离心式压缩机的发展历程(一)
0 引言
第一台工业上使用的离心压缩机是在人类迈入 20 世纪时与早期的燃气轮机一同出现的。其中一些工作是由发明第一台燃气轮机的 Elling 在 1903 年完成的。在 20 世纪初期，这些压缩机也被应用在过程工业中。最早应用的是钢铁厂中的高炉鼓风机。例如，某设备制造商（OEM）将第一台 7 系列的离心压缩机在 1912 年销售给了位于美国密苏里州圣路易斯的 Scullin 钢铁公司。即使按照现在的标准衡量，这些鼓风机也是大型的设备。虽然在功能上相同，但是以前压缩机中的基本部件如：轴承、密封、叶轮和扩压器等与现在压缩机中复杂内部部件相比，还是有很大的不同。
提高制造方法是发展现代高性能离心压缩机的一个重要因素。如果不能精确加工出为了提高性能所设计的复杂型线，那么应用现代尖端分析和设计技术就显得意义不大。能够取得当前的高效率水平，与现在的制造方法是密不可分的。不过，这种看法最初并不被认同。
在离心压缩机发展的初期阶段，设计水平在一定程度上受到了当时制造方法的限制。设备制造商在进行设计时，不得不使用当时较为有限的几种方法，包括机械加工（即车削、三轴铣制）、联接（即焊接、铆接）和铸造。
机械加工技术当时只有车削和三轴铣制。这两种方法只能加工非常简单的二维型线，并被应用在大多数离心压缩机上，但是无法满足大流量和（或）高马赫数的要求。设备制造商必须使用焊接或铸造，来制造应用在较高流量场合的更复杂的型线。事实上，直到 20 世纪50 年代末、 60 年代初，焊接叶轮还没有被大量的使用。因此，早期离心压缩机的叶轮主要是铸造或者是铆接的。一些最早期的铆接叶轮可以追溯到 20 世纪 20 年代。
同样，定子部件也是焊接或铸造的。由于当部件相同时，重复铸造可以降低成本；当时提高性能不是考核的关键，大多数设备制造商倾向于使用铸造方法。压缩机机壳使用铸件的方式，直到 20 世纪 50 年代还较为普遍。不过铸造部件表面粗糙的特性，决定了在使用它的时候，必须牺牲一些空气动力学性能，但是并不阻碍它可以大量被应用在工艺压缩机中。当时甚至整个通流部分均可以由铸件组成。之后，通流部分部件开始较少使用铸件，而是用焊接、螺栓连接、或铆接的型式来制造。
在这些早期压缩机中，其主要性能指标只是简单地压缩气体，能量消耗不是主要考核点。
随着高能耗所造成的高成本和设备制造商们的竞争升级，越来越有必要开发高性能的离心压缩机。
过去60年来 , 压缩机最高效率的发展过程见图 1 。图中曲线表示流量系数φ大于0.080 的离心压缩机基本级。当基本级流量系数较小时，由于各种损失的影响，其最高效率相对较低。从图中可以看出，在 20 世纪 50 年代的最高效率大多分布在 70%～75% 。那时的能源相对丰富，没有人在意性能相对低的离心压缩机。但是随着 20 世纪 70 年代中期能源危机的爆发，用户与压缩机制造商开始注重降低能量消耗，使得原动机和压缩机的性能大大提高，压缩机效率达到了80%～85% 。在90年代和本世纪初，效率得到进一步发展，可以接近 90% 。但是多级离心压缩机工业正在逼近由 90%～92% 的理论多变效率决定的效率极限。因此，想要设计出效率高于 92% 的多级工艺离心压缩机几乎是不可能的。显然，牛顿定律和热力学定律就决定了压缩机不可能达到100%的效率。此外，还有一些基本损失（即二次流、边界效应、泄漏、气流角度偏差、轴承磨擦等）在基本级中是不可避免的。这些基本损失会将多级离心压缩机的效率限制在90%～92%。
对比最初的几十年发展阶段，最近十几年来效率的提高幅度相对较小，显然这是由于效率已经被提高至趋于极限，即使大量的投入也很难取得显著提高。未来的提高方向可以有下列几种：（ a ）考虑从前被认为是次要的、忽略的性能影响因素，如泄漏通道；（ b ）开发更先进的空气动力学零部件；（ c ）融合轴流和离心技术。通过这些方法可能获得更高的级或整机效率，但是可能要牺牲一些流量范围。虽然现在所谓的理论效率极限也有可能被打破，不过可以预见，在未来十年的发展中，效率的提高不会像从前有 5% 或 10% 的提高，而只能是 0.1% ， 0.5% 或 1% 逐渐地提高了。
离心式压缩机的发展历程(二)
1 空气动力学
在离心压缩机中的主要空气动力学部件有进口涡室、进口导叶、叶轮、扩压器、弯道、回流器、出口涡室和旁流（或级间抽、加气）部件等。所有这些部件均伴随着制造和分析方法的提高而得到了优化。下面按照它们对性能影响的重要性的顺序，从高到低地对这些部件进行详细探讨。
1.1 叶轮
离心压缩机获得较高的性能需要优秀的空气动力学设计，而离心式叶轮是其中最为重要的部件。由于被压缩气体所得到的全部能量均是由叶轮传递而来的，所以如果没有很好设计的叶轮，离心压缩机整机性能或每个压缩级是无法取得较高效率的。在过去几十年内，效率的提高，大多通过制造和设计手段的改进来不断完善叶轮型线而取得的。
早期的叶轮是通过焊接、钎焊，铆接或铸造所制造的。每种制造方法都会限制叶轮的几何形状，从而限制其性能的获得。在 20 世纪五六十年代，设备制造商开始制造焊接式叶轮。焊接叶轮主要有两种类型：两件焊和三件焊。在两件焊的结构中，叶轮的叶片是被三轴铣制在轮盖（或轴盘）上，再以角焊缝型式与轴盘（或轮盖）焊接为一体；由于是三轴铣制，叶片型线实际上是二维的，即由圆形、椭圆或其它二维几何形状组成。这样的结构严重限制了空气动力学的设计，但是这就是当时三轴铣制所能够取得的。此外，为了进行角焊缝焊接，流道必须有足够的宽度来使焊具进入（通常 15.25mm 或更大）。因此，窄流道的小流量系数的叶轮是无法用焊接来制造，而只有通过贯穿叶片的铆接或铸造来实现，见图2。
当叶轮的流量系数较大时（φ>0.040 ），叶轮的叶片进口角必须贴近非均匀分布的进口气流角才能获得较好的性能。阐述如下：
大流量系数的级，叶轮进口处的圆周速度和子午面速度的分布变化很大，从而使叶轮进口处从轮盖到轴盘分布的接近角的变化很大见图3。圆周速度U1x ）是一个由不同位置的直径所决定的参数，即大流量系数的级中，从轮盖到轴盘，直径逐渐变大，故此，U1S要比U1H 大很多。
此外，叶片前缘的当地曲率从轮盖到轴盘方向也在变化。子午面速度（C mx）由当地的曲率所决定，所以C1S要大于C1M或C1H[4]。由于U1x和C1x 的变化，从轮盖到轴盘方向的气流接近角也发生变化。为了使得这些角度能相互接近，就必须使接近角在前缘的变化是三维结构。
因为用户不断要求处理更大的流量，众多压缩机制造商也曾经在大流量系数时使用了二维叶片，但是二维型线不能适应大流量时较大的气流进口角，这些压缩机的性能均不是很好。
随着对风机性能要求的不断提高，必须找出方法来制造三维叶片。早期的解决方案是铸造或三件组装（焊接或铆接）。使用铸造时，假若前缘角度可以满足进口安装角的要求，那么三维型线可以通过复杂的模具铸造出来；三件组装中所谓的“三件”就是轮盖、轴盘和一定数量的叶片。最初的三维设计，叶片型线是由锥体、圆柱体和圆环体组成的，这些均可以用轧制或冲压来取得。但是，这些型线虽然改善了安装角，但在整个叶轮流道中还是不精确。越是要求复杂的型线，那么型线就好像是可以任意变化的。由于型线不再是普通的几何形状
那样可以简单复制，所以被称为自由型线。自由型线是由空间或网格中的直线元素构成的，这就需要大量的几何体生成软件模块。其中晚期的软件模块至今仍在使用。
叶片由模锻或者其它成型方法加工后，再将其与一个用于检查的模块进行对比，来确定其型线是正确的。不过由于弹性变形的存在，叶片还是会与想要得到的型线有偏差。叶片随后与轮盖和轴盘进行焊接或铆接，就形成了叶轮，见图4 。简单或是复杂的各种固定叶片的工具被开发出来，用于减少叶片与叶片之间的位置变化。这些相对位置变化在铆接叶轮中一般较小，而在焊接叶轮中因焊接及随后的热处理而较大。此外，焊接叶轮必须用喷砂来去除焊渣或焊后热处理时所形成的氧化层，来使表面可以进行着色或者磁粉等无损探伤。但是喷砂会降低表面光洁度，而使得叶轮还要被打磨、抛光或是研磨来达到所要求的光洁度。
对叶片型线的精确性及表面光洁度的担心，随着五轴铣制的出现而均被解决了。叶片从此不再采用模锻，而是可以用侧铣或点铣的方式，直接在一个盘型锻件上来铣制出来。叶片可以铣制在轴盘（或轮盖），从而减少了一些焊接量。当然，铣制出来的叶片型线要比先前三件组装（焊接或铆接）的要精确的多。叶片与叶片间的更均匀的空间间隔，就可以获得更好的空气动力学性能。
近些年来，制造商开始用一个锻件来加工出整体的闭式叶轮，而不再需要对叶片、轴盘和轮盖进行焊接。每个叶轮流道都是从内侧和外侧伸入后铣制出来的，内侧铣和外侧铣在流道接近中间处会合。这种“无联接”结构比任何一种焊接或钎焊的结合强度都好。但很多场合，单件铣制还因其其特性而受到局限。伸入铣制时，在一些流道部位，如果使用通用铣刀
是无法到达的。因此，开发了专用的“棒棒糖”铣刀，以便加工到难以到达的流道部位，见图 5 。所以，使用铣刀铣制窄流道时，其长径比是有一定限制的。因此，单件铣制一般用于加工大直径、大流量系数的叶轮，即φ>0.040 D 2>381mm。
对于设备制造商，制造小流量系数的级也是艰巨的挑战。这些级在注气、合成气等领域是非常重要的。由于流量小，所以必须开发流道非常窄且精确制造的叶轮。角焊缝一般应用在出口宽度 15mm 以上，并不能在窄流道时使用。
