王龍 秦福星 閆小龍

（海軍蚌埠士官學校，蚌埠 233012）

離心式制冷壓縮機喘振故障分析及排除

王龍 秦福星 閆小龍

（海軍蚌埠士官學校，蚌埠 233012）

論文較詳細地分析了離心式制冷壓縮機“喘振”的機理及危害，從技術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、可轉動的擴壓器調(diào)節(jié)法、改變轉速調(diào)節(jié)法以及提高人員專業(yè)素質與管理水平等方法與手段。

離心式 制冷壓縮機 喘振措施

離心式制冷壓縮機屬于透平式壓縮機，其與活塞式制冷壓縮機、螺桿式制冷壓縮機相比較，在相同制冷量式，離心式制冷壓縮機的效率更高、結構相對簡單、壓縮機排出口的制冷劑氣體流量較平穩(wěn)。適宜用于中央空調(diào)冷水機組的制冷壓縮機。

某船舶中央空調(diào)設備冷水機組所使用的制冷壓縮機為離心式二級壓縮式制冷壓縮機，共有3臺，每臺制冷量約為2100kW。在該冷水機組投入使用的初期，因為管理人員操作使用不當，其中一臺離心式壓縮機曾發(fā)生過“喘振”故障征兆，幸虧及時糾正錯誤的操作使用方法，阻止了離心壓縮機“喘振”繼續(xù)發(fā)生，未造成大的損失。

1 離心式壓縮機發(fā)生“喘振”的現(xiàn)象分析

離心式制冷壓縮機工作時，通過高速旋轉的葉輪帶動氣體旋轉，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，壓力能和動能都增加。在葉輪后部設有擴壓元件，將從葉輪流出的高速氣體在擴壓器內(nèi)降速增壓，使得氣體的大部分動能又轉化為壓力能。所以，離心式壓縮的壓縮過程是在葉輪和擴壓器內(nèi)完成的。

圖1是離心式壓縮機在某一固定旋轉速度時的特性曲線。如果離心式壓縮機的進口流量由正常逐漸減小，當流量減小到最小允許流量Qmin以下時，制冷劑氣體在葉輪和擴壓器內(nèi)產(chǎn)生旋轉脫離現(xiàn)象，造成壓縮機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，直到冷凝器內(nèi)壓力小于壓縮機出口壓力為止，而后壓縮機流量增大，壓縮機恢復正常。但是由于壓縮機的總負荷很小，造成壓縮機實際流量不會增大，在壓縮機流量短暫變大后，很快壓縮機流量又降到Qmin以下，相應地氣體又很快產(chǎn)生倒流，如此反復，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在該轉速下的“喘振”現(xiàn)象。N點就是離心式制冷壓縮機在該轉速下的喘振臨界點[1]。

圖2是離心式壓縮機在不同轉速下的工況曲線，將每個工況曲線上的喘振臨界點連接起來就是一條喘振曲線，圖中為曲線CD，在喘振曲線CD左側即為喘振區(qū)。在離心式壓縮機工作過程中要避免在喘振區(qū)運轉，而盡可能地使離心式壓縮機運行平穩(wěn)。

通過上述分析可知，離心式制冷壓縮機發(fā)生喘振存在主觀原因和客觀原因。主觀原因是壓縮機的吸入流量減小，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 離心式壓縮機工況曲線

圖2 離心式壓縮機不同轉速下工況曲線

2 離心式壓縮機發(fā)生“喘振”的危害

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

（1）造成設備損壞。該艦船上離心式制冷壓縮機旋轉速度高達近9000轉/分鐘，在如此高速旋轉過程中，旋轉零部件本身易造成振動和噪聲。如果壓縮機發(fā)生喘振，喘振中的氣流就對葉輪和擴壓器產(chǎn)生沖擊力，沖擊力作用在高速旋轉的葉輪等旋轉元件上時形成干擾，即使是較小的干擾作用在高速旋轉的元件上，也會造成較嚴重的破壞，使得旋轉元件的徑向振動嚴重，磨損加大，轉動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的振動，從而形成惡性循環(huán)，直至最終發(fā)生事故。另外，壓縮機發(fā)生“喘振”時，壓縮機的排氣管道也會隨之發(fā)生周期性的振動，周期性振動波及到管路附件，易造成附件松動。另外，離心式壓縮機的振動也可能引起船艙內(nèi)的其它設備共振，使其它設備緊固件逐漸松動，埋下事故隱患。

