在叶轮也可能出现减速。如要尽可能避免失速,可以减小扩压器或叶轮的减速比,但这样会增加半径方向上的长度,通路内的摩擦损失会随着该长度的增加而成比例增加。如何缩小进气壳(蜗壳)来有效地减速,是提高离心机性能技术的关键。不带叶片的无叶片式扩压器通路距离也比较长,损失会增加,但另一方面其减速比要比带叶片式小,因此不容易发生失速。

 

在相同条件下,即运转时不改变转数并降低流量,提高压力比,则干螺杆压缩机的排气温度会上升,螺杆会烧焦损伤,因此其带有排气温度上升即触发停机的安全装置。离心式压缩机也带有避免喘振的控制装置,但即使控制失效出现了喘振,一般也不会引起损伤,它会因为振动过大或逆流空气温度即进气温度上升而停机。

 

2、流量调节范围

 

离心式压缩机的特点是,通过缩小进气阀,不仅能够减少进气量,还能够移动作用点,降低进气压力以减少压比的增高。而把握调节范围的关键,在于如何避免前述的喘振。

 

要追求最高效率,可以加大叶轮与扩压器的减速能力,减小通路损失,但因流量的减少很快便会出现失速。原则上,同时追求最高效率与最大流量调节范围是矛盾。市场中的产品被迫做出了一定的妥协。

 

制冷剂或汽车引擎涡轮增压器中的扩大流量调节范围技术已十分成熟,防止扩压器失速的扩压器旁通技术、扩压器节流技术以及防止叶轮进口部分失速的技术已有相关产品。

 

这些技术可扩大离心式压缩机的流量调节范围,使离心式压缩机作为一种容量调节设备有效地与变频式螺杆压缩机进行对抗。

   

三、离心式压缩机的优缺点

 

优点:

 

没有磨损件,维护成本在压缩机中最低;


与螺杆式压缩机相比,缝隙产生的泄露少,因此单级的效率高;


与干式螺杆压缩机相比,零件数量及加工工时数少,加工精度要求不高,生产成本低。


 

压缩机停止与运转时在热膨胀或应力下会发生形变,缝隙会发生变化。

 

干螺杆压缩机的两根螺杆以面相对,因此它的特点是稍稍接触便会形成面接触,引起发热膨胀,烧焦并卡死,而另一方面,离心式压缩机最大的特点,是叶轮叶片与蜗壳是以线相对,因此即使发生若干接触也是线接触,叶片如刀片般划过,不会烧焦。因此,它最大的优点是事故比干式螺杆压缩机要少得多。

 

缺点:

 

空气通路部分(叶轮及扩压器)表面的污染会导致性能降低

 

性能会降低约10%左右。但消耗功率也会减少。由于空气的速度为每秒数百米,因此接触面表面的粗糙程度对性能有巨大影响,特别是流速最快的扩压器部分的污染影响最大。当然,除污染之外,腐蚀同样会使表面粗糙并降低性能。

要解决该问题,可以提高空气过滤器的过滤精度,以及定期实施内部(叶轮及扩压器)的清扫。此外,离心式压缩机空气过滤器的性能一般要高于其他类型,并且为了延长滤芯的寿命而占有非常大的面积,有的用户使用比燃气轮机(燃气轮机也是一种涡轮机械,因此具有相同的缺点)性能更高的过滤器来防止性能降低,其滤芯可自动缠绕也便于维护。船舶涡轮增压器很早就将定期喷水清洗叶轮与扩压器的方法投入了实用,但该方法似乎并未被用于陆地型透平机械中,用户对此也并不关注。

 

初期投资昂贵

 

螺杆式与活塞式压缩机制造商的商业模式是依靠维护费来回收利润,因此可给出较低的售价。但是离心式压缩机并没有太多的维护项目,因此即使生产成本低廉,也不得不提出高昂的价格

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