铆接在早期有所应用，但是随着运行速度及其引起的高应力的增加，而逐渐被淘汰。代替它的是钎焊和开槽焊，但它们在使用上都有一定的局限性。如果钎焊厚度较大，叶片与其联接的部件（轴盘或轮盖）的间隙就大，这样就会造成钎焊的联接强度较差。钎焊一般的使用在 0.025mm～0.075mm 的间隙。开槽焊会比钎焊的联接强度好一些，但是其轴盘（或轮盖）的母材与叶片的母材是熔融的，从而容易造成流道变形，这就使得流道宽度比预想的有所偏差，一般都会降低叶轮的性能。虽然钎焊时没有金属熔融，而是一种近似的“机械锁定”，对流道宽度控制较好，但是其联接强度还是较低。
为了解决以上问题，制造商开始尝试使用一种原来由飞机工业中发展而来的电子束焊接工艺。使用电子束焊接时，叶片及与其焊接的母材，虽然是与钎焊具有“机械锁定”相同的特性，但都不是熔融的，所以流道宽度的精度较高。在 20 世纪 90 年代初，开发出一种EBraze TM焊接的专利电子束焊接技术，它使用一种兼具电子束焊接和钎焊的方法将轮盖（或轴盘）与叶片焊接起来。该方法解决了传统电子束焊接未熔融部位应力较大的问题，从而提高了联接的疲劳强度。通过使用各种形式的电子束焊接，可以制造出更精确、更坚固的小流
量系数的叶轮。
其它制造小流量系数的叶轮的方法还有电火花加工（ EDM ）和电化学加工（ ECM ），它们也可以用一个完整锻件来加工出小流量系数的叶轮。不过，这些方法均要求在设计小流量系数的叶轮时，就要考虑所有需要加工的部位均可以实际加工到。
二维叶型可以使得流道很窄，这样从轴盘到轮盖分布的气流角差异很小。因此，小流量系数的叶轮基本都使用二维叶型。
离心式压缩机的发展历程(三)
1.2 扩压器
扩压器将叶轮压缩过的气体中的一部分动能（动压）转换到静压（势能），并降低了气体的容积流量。
离心压缩机的扩压器分：无叶扩压器和叶片扩压器。顾名思义，无叶扩压器中没有叶片；而叶片扩压器中配有叶片。通常，由于扩压器没有叶片，气流流过时就不会与叶片相互干涉，故使用无叶扩压器的压缩机的运行工况会很宽。但是，无叶扩压器不能像叶片扩压器那样可以把较多的动能转化为所需的压力能，因此，使用叶片扩压器的级会比使用无叶扩压器的级效率更高，见图6。
早期的离心压缩机设计较为简单，其大部分使用无叶扩压器。通过简单的车削就可以加工出组成扩压器的平行或楔形的两壁，而且车削加工可以达到高性能无叶扩压器所需要的表
面光洁度。但是，有限的最高静压转化能力（一般低于 50% ）限制了无叶扩压器所能取得的最高效率。
一些工艺压缩机制造商尝试使用槽形扩压器，它是得名于其两个相邻的扩压器叶片组成了像槽形的流道，见图7。该扩压器可以达到很高的静压转化能力（C P，在75%～80%）。不过，槽形扩压器也会降低大多数压缩机所必需的较宽的运行范围。因此，槽形扩压器很少在工艺气压缩机中使用，而是在空气压缩机、燃汽轮机中燃气发生器压缩机或涡轮增压器这些不需较宽运行范围的设备上应用较多。直到20世纪80年代，无叶扩压器被广泛使用在工业压缩机中。之后，一些设备制造商开始使用低稠度叶片扩压器（LSD）。与槽形扩压器不同，低稠度叶片扩压器并没有所谓的槽形，也没有真正的几何形状的喉部，见图8。其主要优点是其提供了几乎与无叶扩压器相当的运行范围，和比无叶扩压器高得多的静压转化能力（即更高的级效率）。但是，效率的提高一般体现在中、小流量系数的级，即φ<0.080 ；特别是小流量系数，φ≤ 0.030 时更为显著。
近期，有些设备制造商重新使用拱肋扩压器——一种特殊的低稠度叶片扩压器，它的叶片宽度要短于扩压器宽度，见图9。这种扩压器最初开发于20世纪70年代中后期，不过在当时并没有得到认可。只能在一定流量系数范围内大幅提高效率。
离心式压缩机的发展历程(四)
1.3 其它部件（进口导叶、回流器、出口涡室、进口涡室、旁流和机壳）
早期的定子部件大多是铸件，所以它们可能出现偏心、叶片厚度偏差和表面粗糙等缺点，引起过多的损失和不确定的预期性能。
为了减少铸造模具数量、提高铸造精度，在铸造机壳中的弯道或过渡段结构时，会引起一些如扩压器和弯道的流道不对齐等问题。由于弯道（大半径，截面近似半圆形）铸造在机壳中，它的位置和尺寸就确定了。而隔板中的叶盘（小半径，截面近似半圆形）是单独加工的，不可能与这个特定位置与尺寸的弯道照配，这样就会出现如图 10 所示的不对齐问题，从而降低效率，且此处成为形成旋转失速流场的位置。
为了解决此类问题，压缩机制造商开始制造具有稳定流场流道的部件。由于早期加工方式的限制，只有回流器叶片可以用三轴铣制。随着大型五轴铣制的出现，进口涡室和出口涡室等复杂部件就可以较为精确地制造了。而且预旋进口导叶也可以用五轴铣制来加工。直到2000 年，压缩机制造商才可以制造出全部由组装 / 加工的内部部件组成的离心压缩机，而在 20 世纪 50 年代，所有这些部件还都是铸造的。
组装这些不同部件所采取的组装方式也很重要。合适、先进的组装方式可以显著提高质量、可靠性和安全性。此外，在现代离心压缩机中，先进的焊接技术和螺栓把紧技术也扮演着重要角色。而使用液压拉紧、超级螺母等方法，可以使得装配和拆卸部件更方便，且使各部件间的搭配更为灵活。
在获得流道几何尺寸的精确性和高质量的表面光洁度时，机壳也可以使用组装（焊接）型式。可以通过补焊或其它工艺来进行相对容易的修理，同时，铸钢机壳也会比铸铁机壳先进一些。
离心式压缩机的发展历程(五)
1.4 分析技术
分析技术的进步是改善离心压缩机空气动力学过程中很重要的一部分，计算机技术在其中起到了直接的作用。随着计算机技术的发展，人们可以在较短时间内进行更复杂的数学计算，从而能对单个部件或整个压缩机进行更逼真的模型分析。
1.4.1 一维方法
最常见的一维模型是利用“速度三角形”原理。各种基于欧拉方程、伯努利方程、能量方程、角动量方程和其它经验性的模型公式，被用来解决离心机中不同关键部位的子午面方向、切向、相对速度和气流角等问题。这些公式都主要关注在各部件的气流进、出区域，而对中间过程知之甚少。虽然现在人们大多只是用它们来进行一些基本尺寸计算，但它们却是早期透平机械设计者可以使用的唯一方法。
在 20 世纪 50 年代早中期，所有设计均使用一维方法进行的，所使用的工具只有计算尺、铅笔、圆规、量角器、图板、白纸以及人类的创造力和智力。尽管当时缺乏先进的计算机和分析程序，人们还是设计了一些非常优秀的压缩机，其中对于军用飞机引擎的开发在这个过程中起到了关键作用。另外，必须反复进行设计 - 试验，直到试出一个能够达到性能要求的配置。这虽然不是开发压缩机的有效方法，但却是当时唯一可以使用的方法。
离心式压缩机的发展历程(六)
1.4.2 二维方法
二维方法在 20 世纪 50 年代末期开始被商业化应用，成为设计师开发和分析部件的空气动力学更为先进的一种手段。与一维方法不同，二维方法可以考虑到整个流道的边界条件，包括轴盘和轮盖的轮廓、叶片或导叶的角度和厚度等。
大多的二维方法使用流线曲率法。使用流线曲率准则可以将流道分成相同的质量流量的流管，见图 11 。通过子午面（或轴盘 - 轮盖）边界的当地曲率和通过流管的质量流量来计算速度。一些准则对于叶片至叶片方向的曲率的变化同样敏感。
可以根据不同的二维流线曲率准则，调整相应的建模参数。其中包括：从进口到出口的计算基点（近似正交直线）的数量、流道分解成流管的数量、损失分布、与几何特性相符的曲线及与回归结果的容差。
离心式压缩机的发展历程(七)
1.4.3三维方法
三维计算流体力学（ CFD ）是用来计算空气动力学的最精确的分析技术。它在 20 世纪 80 年代末期开始广泛应用于工业压缩机产业中，为人们了解旋转叶轮和固定部件及其相互影响提供了大跨步的技术飞跃。
三维计算流体力学利用计算网格将流道分解成很小的多面体，从而使空气动力学分析可以象有限元分析那样进行。因此，这种方法比其它任何方法，更能反映空气动力学部件的尺寸形状的所有特征，并提供了流体物理现象的更加全面的模拟近似。且由于能识别流场中不良位置并可以将其消除或减小，故此可以获得优秀的性能。
早期计算流体力学由于受到计算时间的限制，主要用于计算单个部件，尤其是叶轮。但是到 20 世纪 90 年代的中后期，随着更先进的分析方法和计算机的出现，人们可以对包含多个部件的计算区域进行计算，甚至能进行非稳定分析，评估瞬时或随时间变化的流量、压力或温度波动如何影响部件或级的性能。这些分析方法是最接近压缩机中真实流体物理现象的。
离心式压缩机的发展历程(八)
2 转子动力学
2.1 无阻尼临界转速分析
在 20 世纪 40 年代中期， Myklestad 开发了应用于飞机机翼和其它梁式结构的一种新的非耦合弯曲振动计算方法。一年后， Prohl 开发了一种柔性转子临界转速的通用计算方法。二者组成了 Myklested-Phohl 方法的基础，这种方法就是直到今天还广泛应用的无阻尼临界转速图谱分析的一种转换矩阵方案。就像空气动力学专家使用一维方法开始分析一个新叶轮的设计一样，转子动力学分析也是使用无阻尼临界转速图谱来确定轴承支撑系统的转子自然频率的。无阻尼临界转速的计算程序通过输入的转子几何形状，并根据对称轴承刚度系数，来生成无阻尼周期同步临界转速，见图 12 。从 20 世纪 40 年代到 60 年代，一阶临界转速（ NC1）一直使用手工计算，并使其避开压缩机的运行速度范围。随着计算机技术的飞速发展和对径向轴承系数认识的深入，轴承系数可以在无阻尼临界转速图谱上被准确地考虑进去，从而修正临界转速的位置，来满足机组运行的要求。
在试车台或现场，通常会在轴承压盖上竖立放置一个硬币。如果硬币不振动得掉下，压缩机会被认定为在“稳定的运行”。而现在已经使用由涡流趋近探头和先进的数据收集系统组成的振动检测技术。不过，有时技术人员在现场还会使用硬币检测法来辨别机器是否正在稳定运行。
