離心式制冷壓縮機(jī)喘振故障分析及排除

王龍 秦福星 閆小龍

（海軍蚌埠士官學(xué)校，蚌埠 233012）

離心式制冷壓縮機(jī)喘振故障分析及排除

王龍 秦福星 閆小龍

（海軍蚌埠士官學(xué)校，蚌埠 233012）

論文較詳細(xì)地分析了離心式制冷壓縮機(jī)“喘振”的機(jī)理及危害，從技術(shù)和人員因素提出了防止“喘振”發(fā)生的措施，主要是采用旁通回流法、可轉(zhuǎn)動(dòng)的擴(kuò)壓器調(diào)節(jié)法、改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法以及提高人員專業(yè)素質(zhì)與管理水平等方法與手段。

離心式 制冷壓縮機(jī) 喘振措施

離心式制冷壓縮機(jī)屬于透平式壓縮機(jī)，其與活塞式制冷壓縮機(jī)、螺桿式制冷壓縮機(jī)相比較，在相同制冷量式，離心式制冷壓縮機(jī)的效率更高、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、壓縮機(jī)排出口的制冷劑氣體流量較平穩(wěn)。適宜用于中央空調(diào)冷水機(jī)組的制冷壓縮機(jī)。

某船舶中央空調(diào)設(shè)備冷水機(jī)組所使用的制冷壓縮機(jī)為離心式二級(jí)壓縮式制冷壓縮機(jī)，共有3臺(tái)，每臺(tái)制冷量約為2100kW。在該冷水機(jī)組投入使用的初期，因?yàn)楣芾砣藛T操作使用不當(dāng)，其中一臺(tái)離心式壓縮機(jī)曾發(fā)生過“喘振”故障征兆，幸虧及時(shí)糾正錯(cuò)誤的操作使用方法，阻止了離心壓縮機(jī)“喘振”繼續(xù)發(fā)生，未造成大的損失。

1 離心式壓縮機(jī)發(fā)生“喘振”的現(xiàn)象分析

離心式制冷壓縮機(jī)工作時(shí)，通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動(dòng)氣體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，從而將軸功傳遞給氣體，使氣體的壓力升高，速度增大，壓力能和動(dòng)能都增加。在葉輪后部設(shè)有擴(kuò)壓元件，將從葉輪流出的高速氣體在擴(kuò)壓器內(nèi)降速增壓，使得氣體的大部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為壓力能。所以，離心式壓縮的壓縮過程是在葉輪和擴(kuò)壓器內(nèi)完成的。

圖1是離心式壓縮機(jī)在某一固定旋轉(zhuǎn)速度時(shí)的特性曲線。如果離心式壓縮機(jī)的進(jìn)口流量由正常逐漸減小，當(dāng)流量減小到最小允許流量Qmin以下時(shí)，制冷劑氣體在葉輪和擴(kuò)壓器內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象，造成壓縮機(jī)出口壓力突然大幅度下降，大大低于冷凝器中的制冷劑壓力，從而氣流倒流入壓縮機(jī)，直到冷凝器內(nèi)壓力小于壓縮機(jī)出口壓力為止，而后壓縮機(jī)流量增大，壓縮機(jī)恢復(fù)正常。但是由于壓縮機(jī)的總負(fù)荷很小，造成壓縮機(jī)實(shí)際流量不會(huì)增大，在壓縮機(jī)流量短暫變大后，很快壓縮機(jī)流量又降到Qmin以下，相應(yīng)地氣體又很快產(chǎn)生倒流，如此反復(fù)，在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，此即為離心式制冷壓縮機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的“喘振”現(xiàn)象。N點(diǎn)就是離心式制冷壓縮機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的喘振臨界點(diǎn)[1]。

圖2是離心式壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的工況曲線，將每個(gè)工況曲線上的喘振臨界點(diǎn)連接起來就是一條喘振曲線，圖中為曲線CD，在喘振曲線CD左側(cè)即為喘振區(qū)。在離心式壓縮機(jī)工作過程中要避免在喘振區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，而盡可能地使離心式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

通過上述分析可知，離心式制冷壓縮機(jī)發(fā)生喘振存在主觀原因和客觀原因。主觀原因是壓縮機(jī)的吸入流量減小，小到最小允許流量以下；客觀原因是流體介質(zhì)溫度、壓力變化，輸送的管網(wǎng)特性的變化等諸多因素。

