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工程師講解:離心壓縮機技術!

離心式壓縮機的原理是通過葉片向空氣施加動能,不像容積式使用油或水,工廠內用氣的壓縮級數為2~4級。

 


 

 

一、離心式壓縮機的主要結構


 

 

1、葉輪(葉片輪)

 

是向空氣施加動能的部分,過去是以精密鑄造的方式生產,但在開發出高速5軸加工機后,更多采用切削加工的方式。這種方式的實際生產工時數少,成本低廉。其材質一般使用了不會腐蝕的鈦合金或不銹鋼。

 

從原理上看,壓縮級數越多越接近于等溫壓縮,其效率越高。如考慮中間冷卻器的壓力損失及軸封裝置產生的泄露,2級壓縮與3級壓縮的效率之差大約為3.5%3級壓縮與4級壓縮的效率之差約為1%

 

由于流體數值分析的進步,其處理軟件已經不存在購買門檻,因此老牌制造商在技術與數據積累方面的優勢已經消失。葉輪單體的效率也達到95%,已沒有多大的改善余地。

 

由于干螺桿壓縮機的螺桿與螺桿的接觸會燒焦并受損,因此對精度的管理非常重要,但離心式壓縮機的葉輪即使與蝸殼發生稍許接觸也不致于燒焦并發生事故。運轉中的葉輪由于離心力引起的形變或蝸殼的形變,致使實際運轉時葉輪的出口并不存在縫隙。如在運轉結束后進行拆分查看,則大多數情況下能夠確認輕微接觸的痕跡。也就是說其結構非常安全。

 

2、擴壓器

 

對葉輪加速的空氣進行減速,并轉變為壓力的裝置被稱為擴壓器。

 

如不帶葉片(無葉片式)則空氣多沿圓周方向流動,到達下游渦室(蝸殼)的距離變長。一般地,通過安裝固定式葉片將氣流角度改變為沿半徑方向來縮短通過的距離,減少通路的摩擦損失。該通路存在隧道式、葉片式、無葉片式等。

 

1983年九州大學的妹尾泰利教授在ASME公布了其開發的小展弘比葉片擴壓器(低密度型),在效率與流量范圍內非常實用,得到了全世界的廣泛采用。妹尾泰利教授在當時并未申請專利權,因此該項技術在世界范圍內使用都不受限制。

 

流體力學當中,對空氣的減速要比加速困難。因此擴壓器的改良開發難度要高于旋轉葉輪的開發,目前在實際使用上的損失約在10%左右,還存在進步的空間,有待進一步的開發改良。

   

二、離心式壓縮機的特點

   

1、喘振

 

離心式壓縮機具有容積式所不具備的喘振特點。

 


 

 

當流量減少到某個界限時,擴壓器及葉輪會出現失速(stall,下游的空氣開始逆流向上游。在該流量界限下,排氣側空氣發生一次全量逆流,下游被壓縮的空氣在上游急劇膨脹,會產生爆炸音。該逆流使排氣側的壓力急劇下降,后又上升并再次發生逆流,這種振蕩現象被稱為渦輪的喘振。

 

由于引起該現象的原因是擴壓器或葉輪的失速,因此要考慮防止該失速的方法。在葉輪施加的動能被不斷地轉變為壓力的情況下,失速的原因是過大的減速。一旦發生減量,擴壓器這種一般減速器會最先開始失速,有的設計也有可能出現葉輪先失速的情況。

 

葉輪是一種空氣加速機,一般不認為其會出現失速,但如果從葉輪與空氣的相對速度來考慮的話,則在葉輪也可能出現減速。如要盡可能避免失速,可以減小擴壓器或葉輪的減速比,但這樣會增加半徑方向上的長度,通路內的摩擦損失會隨著該長度的增加而成比例增加。如何縮小進氣殼(蝸殼)來有效地減速,是提高離心機性能技術的關鍵。不帶葉片的無葉片式擴壓器通路距離也比較長,損失會增加,但另一方面其減速比要比帶葉片式小,因此不容易發生失速。

 

在相同條件下,即運轉時不改變轉數并降低流量,提高壓力比,則干螺桿壓縮機的排氣溫度會上升,螺桿會燒焦損傷,因此其帶有排氣溫度上升即觸發停機的安全裝置。離心式壓縮機也帶有避免喘振的控制裝置,但即使控制失效出現了喘振,一般也不會引起損傷,它會因為振動過大或逆流空氣溫度即進氣溫度上升而停機。

 

2、流量調節范圍

 

離心式壓縮機的特點是,通過縮小進氣閥,不僅能夠減少進氣量,還能夠移動作用點,降低進氣壓力以減少壓比的增高。而把握調節范圍的關鍵,在于如何避免前述的喘振。

 

要追求最高效率,可以加大葉輪與擴壓器的減速能力,減小通路損失,但因流量的減少很快便會出現失速。原則上,同時追求最高效率與最大流量調節范圍是矛盾。市場中的產品被迫做出了一定的妥協。

 

制冷劑或汽車引擎渦輪增壓器中的擴大流量調節范圍技術已十分成熟,防止擴壓器失速的擴壓器旁通技術、擴壓器節流技術以及防止葉輪進口部分失速的技術已有相關產品。

 

這些技術可擴大離心式壓縮機的流量調節范圍,使離心式壓縮機作為一種容量調節設備有效地與變頻式螺桿壓縮機進行對抗。

   

三、離心式壓縮機的優缺點

 

優點:

 

沒有磨損件,維護成本在壓縮機中最低;

 

與螺桿式壓縮機相比,縫隙產生的泄露少,因此單級的效率高;

 

與干式螺桿壓縮機相比,零件數量及加工工時數少,加工精度要求不高,生產成本低。


 

壓縮機停止與運轉時在熱膨脹或應力下會發生形變,縫隙會發生變化。

 

干螺桿壓縮機的兩根螺桿以面相對,因此它的特點是稍稍接觸便會形成面接觸,引起發熱膨脹,燒焦并卡死,而另一方面,離心式壓縮機最大的特點,是葉輪葉片與蝸殼是以線相對,因此即使發生若干接觸也是線接觸,葉片如刀片般劃過,不會燒焦。因此,它最大的優點是事故比干式螺桿壓縮機要少得多。

 

缺點:

 

空氣通路部分(葉輪及擴壓器)表面的污染會導致性能降低

 

性能會降低約10%左右。但消耗功率也會減少。由于空氣的速度為每秒數百米,因此接觸面表面的粗糙程度對性能有巨大影響,特別是流速最快的擴壓器部分的污染影響最大。當然,除污染之外,腐蝕同樣會使表面粗糙并降低性能。

要解決該問題,可以提高空氣過濾器的過濾精度,以及定期實施內部(葉輪及擴壓器)的清掃。此外,離心式壓縮機空氣過濾器的性能一般要高于其他類型,并且為了延長濾芯的壽命而占有非常大的面積,有的用戶使用比燃氣輪機(燃氣輪機也是一種渦輪機械,因此具有相同的缺點)性能更高的過濾器來防止性能降低,其濾芯可自動纏繞也便于維護。船舶渦輪增壓器很早就將定期噴水清洗葉輪與擴壓器的方法投入了實用,但該方法似乎并未被用于陸地型透平機械中,用戶對此也并不關注。

 

初期投資昂貴

 

螺桿式與活塞式壓縮機制造商的商業模式是依靠維護費來回收利潤,因此可給出較低的售價。但是離心式壓縮機并沒有太多的維護項目,因此即使生產成本低廉,也不得不提出高昂的價格

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