离心式压缩机的发展历程(九)
2.2 同步不平衡响应
在 1965 年 5 月， J. W. Lund 发表了为美国空军航空推进实验室准备的报告，报告第五部分记录了一个可以用于确定处在流体膜轴承上的转子的不平衡响应的计算机程序及其分析基础。再加上确定油膜刚度的和阻尼的轴承计算程序和密封计算程序，使得对于转子的分析更为透彻。这些方法的基本核心理论至今仍被使用，并成为现在更为先进的有限元分析方法的一部分。
设计师通过在转子上外加不平衡质量，来计算转子对不平衡的响应、一阶临界转速和放大系数。此外，可以通过计算得出对不平衡的敏感度，并将其与压缩机制造商的试验和现场经验进行对比。
离心式压缩机的发展历程(十)
2.3 转子稳定性分析
在 20 世纪 70 年代早期，一些高压注气压缩机和合成气压缩机上出现了一系列的稳定性问题。 1974 年， Lund 发表了一篇关于转子稳定性分析的突破性的文章，随后根据这篇文章的理论开发出相应的计算程序。 Lund 的横向稳定性程序被用来分析在一阶自然频率时的不稳定性问题和设计出抗非同步振动的离心压缩机，即人们常说的 Lund （伦德）分析。
转子动力学稳定性使人们对对数衰减的认识更加深刻。一个系统的对数衰减可以表现为一定时间范围内振幅峰值的连续变化。如果振幅随着时间的变化而减小则对数衰减为正，相反，若增大则对数衰减为负，见图 13 。转子稳定性程序还可用于分析流力油膜轴承可能出现的油膜涡动问题。
离心式压缩机的发展历程(十一)
2.4 液力油膜轴承
20 世纪七八十年代，转子的不稳定性原因有时很难被量化。当转子高速旋转时，并在第一向前涡动模式表现出不稳定性，那么一定是单纯的转子不稳定性的问题。如果非同步振动随着转速变化，或没有出现在一阶临界转速附近，那么这就可能是外加激励、空气动力失速、轴承涡动 / 振荡。液力油膜轴承已经在离心压缩机上使用了几十年，在趋近式探头、数据采集系统和转子稳定性原理出现之前，设计师当时只能将一台机组简单地分为“平稳”或“恶劣”运行。而如果一台机组被定义为“恶劣”运行，人们也不知道实际的原因是什么。可能是一阶临界转速、轴承问题或是不平衡量超标。
随着液力轴承技术的发展，设计师开始考虑如何优化滑动套筒轴承。一般来说，滑动套筒轴承有着较大的承载能力，不过对转子动力学稳定性不利，甚至可能直接引起这方面的问题。在 20 世纪六七十年代，油膜涡动在其没有引起不稳定的力之前，用于确定轴承的最大
允许运行转速。共振振荡是用于形容在一阶固有频率时所发生的其它不稳定的频率。在那个时期，设计师通过改变径向轴承的内孔形状，增加轴承不稳定的起始速度，来控制油膜涡动和振荡（见图 14 ）。不同的形状，如三、四个轴向槽的轴承、椭圆或柠檬状轴承、偏移轴承和压力坝轴承，均可以改善转子稳定的起始速度。为了达到这个目的，必须牺牲一些轴承承载能力或同步不平衡响应能力（见图 15 ）。四油楔固定瓦轴承的出现进一步改善了转子的稳定性，它利用对固定型面的曲面进行稍大直径的切割，来获取轴承预载荷。
尽管米歇尔在 1905 年和艾伯特 - 金斯伯雷在 1907 年分别发明了可倾瓦推力轴承（图 16 ），但是可倾瓦径向轴承直到 20 世纪 60 年代末期才开始被大量使用。已知最早的压缩机制造商使用可倾瓦径向轴承是 1964 年的一个直径 63.5mm 的沃喀莎
（ Waukesha ）轴承。可倾瓦轴承比固定瓦轴承最明显的优势是，它可以通过轴承中的可动的瓦块，来减少油膜交叉耦合刚度，从而增加了转子的稳定性。
图１６可倾瓦轴承
最早可以进行可倾瓦轴承分析的程序源于伦德的开创性的论文。这个程序利用瓦块组装方法来将单个瓦块的同步刚度和阻尼系数组合成整体来进行分析。现在，人们常用的分析可倾瓦轴承的程序是由尼古拉斯开发的。可倾瓦轴承已经成为石油天然气行业中离心压缩机最常用的液力轴承。从使用的经验来看，可倾瓦轴承可以在小载荷时线速度达到 174m/s （ 570ft/s ），在中等线速度时载荷达到 5434kPa （ 775PSI ）。尽管如此，人们还在不懈地追寻新的解决方案、开发新一代的轴承。
在 20 世纪 70 年代末期到 80 年代早期，天然气管线输送行业要求一种无油润滑的透平机械方案，磁力轴承开始被应用在石油天然气市场中。在 20 世纪 90 年代，磁力轴承被用于制造全封闭无油润滑压缩机。最终，研究人员开发了一种利用磁力轴承来有目的地增加施加于转子上的一定的扰动力的方法，使用这种方法来进行对数衰减的测量。
离心式压缩机的发展历程(十二)
2.5 压缩机主密封
多年以来压缩机主密封已经得到了重大的发展。在 20 世纪 10 年代，离心压缩机通常用来压缩空气，提供给高炉用于助燃。这些空气压缩机的主密封都是铝密封，铝密封必然会使得部分空气泄漏到大气中。当时能源相对廉价，被泄漏的压缩后的空气没有引起人们的足
够重视。随后的几十年中，离心压缩机开始被用于压缩甲烷（ CH4 ）和其它可燃性气体，再也不能允许对大气有泄漏了。
应用于高压天然气领域的压缩机主密封最初使用油膜密封。记录显示油膜密封（图 17 ）从 20 世纪 50 年代开始使用。这些密封利用高于压缩机入口压力的密封油，来防止爆炸性气体泄漏到大气中。不过油膜密封也同时带来了至少两个问题。第一，如果被压缩的工艺气中含有酸性介质（酸性气体是指气体中含有任何酸性组分，如硫化氢（ H2S ）等），那么与工艺气接触的密封油就可能被污染（酸化），这就需要处理被污染的密封油；第二，随着密封压力的增高，就必须考虑油膜密封所产生的刚度和阻尼系数的影响，但是直到 20 世纪70 年代末、 80 年代初，一些压缩机制造商的公开文献上才有记载对这些方面的研究，及在高压运行时它们对转子振动特性（稳定性）的影响。在 20 世纪 70 年代早期，德莱赛兰公司开发并生产一种带可倾瓦的油膜密封。可倾瓦油膜密封可以极大改善压缩机的稳定性。
今天那些仍在使用的油膜密封大多只是被进行着改造或维修。现在差不多所有新安装在石油天然气行业中的压缩机都配备干气密封（ DGS ）。德莱赛兰公司使用的第一个干气密封是在 1962 年的一台单轴悬臂压缩机上。从那时起，干气密封制造商开始努力获得市场认可。今天，行业中普遍使用串联式干气密封，其第一级密封面几乎承担全部的压力差，而第二级密封面基本没有或很少承担压力差。随着技术和材料等方面的发展，干气密封的密封压力的能力持续提高，来满足当前对高压应用的要求。最近密封实际运行经验为 250 bar （ 3625 PSI ）压力差，实验室经验为 400 bar （ 5800 PSI ）。不过，由于在转子上额外增加了一个旋转质量，干气密封对转子动力学不利。有意思的是，在进行转子动力学分析时，又因为干气密封的密封面是垂直于轴线，密封面处在半径方向的刚度和阻尼等参数是可以忽略不计的。
离心式压缩机的发展历程(十三)
2.6 内部密封
随着转速、功率和气体密度的增加，对离心压缩机各种内部的力的控制程度的不同，当气体密度增加时，可以使一个转子变得不稳定或者变得稳定。
几十年来，密封叶轮周围的泄漏普遍使用梳齿密封，最近用于叶轮口圈和平衡盘的止涡密封（见图 18 ）的出现显著提高了转子动力学特性。巧妙的固定叶片状结构的设计，可以控制泄漏气体通过密封处的周向速度，来减
style="line-height:200%"少密封处所形成的交叉耦合刚度。止涡密封还可以起到改变阻尼的效果（阻尼密封）。
阻尼密封通常有两种型式：蜂窝状和孔状（图 19 ）。无论哪种型式，它们都可以提供更多的直接阻尼，而只带来很少的交叉耦合刚度，从而改善转子动力学系统的稳定性。研究者已经完成了大量的实验室实践，并能够计算出准确的泄漏、刚度和阻尼等参数。据此，压缩机制造商利用配备磁力轴承的全负荷、全压力试验，施加给定的非同步力，来证明通过控制转子上的各种力，可以使得转子在转速、功率和气体密度增加时变得更稳定。从 1974 年发生在北海的著名的
Ekofisk 转子不稳定事件以来，人们对于施加于转子的各种力的探索越来越深入。
离心式压缩机的发展历程(十四)
2.7 叶轮分析
结构动力学也一直在进步，其中一个重要方面就是叶轮动力学，它使得机器可靠性得到显著提高。早期，设计者必须进行大量而简单的手工计算来求出叶轮应力，并确定叶轮材料没有到其屈服极限，叶轮也不会在轴上滑动（过盈过小时）。那时叶轮外缘速度只有现在最先进技术的一半左右，这样做还是可以的。随着有限元分析（ FEA ）和计算机技术的发展，越来越精确的有限元分析模型，能够使人们更好地估计因旋转而施加在转子上的应力。不过，压缩机的用户有时偶尔还会遇到一些叶轮方面的事故，其中大多数是叶轮工作时周围存在共振，从而产生高循环疲劳裂纹。今天，人们利用同样可以用于转子上的，已经开发了近四十年的数学模型和受迫响应等手段来进行叶轮分析。
随着对叶轮固有频率，及由入口导叶（ IGVs ）与低稠度叶片扩压器（ LSDs ）引起的气动力的深入了解，近年来已经大幅地减少了叶轮引起的事故。
离心式压缩机的发展历程(十五)
3 展望未来
离心压缩机技术已经接近空气动力学效率的最高极限，但人们还是可以设法进一步提高效率，并增大高效率时的流量范围。因此，在展望未来的发展时，人们可以预测以下方面：更加精确的叶片型线；更加不同寻常的扩压器；可动形状的导流叶片、扩压器和回流器；进一步改进的密封技术；和其它一些定子部件的增强。所有这些均要借助于更先进的空气动力学和机械分析工具，及计算机技术对真实情况所进行更加精确的模拟。