圖1 離心式壓縮機(jī)工況曲線

圖2 離心式壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下工況曲線

2 離心式壓縮機(jī)發(fā)生“喘振”的危害

離心式壓縮機(jī)發(fā)生“喘振”后，產(chǎn)生激烈的振動(dòng)，對(duì)離心式壓縮機(jī)本身以及整個(gè)系統(tǒng)都產(chǎn)生危害，具體來說危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）造成設(shè)備損壞。該艦船上離心式制冷壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)近9000轉(zhuǎn)/分鐘，在如此高速旋轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)零部件本身易造成振動(dòng)和噪聲。如果壓縮機(jī)發(fā)生喘振，喘振中的氣流就對(duì)葉輪和擴(kuò)壓器產(chǎn)生沖擊力，沖擊力作用在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪等旋轉(zhuǎn)元件上時(shí)形成干擾，即使是較小的干擾作用在高速旋轉(zhuǎn)的元件上，也會(huì)造成較嚴(yán)重的破壞，使得旋轉(zhuǎn)元件的徑向振動(dòng)嚴(yán)重，磨損加大，轉(zhuǎn)動(dòng)元件與固定元件的間隙增大，而增大的間隙又反過來加重離心式壓縮機(jī)的振動(dòng)，從而形成惡性循環(huán)，直至最終發(fā)生事故。另外，壓縮機(jī)發(fā)生“喘振”時(shí)，壓縮機(jī)的排氣管道也會(huì)隨之發(fā)生周期性的振動(dòng)，周期性振動(dòng)波及到管路附件，易造成附件松動(dòng)。另外，離心式壓縮機(jī)的振動(dòng)也可能引起船艙內(nèi)的其它設(shè)備共振，使其它設(shè)備緊固件逐漸松動(dòng)，埋下事故隱患。

（2）增加離心式壓縮機(jī)的噪音。噪聲和振動(dòng)相生相伴的。由于振動(dòng)的存在，旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，壓縮機(jī)的各個(gè)零部件之間相互摩擦、撞擊，從而發(fā)生噪聲。壓縮機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)過程中，壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件反復(fù)撞擊、摩擦，從而周期性地產(chǎn)生噪聲。壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)速度越快，越容易產(chǎn)生高頻噪聲。高頻噪聲聲音較大時(shí)，影響船員休息、干擾人員情緒，對(duì)人體有一定危害。

（3）對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。離心式壓縮機(jī)發(fā)生“喘振”時(shí)，壓縮機(jī)排出口管道內(nèi)氣體倒流入擴(kuò)壓器和壓縮機(jī)內(nèi)，沖擊壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，造成壓縮機(jī)瞬時(shí)功率增大、瞬時(shí)電流大幅度增加。而艦船的電網(wǎng)容量有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與陸地的比較，若離心式壓縮機(jī)“喘振”嚴(yán)重時(shí)，瞬時(shí)電流很大，足以影響電網(wǎng)內(nèi)其它用電設(shè)備。

3 防止離心式壓縮機(jī)發(fā)生“喘振”的措施

離心式壓縮機(jī)的“喘振”是速度式壓縮機(jī)本身所具有的固有特性，是無法消除的，但是在設(shè)計(jì)和使用等環(huán)節(jié)中可以避免“喘振”的發(fā)生。

（1）采用旁通回流法。根據(jù)前面分析可知，離心式壓縮機(jī)發(fā)生“喘振”的主要原因之一是壓縮機(jī)的壓縮比過大、使得壓縮機(jī)工況落入喘振區(qū)而形成的。為此，可在壓縮機(jī)的排出口和吸入口連接一旁通回流管，如圖3所示。當(dāng)壓縮機(jī)壓縮比過大時(shí)，打開回流管上的回流閥，排出口的高壓氣體回流至壓縮機(jī)吸入口，使得吸入口壓力升高、排出口壓力降低，從而降低壓縮比，壓縮機(jī)工況又可迅速回至穩(wěn)定工作區(qū)域。采用此方法，使壓縮機(jī)的工作效率降低，長(zhǎng)時(shí)間采用旁通回流法，可能造成壓縮機(jī)的吸氣溫度異常升高。