（2）增加離心式壓縮機的噪音。噪聲和振動相生相伴的。由于振動的存在，旋轉部件旋轉一圈時，壓縮機的各個零部件之間相互摩擦、撞擊，從而發(fā)生噪聲。壓縮機在高速旋轉過程中，壓縮機的旋轉部件反復撞擊、摩擦，從而周期性地產(chǎn)生噪聲。壓縮機旋轉速度越快，越容易產(chǎn)生高頻噪聲。高頻噪聲聲音較大時，影響船員休息、干擾人員情緒，對人體有一定危害。

（3）對電網(wǎng)造成沖擊。離心式壓縮機發(fā)生“喘振”時，壓縮機排出口管道內(nèi)氣體倒流入擴壓器和壓縮機內(nèi)，沖擊壓縮機旋轉部件的運轉，造成壓縮機瞬時功率增大、瞬時電流大幅度增加。而艦船的電網(wǎng)容量有限，遠遠無法與陸地的比較，若離心式壓縮機“喘振”嚴重時，瞬時電流很大，足以影響電網(wǎng)內(nèi)其它用電設備。

3 防止離心式壓縮機發(fā)生“喘振”的措施

離心式壓縮機的“喘振”是速度式壓縮機本身所具有的固有特性，是無法消除的，但是在設計和使用等環(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，離心式壓縮機發(fā)生“喘振”的主要原因之一是壓縮機的壓縮比過大、使得壓縮機工況落入喘振區(qū)而形成的。為此，可在壓縮機的排出口和吸入口連接一旁通回流管，如圖3所示。當壓縮機壓縮比過大時，打開回流管上的回流閥，排出口的高壓氣體回流至壓縮機吸入口，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，使壓縮機的工作效率降低，長時間采用旁通回流法，可能造成壓縮機的吸氣溫度異常升高。

圖3 旁通回流法簡圖

（2）采用可轉動的擴壓器調(diào)節(jié)法。根據(jù)前面對離心式壓縮機“喘振”機理的分析可知，當流量減小至某一值以下時，在擴壓器中首先產(chǎn)生嚴重的旋轉脫離而導致喘振。所以，如果能隨著流量的變化，而能相應地改變擴壓器流道的進口幾何角，以適應改變了的工況，使進入壓縮機葉輪的沖角不會很大，則可使壓縮機性能曲線大幅度地向小流量區(qū)移動，從而可擴大穩(wěn)定工況范圍，大大降低“喘振”發(fā)生的可能性。

（3）采用改變轉速調(diào)節(jié)法。由圖2可知，壓縮機的轉速不同，其相應工況的喘振點也是不同的變化的。所以可以通過改變壓縮機轉速來改變穩(wěn)定工況區(qū)，這種通過變速的方法適用于蒸汽輪機、燃氣輪機帶動的機組，是一種比較經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法，只是調(diào)節(jié)后的工作點不一定是最高效率點。但對電動機拖動的機組，為了便于變速，就要用直流機組或采用變頻方法，這會使設備大大復雜化，同時造價也高。

（4）提高人員專業(yè)素質和管理水平。離心式壓縮機技術總體已經(jīng)比較成熟，在實際應用中之所以仍然發(fā)生喘振等故障，一方面是因為操作人員的技術素質不過硬，另一方面是因為操作人員在操作過程中麻痹大意造成的。

技術素質不過硬的問題主要發(fā)生在年輕人員身上。對于此類問題，建議加強對規(guī)章制度的學習、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)督下操作設備。當然，在年輕人員操作設備過程中，經(jīng)驗豐富的老同志要全程監(jiān)督，適時糾正。例如，在壓縮機的啟動階段和停機階段，壓縮機葉輪的旋轉速度變化非常大。在啟動階段，升壓之前應結合壓縮機的性能曲線，確定葉輪轉速，在升至該轉速后再提升至所需壓力；壓縮機停機降速之前應將防喘閥門準備好，然后再降速，降速應緩慢進行，防止過快過急。

思想麻痹大意的問題常發(fā)生在經(jīng)驗豐富的老同志身上。對于此類問題，建議加強組織領導，通過一系列獎懲措施防止人員在操作時思想開小差、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之外還應給予物質懲罰。

4 結束語

喘振是離心式制冷壓縮機的固有特性，要預防喘振現(xiàn)象的發(fā)生既有技術因素，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的防喘振，才能提高設備可靠性和經(jīng)濟性能。

[1]徐忠.離心壓縮機原理[M].北京：機械工業(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.

centrifugal refrigeration compressor,surge,measures