更加精确的叶片型线包括那些为了解决使用分析技术所发现的缺点而专门开发的叶片。此外，由于用户一直要求用较小的设备处理较大的流量，压缩机制造商必须开发混流叶轮。混流叶轮曾经广泛使用在单级管线增压机中，但是目前在单轴多级压缩机上应用不多。它较为适合使用在流量系数大于 0.17~0.18 的离心压缩机中。
更加不同寻常的扩压器将包括那些更精确的叶片型线和串联扩压器，例如：多排低稠度叶片扩压器，或低稠度叶片扩压器和拱肋扩压器的结合体。它们将提高扩压器中的静压转换能力，从而提高单级和整机效率。不过，考虑效率提高的同时，还必须衡量可能引起的运行范围变窄的问题。
提高密封技术对于小流量系数的级尤为重要。叶轮口圈部位的泄漏会造成很大的损失，所以必须想方设法减少此处的泄漏，来提高级效率。在小流量中，可能应用的技术有：刷式密封、可磨材料、弹簧预载密封和“定向泄漏”等。
在外部密封方面，压缩机下一步可能演变成无密封或全密封压缩机，它们将没有高速旋转的主轴密封与外界大气相通。这样的机器实际上与我们常见的家用冰箱中的压缩机极为相似。几乎所有的压缩机制造商都向市场推出了这种新型产品类型。随着人们对排放的关心的增加，这种新型压缩机将会在石油天然气行业中得到越来越多的认可。
定子部件，如进口导叶和回流器，将会有更先进的叶片型线（如三维的叶片式扩压器和三维的回流器叶片）和通过现代分析和设计工具开发的多叶片排列结构。
最后，在导叶、扩压器和其它定子部件中应用可变形状结构，压缩机制造商和用户可以通过调整离心级来满足特定的使用要求。因此，当无法提高压缩机的最高效率时，人们可能设法提高非设计运行工况的效率。这样机器可以在较大流量范围中，能够使用户节省大量的功率。由于可变形状结构可以很方便地安装在整体齿轮增速离心压缩机和轴流压缩机的入口导叶和扩压器中，所以它已经应用在这些机器中。因为同样的原因，可变形状结构从 20 世纪 50 年代起也应用在多级双支撑离心压缩机的第一级入口导叶和叶片扩压器中。然而，只是最近才考虑在双支撑配置机器的所有级中使用可变形状结构，见图 20 。尽管在多级机器的有限的级间空间中增加可变形状结构系统是非常复杂的，不过由于它可以大幅提高性能，还是十分值得去探索、实现的。
进口、收缩器、导向叶片（导叶）、动叶片、转子、扩压器、出口 增压原理：伯努利方程，气体从进口流入压气机，经收缩器时流速得到初步提高，进口导向叶片使气流改为轴向，同时还起扩压管的作用，使压力有所提高。转子在外力作用下作高速转动，固装在转子上的动叶片推动气流，使气流获得很高的流速。高速气流进入导叶（静叶），气流动能降低而压力升高，相邻导叶叶片间的通道相当于一个扩压管。气体流经每一级连续进行类似的过程，使气体压力逐渐升高 伯努利方程：理想正压流体在有势体积力作用下作定常运动时，运动方程（即欧拉方程）沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家 D.伯努利于1738年提出而得名。对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为: 式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和线性速度；h为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量。 上式各项分别表示单位体积流体的压力能p、重力势能ρgh和动能(1/2)*ρv ^2，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。但各流线之间总能量（即上式中的常量值）可能不同。对于气体，可忽略重力，方程简化为p+(1/2)*ρv ^2=常量(p0)，各项分别称为静压、动压和总压。显然，流动中速度增大，压强就减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大(理论上应等于总压)。飞机机翼产生举力，就在于下翼面速度低而压强大，上翼面速度高而压强小，因而合力向上。据此方程，测量流体的总压、静压即可求得速度，成为皮托管测速的原理。在无旋流动中，也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果但涵义不同，此时公式中的常量在全流场不变，表示各流线上流体有相同的总能量，方程适用于全流场任意两点之间。在粘性流动中，粘性摩擦力消耗机械能而产生热，机械能不守恒，推广使用伯努利方程时，应加进机械能损失项[1]。
离心式冷水机组系统介绍 目前用于中央空调的离心式冷水机组主要由离心制冷压缩机、主电动机、蒸发器（满液式卧式壳管式）、冷凝器（水冷式满液式卧式壳管式）、节流装置、压缩机入口能量调节机构、抽气回收装置、润滑油系统、安全保护装置、主电动机喷液 蒸发冷却系统、油回收装置及微电脑控制系统等组成，并共用底座。其外形和系 1．离心式冷水机组特点 离心式冷水机组属大冷量的冷水机组，它有以下主要优点： （1）压缩机输气量大，单机制冷量大，结构紧凑，重量轻，单位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式机组轻80％以上，占地面积小； （2）性能系数高； （3）叶轮作旋转运动，运转平稳，振动小，噪声较低； （4）调节方便，在较大的冷量范围内能较经济地实现无级调节； （5）无气阀、填料、活塞环等易损件，工作比较可靠。 离心式冷水机组的缺点主要是： （1）由于转速高，对材料强度、加工精度和制造质量要求严格； （2）单级压缩机在低负荷时易发生喘振； （3）当运行工况偏离设计工况时，效率下降较快； （4）制冷量随蒸发温度降低而减少的幅度比活塞式快，制冷量随转数降低而急剧下降。 2．离心式冷水机组的组成 构成离心式冷水机组的部件中，区别于活塞式、螺杆式冷水机组的主要部件是离心压缩机，此外，其他主要辅助设备比如换热设备、润滑油系统、抽气回收装置 等均有自己特点，在这进行简单介绍。 1）压缩机 空调用离心式冷水机组，通常都采用单级压缩，除非单机制冷量特别大(例如4500kW以上)，或者刻意追求压缩机的效率，才采用2级或3级压缩。单级离心制冷压缩机由进口调节装置、叶轮、扩压器、蜗室组成；多级离心制冷压缩机除 了末级外，在每级的扩压器后面还有弯道和回流界，以引导气流进入下一 级。由于离心式冷水机组在实际使用中的一些特殊要求，使得离心式制冷压 缩机在结构上有其一些特点： ①离心式冷水机组采用的制冷剂的分子量都很大，音速低，在压缩机流道中 的马赫数M比较高(特别是在叶轮进口的相对速度马赫数和叶轮出口的绝对速度 马赫数一般都达到亚音速甚至跨音速)，这就要求在叶轮构型时特别注意气流组织，避免或减少气流在叶轮流遭中产生激波损失，同时适应制冷剂气体的容积流量在叶轮内变化很大的特点。 ②冷水机组在实际使用中，由于气候和热负荷的变化，需要的制冷量变化很 大，并且要求在冷负荷变化时，机组的效率也尽可能高。作为制造厂来说，对于 不同规格的系列产品，希望零部件的通用化程度越高越好。对于离心制冷压缩机，其叶轮的出口角小，则压缩机的性能曲线比较平坦，绝热效率较高，还能减少因采用同一蜗室而造成的匹配失当和效率降低，有利于变工况运行。 ③离心式压缩机是通过旋转的叶轮叶片肘制冷剂蒸气做功而提高其压力的。
天津市高等教育自学考试 模具设计与制造专业 热工基础与应用 综合实验报告 （一）压气机性能实验 主考院校: 专业名称： 专业代码： 学生姓名： 准考证号：
一、活塞式压气机概述 1.活塞式压气机结构及工作原理 （1）活塞式压气机结构 压气机在现代工业以及现代人的生活中被越来越多的广泛应用，不论是汽车上的涡轮增压系统还是航空航天发动机中的涡喷应用，随着技术的不断革新，其结构、性能也在不断的优化、提高。本实验旨在通过对简单形式的压气机，进行结构、工作原理以及性能的实验，以达到验证并深刻理解、掌握热工学课程中所学得的知识并应用于实际生产实践中。 本次实验所用压气机为“活塞式压气机”，现就其结构及特点作简要说明。 活塞式压气机是通用的机械设备之一，是一种将机械能转化为气体势能的机械。 图1.1 活塞式压气机机构简图 图1-2 三维仿真示意图
（2）活塞式压气机工作原理： 电机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞作往复移动，压缩汽缸内的空气达到需要的压力。曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。 具体为：在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。 这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。特别的是，单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降。故当输出压力较高时，应采取分级压缩。分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。 活塞式空压机有多种结构形式。按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。按压缩级数可分为单级式、双级式和多级式三种。按设置方式可分为移动式和固定式两种。按控制方式可分为卸荷式和压力开关式两种。其中，卸荷式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机不停止运转而通过打开安全阀进行不压缩运转。这种空转状态称为卸荷运转。而压力开关式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机自动停止运转。 二、实验内容 1.实验目的 （1）压气机的压缩指数和容积效率等都是衡量其性能先进与否的重要参数。本实验是利用微机对压气机的有关性能参数进行实时动态采集，经计算处理、得到展开的和封闭的示功图。从而获得压气机的平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。 （2）掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法。 （3）对使用电脑采集、处理数据的全过程和方法有所了解。 2.实验装置及测量系统 本实验仪器装置主要由：压气机、电动机及测试系统所组成。 测试系统包括：压力传感器、动态应变仪、放大器、计算机及打印机， 压气机型号：Z—0.03/7 汽缸直径：D=50mm 活塞行程: L=20mm 连杆长度：H=70mm，转速：n=1400转/分