圖3 旁通回流法簡(jiǎn)圖

（2）采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的擴(kuò)壓器調(diào)節(jié)法。根據(jù)前面對(duì)離心式壓縮機(jī)“喘振”機(jī)理的分析可知，當(dāng)流量減小至某一值以下時(shí)，在擴(kuò)壓器中首先產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離而導(dǎo)致喘振。所以，如果能隨著流量的變化，而能相應(yīng)地改變擴(kuò)壓器流道的進(jìn)口幾何角，以適應(yīng)改變了的工況，使進(jìn)入壓縮機(jī)葉輪的沖角不會(huì)很大，則可使壓縮機(jī)性能曲線大幅度地向小流量區(qū)移動(dòng)，從而可擴(kuò)大穩(wěn)定工況范圍，大大降低“喘振”發(fā)生的可能性。

（3）采用改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法。由圖2可知，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，其相應(yīng)工況的喘振點(diǎn)也是不同的變化的。所以可以通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來改變穩(wěn)定工況區(qū)，這種通過變速的方法適用于蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)的機(jī)組，是一種比較經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方法，只是調(diào)節(jié)后的工作點(diǎn)不一定是最高效率點(diǎn)。但對(duì)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)組，為了便于變速，就要用直流機(jī)組或采用變頻方法，這會(huì)使設(shè)備大大復(fù)雜化，同時(shí)造價(jià)也高。

（4）提高人員專業(yè)素質(zhì)和管理水平。離心式壓縮機(jī)技術(shù)總體已經(jīng)比較成熟，在實(shí)際應(yīng)用中之所以仍然發(fā)生喘振等故障，一方面是因?yàn)椴僮魅藛T的技術(shù)素質(zhì)不過硬，另一方面是因?yàn)椴僮魅藛T在操作過程中麻痹大意造成的。

技術(shù)素質(zhì)不過硬的問題主要發(fā)生在年輕人員身上。對(duì)于此類問題，建議加強(qiáng)對(duì)規(guī)章制度的學(xué)習(xí)、增加“以老帶新”的力度。在年輕人員掌握操作規(guī)程之后才可在老同志的監(jiān)督下操作設(shè)備。當(dāng)然，在年輕人員操作設(shè)備過程中，經(jīng)驗(yàn)豐富的老同志要全程監(jiān)督，適時(shí)糾正。例如，在壓縮機(jī)的啟動(dòng)階段和停機(jī)階段，壓縮機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度變化非常大。在啟動(dòng)階段，升壓之前應(yīng)結(jié)合壓縮機(jī)的性能曲線，確定葉輪轉(zhuǎn)速，在升至該轉(zhuǎn)速后再提升至所需壓力；壓縮機(jī)停機(jī)降速之前應(yīng)將防喘閥門準(zhǔn)備好，然后再降速，降速應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止過快過急。

思想麻痹大意的問題常發(fā)生在經(jīng)驗(yàn)豐富的老同志身上。對(duì)于此類問題，建議加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，通過一系列獎(jiǎng)懲措施防止人員在操作時(shí)思想開小差、注意力不集中。例如，若在操作使用中出現(xiàn)喘振等故障，除了給值班人員提出批評(píng)之外還應(yīng)給予物質(zhì)懲罰。

4 結(jié)束語

喘振是離心式制冷壓縮機(jī)的固有特性，要預(yù)防喘振現(xiàn)象的發(fā)生既有技術(shù)因素，也有人為因素，兩者都不可被忽視。只有比較全面地做好離心式壓縮機(jī)的防喘振，才能提高設(shè)備可靠性和經(jīng)濟(jì)性能。

[1]徐忠.離心壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

Centrifugal Refrigeration Compressor Surge Failure Analysis and Troubleshooting

WANG Long,QIN Fuxing,YAN Xiaolong
（Bengbu Naval Officer School,Bengbu 233012）

This paper is a detailed analysis of mechanism and harm of centrifugal refrigeration compressor "surge". From theperspective of technological and human factors, measures to prevent theoccurrence of "surge" is raised, which include bypass reflux, rota tablediffuser adjustment method, changing the speed adjustment method andprofessional quality of staff and improved management methods andmeans.

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