习题提示与答案 第八章 压气机的压气过程 8-1 设压气机进口空气的压力为0.1 MPa ，温度为27 ℃，压缩后空气的压力为0.5 MPa 。设压缩过程为：(1)绝热过程；(2)n ＝1.25的多变过程；(3)定温过程。试求比热容为定值时压气机压缩1 kg 空气所消耗的轴功及放出的热量。 提示：略。 答案：(1)(w s )c s =-176 kJ/kg ；(2)(w s )c n =-163 kJ/kg ，q c n =-48.94 kJ/kg ； (3)(w s )c T =-138.6 kJ/kg ，q c T =-138.6 kJ/kg 。 8-2 按上题所述条件，若压气机为活塞式压气机，其余隙比为0.05，试求三种压缩过程下压气机的容积效率。 提示：余隙比h s V V ，容积效率1])[(111 2??=n h s V p p V V η。 答案：＝0.892，＝0.869，＝0.8。 Vs ηVn ηVT η 8-3 设活塞式压气机的余隙比为0.05，试求当压气机的压缩过程分别为绝热过程、n ＝1.25的多变过程、定温过程时，压气机的容积效率降低为零所对应的增压比。 提示：容积效率1])[(1112?? =n h s V p p V V η。 答案：( 12p p )s ＝70.98；(12p p )n ＝44.95；(12p p )T ＝21。 8-4 有一台两级压气机，其进口的空气压力为0.1 MPa ，温度为17 ℃，压气机产生的压缩空气的压力为2.5 MPa 。两级气缸中的压缩过程均为n ＝1.3多变过程，且两级中的增压比 相同。在两级气缸之间设置有中间冷却器，空气在其中冷却到17 ℃后送入高 压气缸。试求压气机压缩1 kg 空气所需要的轴功，以及中间冷却器和两级气 缸中所放出的热量。 两级压缩的示功图 提示：两级压缩的增压比相同，压缩过程多变指数相同，则两级压缩耗 功量相同；中间冷却器中空气经历的是定压冷却过程，过程放热量q=c p 0ΔT ， 且充分冷却时，T 2′ =T 1；压缩过程的初始温度相同、增压比相同，则过程热 量也相同。 答案：(w s )c ＝-324.5kJ/kg ，q c ＝-62.26kJ/kg ，q ＝－131kJ/kg 。
实验二压气机的性能 压气机在工程上应用广泛，种类繁多但其工作原理都是消耗机械能（或电能）而获得压缩气体，压气机的压缩指数和容积效率等是衡量其性能优劣的重要参数，本实验是利用微机对压气机的有关参数进行实时动态采集，经计算处理，得到展开的和封闭的示功图，从而获得其平均压缩指数n、容积效率η ，指示功W c、指示功率P等性能参数。 v 一、实验目的 1．掌握用微机检测指示功，指示功率，压缩指数和容积效率等基本操作测试方法； 2．掌握用面积仪测量不同示功图的面积，并计算指示功，指示功率，压缩指数和容积效率。 3．对微机采集数据和数据处理的全过程和方法有所了解。 二、实验装置及测量系统 本实验装置主要由压气机和与其配套的电动机以及测试系统所组成，测试系统包括压力传感器，动态应变仪，放大器，A/D板，微机，绘图仪及打印机，详见图2-1所示。 1
压气机的型号：Z——0.03/7 气缸直径：D=50mm，活塞行程：L=20mm 连杆长度：H=70mm，转速：n=1400转/分 为获得反映压气机性能的示功图，在压气机气缸上安装了一个应变式压力传感器，供实验时输出气缸内的瞬态压力信号，该信号经桥式整流以后送至动态应变仪放大；对应着活塞上止点的位置，在飞轮外侧粘贴着一块磁条，从电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号，作为控制采集压力的起止信号，以达到压力和曲柄转角信号的同步，这二路信号经放大器分别放大后送入A/D板转换为数值量，然后送到计算机，经计算机处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开示功图和封闭的示功图，详见图2-2和图2-3。 三、实验原理 1．指示功和指示功率 指示功——压气机进行一个工作过程、压气机所消耗的功W c，显然其值就是P—V图上工作过程线cdijc所包围的面积，即 W W=W?W1?W2×10?5（kgf—m） 式中S——测面仪测定的P—V图上工作过程线所围的面积（mm2） K1——单位长度代表的容积（mm3/mm）；即 W1=WWW2 4WW 1
离心式冷水机组的结构及原理 目前，用于中央空调的离心式冷水机组，主要由离心制冷压缩机、主电动机、蒸发器（满液式卧式壳管式）、冷凝器（水冷式满液式卧式壳管式）、节流装置、压缩机入口能量调节机构、抽气回收装置、润滑油系统、安全保护装置、主电动机喷液蒸发冷却系统、油回收装置及微电脑控制系统等组成，并共用底座。其外形和系统组成如图4.13及图4.14所示。
1．离心式冷水机组特点 离心式冷水机组属大冷量的冷水机组，它有以下主要优点： （1）压缩机输气量大，单机制冷量大，结构紧凑，重量轻，单位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式机组轻80％以上，占地面积小； （2）性能系数高； （3）叶轮作旋转运动，运转平稳，振动小，噪声较低； （4）调节方便，在较大的冷量范围内能较经济地实现无级调节； （5）无气阀、填料、活塞环等易损件，工作比较可靠。 离心式冷水机组的缺点主要是： （1）由于转速高，对材料强度、加工精度和制造质量要求严格； （2）单级压缩机在低负荷时易发生喘振； （3）当运行工况偏离设计工况时，效率下降较快； （4）制冷量随蒸发温度降低而减少的幅度比活塞式快，制冷量随转数降低而急剧下降。 2．离心式冷水机组的组成 构成离心式冷水机组的部件中，区别于活塞式、螺杆式冷水机组的主要部件是离心压缩机，此外，其他主要辅助设备比如换热设备、润滑油系统、抽气回收装置等均有自己特点，在这进行简单介绍。 1）压缩机 空调用离心式冷水机组，通常都采用单级压缩，除非单机制冷量特别大(例如4500kW以上)，或者刻意追求压缩机的效率，才采用2级或3级压缩。单级离心制冷压缩机由进口调节装置、叶轮、扩压器、蜗室组成；多级离心制冷压缩机除了末级外，在每级的扩压器后面还有弯道和回流界，以引导气流进入下一级。图4.15示出了离心式制冷压缩机的典型结构。 图4.15 离心式制冷压缩机的典型结构 (a)单级离心式制冷压缩机；(b)多级离心制冷压缩机的中间级 1一齿轮箱体；2一机壳门；3一轮盖密封座；1一叶轮；2一扩压器； 4一叶轮；5一叶片调节机构；6—进口壳体；3一弯道；4一回流器； 7一轮盖密封；8一轮盘密封；9一右轴承；5一级内密封；6一中间加气孔 10一左轴承；11一推力盘；12—后壳体 由于离心式冷水机组在实际使用中的一些特殊要求，使得离心式制冷压缩机在结构上有其一些特点： ①离心式冷水机组采用的制冷剂的分子量都很大，音速低，在压缩机流道中的马赫数M比较高(特别是在叶轮进口的相对速度马赫数和叶轮出口的绝对速度马赫数一般都达到亚音速甚至跨音速)，这就要求在叶轮构型时特别注意气流组织，避免或减少气流在叶轮流遭中产生激波损失，同时适应制冷剂气体的容积流量在叶轮内变化很大的特点。
第9章压气机 一、教案设计 教学目标:使学生熟悉压气机热力过程，活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。知识点：活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。 重点：压气机耗功量的计算方法，提高压气机效率的方法和途径。 难点：多级压缩过程中各级增压比的确定，提高压气机效率的方法和途径。教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论 师生互动设计：提问+启发+讨论 问：余隙容积的存在使压气机产气量下降，对实际耗功有没有影响？。 问：活塞式压气机为什么应采用隔热措施？ 问：为什么若实施定温压缩产生高压气体，可不必分级压缩、中间冷却？ 问：为什么活塞式压气机适用于高压比、小流量；叶轮式压气机适用于小压比、大流量？ 学时分配：2学时 二、基本知识 第一节气体的压缩及压气机的耗功 一、气体压缩 1压气机:用来压缩气体的设备 2.。压气机的分类 1）压气机按其产生压缩气体的压力范围,习惯上常分为： ①通风机（pg<0.01MPa）; ②鼓风机（0.01MPa
三、压气机的实际耗功（压气机的效率）21 '2'1 cs cs cs w h h w h h η-== -21 '2'1 cs cs cs w T T w T T η-= = -1.压气机的实际耗功 对于理想气体 1 2s p 1 p 2 s T 22.压气机的绝热效率 '2'1 cs w h h =-压气机的实际耗功 第二节 单机活塞式压气机 一、单机活塞式压气机工作过程
航空发动机原理
压气机的工作原理 根据气流在压气机的流动方向，可将压气分为两大类，气流沿离开叶轮中心方向流动的叶做离心式压气机；气流沿与叶轮轴平行方向流动的叫做轴流式压气机。此外还有轴流式与离心式压气机混合而成的混合式压气机。目前使用最广泛的是轴流式压气机，以下将作重点介绍。 轴流式压气机的基本组成，由静子和转子组成。静子由多排叶片组成，这些叶片叫做整流叶片，由一排流叶片组成的圆环叫做整流环，各整流环固定在机匣上。转子由多排叶轮组成，每一排叶轮上固定了许多工作叶片，压气机叶轮最终能过叶轮轴与涡轮的工作叶轮轴相连，并由涡轮带动高速旋转。 轴流式压气机的叶轮和整流环是交错排列的。一个叶轮和后面相邻的整流环构成了压气机的一级。单级压气机增压比不高。一般约为1.2-1.8。为了得到更高的增压比，目前用在民航机上的涡扇发动机的轴流式压气机级数常为10-20级，压气机增压比高达30-40。 有些轴流式压气机的进口安装了一排固定的导流叶片，它们所组成的圆环叫做导流环。空气在压气机中的流动 从进气道流入压气机的空气，首先流过导流环，然后依次流过各级的叶轮和整流环，最后从末级整流环流出进入燃烧室。由于空气在压气机中的流动较为复杂，同时气流在不同半径叶片通道内的流动大体相仿，为了便于分析，我们假想用一条通过各级叶轮平均地半径处的直线绕叶轮旋转，来切割叶轮和整流环叶片，得到压气机——“基本级”，每级压气机可看成是很多基元级相叠加而成。
所以空气在基元级中的流动可看成压气机工作的缩影。把所得到的基元级切片在平面上展开，就得到——平面叶栅图形。 目前大多数航空燃气轮机都采用轴流式压气机，只有小功率、小流量的涡轴和涡浆发动机上才采用离心式压气机。在20世纪40年代末和50年代初、涡喷发 动机也曾采用离心式压气机。 离心式压气机由导流器, 叶轮, 扩压器, 导气管等部分组成，叶轮和扩压器是其中两个主要部件。导流器：安装在叶轮的进口处，其通道是收敛形的使气流以一定方向均匀进入工作叶轮, 以减小流动损失，空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降。叶轮：是高速旋转的部件，叶轮上叶片间的通道是扩张形的，空气在流过它时, 对空气作功, 加速空气的流速, 同时提高空气的压力。扩压器：位于叶轮的出口处，其通道是扩张形的，空气在流过它时将动能转变为压力位能，速度下降, 压力和温度都上升。导气管：使气流变为轴向, 将空气引入燃烧室。 离心式压气机属于叶片机械，其工作原理是以高速气流与工作叶轮和固定叶片的相互动力作用为基础，与容积式压气机相比离心式压气机的优点是：消耗同样的功率时，比容积式压气机的效率高，并能得到较高的增压压力，一般能达到0.147～0.196MPa以上；结构简单紧凑，重量轻，金属消耗量少。目前离心式压气机在内燃机增压方面获得广泛的应用。离心式压气机的缺点是随着转速的降低，增压压力便急剧下降。空气经滤清器进入气道，进气道的断面沿气流方向逐渐缩小，以便提高气流的稳定性。进气道一定要能保证在流动损失为最小的情况下，把空气均匀地导向工作轮。工作轮装装花链轴上，尺寸小的可安装在光轴上。工作轮可由曲轴通过机械驱动，也可直接由涡轮机驱动。 空气沿进气道进入工作轮随工作轮一起旋转，受到离心力的作用沿着工作轮上叶片所构成的通道流动，使空气受到压缩，这时压力从P1增加到P2，气流速度从c1增加到c2，驱动工作轮的机械功转化为空气在工作轮中获得的动能，和以压力形式表现的势能。工作轮出口处的功能一般为气流总能量的一半，因此，
◎冷冻式干燥机工作原理 喷涂的原材料是否干净（可现场试验） 喷枪是否有问题（可现场操作） 清洗喷枪的清洗剂是否的问题（可现场操作） 现场喷漆人员的操作是否有问题（可向用户了解） 一、工况条件与技术指标 Working condition and technical data 进气温度（Inlet temperature): ≤80℃ 冷却方式（Cooling method): 风冷(Air-cooling) 进气压力（Inlet pressure): 0.4～1.0MPa 压力损失（Pressure drop): ≤0.03MPa 压力露点（Dew point): 2～10℃ 制冷剂（Refrigerant): R22 二、伽利略冷冻式干燥机产品特点： 1）人性化设计：科学合理结构设计，外型新颖，美观大方，操作、维护、保养方便，安装简便（无基础）。2）机器制冷系统及空气系统经专家结合全国各地不同工况的差异性进行综合准确计算，设计参数留20%以上的裕量。 3）制冷压缩机：采用国际知名品牌，如：松下、谷轮、泰康、美优乐公司等高性能制冷压缩机，低震动、低噪音、性能可靠、节能高效，确保整机的使用寿命长。压缩机防护等级为IP54级。 4）特殊热交换设计，可降低入口温度，并提高出口空气温度，可避免管路产生水滴，影响生产环境。5）多种形式（单、集、联控、PLC、变频等）的控制线路。适合不同用户的选用。 6）完善的智能保护装置：特设冷媒高低压保护、相序缺相保护、过低温保护以及自动融霜、故障自动停机、自动报警、电机过热保护等保护功能。 7）自动排水器按需设置，除水效率高。浮球式、电子定时可根据机器工况选择设置。 8）本机组采用独特的旋风式分离器。可将冷凝水从空气中彻底分离出来，并在各种气流条件下防止液态水份随压缩空气带出，保持高效的运行，达到最佳之干燥除水目的。 三、型号规格与性能参数 Model,size & technical data
图说燃气涡轮发动机的原理与结构 曹连芃 摘要：文章介绍燃气涡轮发动机的工作原理；对燃气轮机的主要部件轴流式压气机、环管形燃烧室、轴流式涡轮分别进行了原理与结构介绍；对燃气涡轮发动机的整体结构也进行了介绍。 关键字：燃气涡轮发动机，燃气轮机，轴流式压气机，燃烧室，轴流式涡轮 1. 燃气涡轮发动机的工作原理 燃气涡轮机发动机（燃气轮机）的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转，见图1。 图1-走马灯与燃气涡轮 燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。图2是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。 从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。 燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。
图2-模型燃气轮机结构 在图3中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。 图3-燃气轮机工作过程 在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，如图4所示。
磁悬浮离心式冷水机组节能原理 1.采用磁悬浮无油压缩机 磁悬浮离心式冷水机组的核 心部件磁悬浮无油压缩机。磁悬 浮压缩机大致可分为压缩部分、 电机部分、磁悬浮轴承及控制器、 变频控制部分如图1所示。其中 压缩部分由两级离心叶轮和进口 导叶组成，两级叶轮中间预留补气口，可实现中间补气的两级压缩。压缩机采用永磁电机，结合集成在压缩机上的变频器设计，可实现0~48000r／min的宽广转速变化。叶轮直径小，磁悬浮轴承悬浮运转，启动转矩相应减小，结合变频和软启动模块，压缩机启动电流只需２A。磁悬浮轴承及其控制是该型压缩机的核心。 图2 磁悬浮轴承结构示意图 如图2所示，该压缩机设有２组径向和１组轴向磁悬浮轴承，在控制器的控制下，运行过程中可始终保证主轴与轴承座之间有约7μｍ的间隙由于无机械摩擦，相对于传统机组，减少了电机损耗，变频损耗，轴承损耗，轴承损耗。使输出能量损耗只有%，相比传统机组%，磁悬浮离心机组具有明显的节能优势，如图3所示 图1 磁悬浮压缩机图3 磁悬浮机组与其他机组能量损失对比
2.部分负荷优化节能 机组绝大部分时间是在部分负荷下运行的，当机组在部分负荷情况下，压缩机的部分节能优势来自于2个方面；第一是压缩机流量的减少而降低转速；第二是由于蒸发温度的提高和冷凝温度的降低带来的压力比下降从而降低转速。 当环境温度发生变化时，建筑冷负荷也相应变化。若冷水出水温度设定值不变，冷负荷降低。使得相应的冷水回水温度降低，对应的冷机蒸发温度上升。同时负荷小，冷却水进回水温度也会降低，冷凝温度相应降低。综合蒸发温度和冷凝温度变化，不难发现，部分负荷时冷机的工作压力比减小。传统离心机采用进口导叶调节，也只能在一定范围内适应这种压力比变化。只有采用变频技术的离心机才可以通过调节转速以适应压力比的变化。通过降低转速，降低压缩机功耗。而在实际工作中，普通变频离心机由于回油等技术限制，只能在一定范围内进行变频，因此获得的节能效果有限。只有采用磁悬浮变频冷水机组才能根据实际负荷和压力比调节转速，比传统技术的冷水机在部分负荷下表现出了极高的性能，如图4所示。从而获得最大的节能效果。 图4 磁悬浮机组与其他机组性能曲线对比
磁悬浮离心式冷水机组节能原理 1. 采用磁悬浮无油压缩机 磁悬浮离心式冷水机组的核 心部件磁悬浮无油压缩机。磁悬 浮压缩机大致可分为压缩部分、 电机部分、磁悬浮轴承及控制器、 变频控制部分如图1所示。其中 压缩部分由两级离心叶轮和进口导叶组成，两级叶轮中间预留补气口，可实现中间补气的两级压缩。压缩机采用永磁电机，结合集成在压缩机上的变频器设计，可实现0~48000r ／min 的宽广转速变化。叶轮直径小，磁悬浮轴承悬浮运转，启动转矩相应减小，结合变频和软启动模块，压缩机启动电流只需２A 。磁悬浮轴承及其控制是该型压缩机的核心。 图2 磁悬浮轴承结构示意图 如图2所示，该压缩机设有２组径向和１组轴向磁悬浮轴承，在控制器的控制下，运行过程中可始终保证主轴与轴承座之间有约7μｍ的间隙由于无机械摩擦，相对于传统机组，减少了电机损耗，变频损耗，轴承损耗，轴承损耗。使输出能量损耗只有5.5%，相比传统机组15.8%，磁悬浮离心机组具有明显的节能优势，如图3所示
2.部分负荷优化节能 机组绝大部分时间是在部分负荷下运行的，当机组在部分负荷情况下，压缩机的部分节能优势来自于2个方面；第一是压缩机流量的减少而降低转速；第二是由于蒸发温度的提高和冷凝温度的降低带来的压力比下降从而降低转速。 当环境温度发生变化时，建筑冷负荷也相应变化。若冷水出水温度设定值不变，冷负荷降低。使得相应的冷水回水温度降低，对应的冷机蒸发温度上升。同时负荷小，冷却水进回水温度也会降低，冷凝温度相应降低。综合蒸发温度和冷凝温度变化，不难发现，部分负荷时冷机的工作压力比减小。传统离心机采用进口导叶调节，也只能在一定范围内适应这种压力比变化。只有采用变频技术的离心机才可以通过调节转速以适应压力比的变化。通过降低转速，降低压缩机功耗。而在实际工作中，普通变频离心机由于回油等技术限制，只能在一定范围内进行变频，因此获得的节能效果有限。只有采用磁悬浮变频冷水机组才能根据实际负荷和压力比调节转速，比传统技术的冷水机在部分负荷下表现出了极高的性能，如图4所示。从而获得最大的节能效果。 图4 磁悬浮机组与其他机组性能曲线对比
轴流压气机设计 压气机是航空发动机的核心部件，压气机内部流场存在很大的逆压梯度，有着高度的三维性、粘性及非线性和非定常性，而多级压气机还存在复杂的级间匹配，这些都使得压气机的设计难度很大，一直是发动机研制中的瓶颈技术。 一、压气机设计方法的发展 一个世纪以来，伴随着气动热力学和计算流体力学的发展!轴流压气机的设计系统在不断进步，带动着压气机设计水平的提高。 20世纪初采用螺桨理论设计叶片；20-30年代采用孤立叶型理论设计压气机；30年代中期开始，由于叶栅空气动力学的发展和大量平面叶栅试验的支持，研制了一系列性能较高的轴流压气机；50年代开始采用二维设计技术，用简单径向平衡方程计算子午流面参数，叶片由标准叶型进行设计；70年代建立了准三维设计体系，流线曲率通流计算和叶片流动分析是这一体系的基础，可控扩散叶型等先进叶型技术开始得到应用；90年代初以来，以三维粘性流场分析为基础的设计体系促进了压气机设计技术的快速发展。 风扇/轴流压气机的设计体系以流动的物理模型发展为线索，以计算能力的高速发展为推动力，大致经历了一维经验设计体系、二维半经验设计体系、准三维设计体系、三维设计体系四个阶段。并正在朝着压气机时均（准四维）和压气机非定常（四维）气动设计体系发展。 目前的压气机的设计体系大致可以分为四个阶段：初始设计、通流设计、二维叶型设计、三维叶型设计。 二、压气机设计体系 1.初始设计 这是一个建立压气机的基本轮廓的阶段，根据给定的流量、压比、效率、稳定裕度等参数，来确定压气机级数、级压比、效率、子午面流道、各排叶片数等，并可以进一步可估算重量。而且整体设计的决策还要统筹风险、技术水平、时间和花费等。 初始设计主要依据一维平均流线计算程序进行计算，在给定设计点流量、压比、转速及转子进口叶尖几何尺寸的条件下，可确定压气机级数、轴向长度、并且优化载荷轴向分布，得到设计点在平均半径处的速度三角形和各级平均气动参数。初始设计阶段包括压气机主要参数的确定以及同其它部件的协调，并且为S2流面计算提供初始流道几何尺寸。而这个程序主要依赖于经验以及以往积累的数据库。 初始设计它是方案设计中的基础阶段，不管计算流体动力学如何发展，该设计过程仍是压气机设计中不可缺少的一部分。正是这个部分是整个设计过程中最重要的部分，因为如果在这里发生了基本的错误，之后就无法通过优化或者其他改变来纠正这一情况，压气机基本结构设计出现错误会带来严重的后果。 2.通流设计 通流设计根据叶片扭向设计规律，采用S2流面流场计算方法，分析并确定各排叶片进出口速度三角形及各排叶片匹配关系。 S2流面气动计算一般采用流线曲率法，求解S2平均流面上的完全径向平衡方程。最初的压气机通流设计计算采用忽略流线坡度和流线曲率的“简化径向平衡方程”获取叶片设计需要的速度三角形，这种方法在低压比的压气机设计中起着基本的作用。后来发展了考虑流线坡度和流线曲率影响的“完全径向平衡方程”和S2流面理论，使压气机的设计计算结果更加准确，特别是针对跨音速流也促进了压气机性能的提高。不过，直到上世纪80年代，由于理论和数值计算方法的原因，通流设计求解方法都是在忽略了气流粘性的影响的简化方程下完成。随着压气机设计的实践的深入和计算方法的发展，上世纪80年代开始在压气机
2018/3 机电设备 58 cademic Research 技术交流 A 压气机特性曲线多项式回归拟合方法 代 星1，赵元松1，岳永威2，吴 垚3 （1. 91054部队，上海 200235；2. 中国航空综合技术研究所，北京 100028； 3. 92602部队，上海 201900） 摘 要：燃气轮机仿真对于压气机特性曲线的精度要求较高，曲线拟合的质量直接影响仿真的效果。根据压气机曲线形状相近、变化趋势固定的特点，运用二步多项式拟合同转速下压比、流量和转速的关系。分析结果表明：该方法原理简单、可行性强，能够满足燃气轮机的计算要求，具有一定的实用价值。 关键词：燃气轮机；压气机；特性曲线；曲线拟合；多项式回归 中图分类号：TK472 文献标志码：A DOI ：10.16443/https://www.doczj.com/doc/c2486601.html,ki.31-1420.2018.03.015 Polynomial Regression Fitting Method for Characteristic Curve of Compressor DAI Xing 1, ZHAO Yuansong 1, YUE Yongwei 2, WU Yao 3 (1. The 91054 Unit of PLA, Shanghai 200235, China; 2. Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China; 3. The 92602 Unit of PLA, Shanghai 201900,China) Abstract: High accuracy is required for the compressor characteristic curve while building the simulation model of gas turbine. The quality of curve fitting affects the simulation result directly. According to the characteristics of proximate curve shape and the change regularity of compressor characteristic curves, the two-step polynomial fitting is used to fit the relationship between the pressure ratio, flow rate and rotation speed under the same speed. The analysis results show that the method is simple, feasible, and can meet the calculation requirements of gas turbine. It has certain practical value. Key words: gas turbine; compressor ; characteristic curve; curve fitting ; polynomial regression 0 引言 舰用燃气轮机作为舰船动力系统的核心装置，其起动、调节、变速的特性在很大程度上影响着舰船的运行。压气机是燃气轮机的主要部件，其特性对于仿真结果有显著影响。在实际使用过程中，压气机不可能固定在额定工况下工作，舰船运行时复杂的变化（如负荷降低、温度或压力变化、叶片结垢或磨损导致的零部件性能变化等）都会造成压气机偏离原稳定工况，因此了解压气机关键参数的变化规律对于把握压气机的性能十分重要。但是，通过试验获取压气机特性的 方法不仅费用较高，而且难以全面反映所有转速特性；实际中仅能够获得部分工况的数据，且这些数据多以离散点或者曲线图的形式存在。如何由有限的数据和图表模拟及预测压气机未知运行状态成为了一个难点。 由于压气机特性表现出较强的非线性，采用常规的线性插值方法模拟往往导致模拟结果精度较差，因此，国内外学者提出了一些模拟压气机特性的方法，如神经网络算法[1-3]、 模糊辨识法[4]、滑动最小二乘法[5]和偏最小二乘法[6]等。这些算法能够较好地逼近压气机特性曲线，但仍存在一些不足。神经网络法能够在理 作者简介：代星（1983—），男，博士。研究方向：船舶动力装置，计算力学，船舶动力仿真。
第三章 轴流压气机的工作原理 压气机是燃气涡轮发动机的重要部件之一，它的作用是给燃烧室提供经过压缩的高压、 高温气体。根据压气机的结构和气流流动特点，可以把它分为两种主要型式：轴流式压气机 和离心式压气机。本章论述轴流式压气机的基本工作原理，重点介绍压气机基元级和压气机 一级的流动特性及工作原理。 第一节 轴流压气机的增压比和效率 轴流式压气机由两大部分组成，与压气机旋转轴相联接的轮盘和叶片构成压气机的转 子，外部不转动的机匣和与机匣相联接的叶片构成压气机的静子。转子上的叶片称为动叶，静子上的叶片称为静叶。每一排动叶（包括动叶安装盘）和紧随其后的一排静叶（包括机匣）构成轴流式压气机的一级。图3－1为一台10级轴流压气机，在第一级动叶前设有进口导流 叶片（静叶）。 图3－1 多级轴流压气机 压气机的增压比定义为 ***=1p p k k π （3－1） *k p ：压气机出口截面的总压；*1p ：压气机进口截面的总压；*号表示用滞止参数（总参数）来定义。 依据工程热力学有关热机热力循环的理论，对于燃气涡轮发动机来讲，在一定范围内， 压气机出口的压力愈高，则燃气涡轮发动机的循环热效率也就愈高。近六十年来，压气机的 总增压比有了很大的提高，从早期的总增压比3.5左右，提高到目前的总增压比40以上。 图3－2 压气机的总增压比发展历程
压气机的绝热效率定义为 ** *=k adk k L L η （3－2） 效率公式定义的物理意义是将气体从*1p 压缩到*2p ，理想的、无摩擦的绝热等熵过程 所需要的机械功* adk L 与实际的、有摩擦的、绝热熵增过程所需要的机械功k L * 之比。 p 1*p k *1k ad k L *k L *ad k s h * 图3－3 压气机热力过程焓熵图 由热焓形式能量方程（2－5）式、绝热条件、等熵过程的气动关系式)1(1 1)(k k adk adk p p T T -****=和R k k c p 1 -=可以得到 )1(1)(111--=-=-****k k k adk p adk RT k k T T c L π （3－3） )1(1)(1 11--=-=******T T RT k k T T c L k k p k （3－4） 将（3－3）和（3－4）式代入到（3－2）式，则得到 11 11--=**-**T T k k k k k πη （3－5） 效率公式（3-5）式可以用来计算多级或单级压气机的绝热效率，也可以用来计算单排 转子的绝热效率，只要*k p 和*k T 取相应出口截面处值即可。压气机静子不对气体作功，静子 的性能不能用效率公式（3-5）式衡量，静子的气动品质用总压恢复系数*23σ反映，*23σ＝ p *静子出口/ p * 静子进口 。 压气机的效率高，说明压缩过程中的流阻损失小，实际过程接近理想过程。或者说， 压气机效率愈高，达到相同增压比时，所需要外界输入的机械功愈少。目前，单级轴流压气 机的绝热效率可以达到90％以上，高增压比的多级轴流压气机的绝热效率也可以达到85％ 以上。
离心式冷水机组的结构 及原理 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
离心式冷水机组系统介绍目前用于中央空调的离心式冷水机组主要由离心制冷压缩机、主电动机、蒸发器（满液式卧式壳管式）、冷凝器（水冷式满液式卧式壳管式）、节流装置、压缩机入口能量调节机构、抽气回收装置、润滑油系统、安全保护装置、主电动机喷液蒸发冷却系统、油回收装置及微电脑控制系统等组成，并共用底座。其外形和系1．离心式冷水机组特点 离心式冷水机组属大冷量的冷水机组，它有以下主要优点： （1）压缩机输气量大，单机制冷量大，结构紧凑，重量轻，单位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式机组轻80％以上，占地面积小； （2）性能系数高； （3）叶轮作旋转运动，运转平稳，振动小，噪声较低； （4）调节方便，在较大的冷量范围内能较经济地实现无级调节； （5）无气阀、填料、活塞环等易损件，工作比较可靠。 离心式冷水机组的缺点主要是： （1）由于转速高，对材料强度、加工精度和制造质量要求严格； （2）单级压缩机在低负荷时易发生喘振； （3）当运行工况偏离设计工况时，效率下降较快； （4）制冷量随蒸发温度降低而减少的幅度比活塞式快，制冷量随转数降低而急剧下降。 2．离心式冷水机组的组成
构成离心式冷水机组的部件中，区别于活塞式、螺杆式冷水机组的主要部件是离心压缩机，此外，其他主要辅助设备比如换热设备、润滑油系统、抽气回收装置等均有自己特点，在这进行简单介绍。 1）压缩机 空调用离心式冷水机组，通常都采用单级压缩，除非单机制冷量特别大(例如4500kW以上)，或者刻意追求压缩机的效率，才采用2级或3级压缩。单级离心制冷压缩机由进口调节装置、叶轮、扩压器、蜗室组成；多级离心制冷压缩机除了末级外，在每级的扩压器后面还有弯道和回流界，以引导气流进入下一级。由于离心式冷水机组在实际使用中的一些特殊要求，使得离心式制冷压缩机在结构上有其一些特点： ①离心式冷水机组采用的制冷剂的分子量都很大，音速低，在压缩机流道中的马赫数M比较高(特别是在叶轮进口的相对速度马赫数和叶轮出口的绝对速度马赫数一般都达到亚音速甚至跨音速)，这就要求在叶轮构型时特别注意气流组织，避免或减少气流在叶轮流遭中产生激波损失，同时适应制冷剂气体的容积流量在叶轮内变化很大的特点。 ②冷水机组在实际使用中，由于气候和热负荷的变化，需要的制冷量变化很大，并且要求在冷负荷变化时，机组的效率也尽可能高。作为制造厂来说，对于不同规格的系列产品，希望零部件的通用化程度越高越好。对于离心制冷压缩机，其叶轮的出口角小，则压缩机的性能曲线比较平坦，绝热效率较高，还能减少因采用同一蜗室而造成的匹配失当和效率降低，有利于变工况运行。
一、轴流式压缩机简介 轴流式压缩机是属于一种大型的空气压缩机它是由3大部分组成，一是以转轴为主体的可以旋转的部分简称转子，二是以机壳和装在机壳上的静止部件为主体的简称定子（静子），三是壳体、密封体、轴承箱、调节机构、联轴器、底座和控制保护等组成。 轴流压缩机主要是由机壳、叶片承缸、调节缸、转子、进口圈扩压器、轴承箱、油封、密封、轴承、平衡管道、伺服马达、底座等组成。 轴流式压缩机的静叶可调机构和带动该机构的中间气缸，机壳是标准化的同一种型号不同级数的机壳，进排气缸是一样的，不同级数机身长度的改变组合木模来实现，当级数不用时，除轴向长度不同外，其它所有结构都一样。主轴都是为镍铬合金钢，叶片材料为铬不锈钢，静叶内缸结构尺寸、轴封、密封、联轴器级轴流式压缩机的附属设备、润滑油系统、控制系统、保护系统都是非常智能型的。前6级的反动为百分之70，以后几级的反动向为百分之100。 压缩机底座由钢板焊接而成，压缩机本体重量通过下壳体的支腿，支撑在底座的4个支柱上，下机壳与底座上的支座间有定位及导向结构，整个轴流式压缩机的重量支撑在4个支柱上，其低压侧的2个支柱与机壳支腿的上下面做成球面的，支柱与支腿之间的间隙因此允许机器低压侧在各个方向上摆动以适应受热膨胀。定子的死点在高压侧，所以高压侧的支柱不允许机器的高压侧轴向移动，只允许在垂直于轴的横向移动。为了保持轴孔的水平高度不变，高压侧的2个支柱为特殊材料做成，不会因受热而伸长。
当我们启动轴流式压缩机后，空气从压缩机过滤器中进入，同时产生的噪声会沿着进气口传出，然后经过整流栅使吸入的气流稳定，为隔离压缩机对吸气管道的机械震动、降低噪音，同时补偿压缩机的热膨胀位移，也利于压缩机检修时设备对中调整，在压缩机与吸入气管道的连接处配置了柔性补偿器。采用柔性合成胶材料，其耐温以产生逆流时的风温，经过进气节流阀来控制压缩机启动带来的阻力，当压缩机运行稳定后，压力值上升到指定时。进气调节阀开始关闭，放空阀动作卸掉内部多余的气压。 二、轴流压缩机的基本工作原理 图1－5为轴流压缩机的构造示意图。在压缩机主轴上安装有多级动叶片，整个通道由收敛器、进口导流叶片、各级工作叶片（动叶片）和导流叶片、扩压器等组成。气体由进口法兰流经收敛器10，使进人进日导流叶片1的气流均匀，并得到初步的加速。气流流经进口导叶叶片间的流道，使气流整理成轴向流动，并使气体压力有少许提高。转子8由原动机拖动作高速旋转，由工作叶片2将气流推动，使之大大加速，这是气体接受外界供给的机械能转变为气体动能的过程。高速气流流经导流叶片3构成的流道（相当于扩压管），在其中 降低流速而使气体压缩，这是靠减少气流动能来使气体压缩的升压过程。一列工作叶片（动叶）与一列导流叶片（静叶）构成一个工作级。气体连续流经压缩机的各级，逐级压缩升压。最后经整流装置4将气流整理成轴向，流经扩压器7，在扩压器中气流速度降低，压力升高，最后汇入蜗壳经出口法兰排出压缩机。 轴流压缩机每级的增压比不大，约为1．15～1．25，若要获得较高压力，需要较多的级。例如压比为4的空气压缩机，一般需要十几级。 三、轴流式压缩机的技术特点 1、一是轴流压缩机气体动力学设计采用最先进的三元流理论和优化设计方法；采用效率高、压头大的新型叶栅，成功进行了各种反动度叶型组合设计。在同样参