离心式制冷压缩机

第四章 离心式制冷压缩机 离心式制冷压缩机(centrifugal refrigeration compressor)是一种速度型的压缩机。大型空气调节系统和石油化学工业对冷量的需求很大，离心式制冷压缩机正是适应这种需求而发展起来的。与其他特别是活塞式制冷压缩机相比，因压缩气体的工作原理不同，它具有下列特点：

1) 无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单；

2) 无进排气阀、活塞，气缸等磨损部件，故障少、工作可靠、寿命长；

3) 机组单位制冷量的重量、体积及安装面积小；

4) 机组的运行自动化程度高，制冷量调节范围广，且可连续无级调节，经济方便；

5) 在多级压缩机中容易实现一机多种蒸发温度；

6) 润滑油与制冷剂基本上不接触，从而提高了冷凝器及蒸发器的传热性能；

7) 对大型离心式制冷压缩机，可由蒸气动力机或燃气动力机直接带动，能源使用经济，合理；

8) 单机容量不能太小，否则会使气流流道太窄，影响流动效率；

9) 因依靠速度能转化成压力能，速度又受到材料强度等因素的限制，故压缩机的一级压力比不大，在压力比较高时，需采用多级压缩；

l0) 通常工作转速较高，需通过增速齿轮来驱动；

11) 当冷凝压力太高或制冷负荷太低时，机器会发生喘振而不能正常工作；

12) 制冷量较小时，效率较低；

综上所述，在蒸发温度不太低和冷量需求量很大时，选用离心式制冷压缩机是比较适宜的。

第一节 工作原理与结构

一、离心式制冷压缩机的工作原理

离心式制冷压缩机的工作原理与容积式压缩机不同，它是依靠动能的变化来提高气体的压力的。它由转子与定子等部分组成。当带叶片的转子(即工作轮) 转动时，叶片带动气体转动，把功传递给气体，使气体获得动能。定子部分则包括扩压器、弯道、回流器、蜗壳等，它们是用来改变气流的运动方向以及把速度能转变为压力能的部件。制冷剂蒸气由轴向吸入，沿半径方向甩出，故称离心式压缩机（centrifugal compressor）。

吸气口

叶轮

扩压器

图4—1示出了气体通过叶轮和扩压器时压力和速度的变化。这种变化与第一篇离心式泵与风机所述相同，这里不再重复。

二、总体及零部件结构

离心式制冷压缩机可分为开启式和封闭式两大类型。

开启式的压缩机与原动机分开(增速齿轮可以与压缩机装在同一机壳内，也可以单独装在机外) ，压缩机轴的外伸端装有机械密封，以防止制冷剂外泄或空气漏入。封闭式则是将压缩机、增速齿轮、原动机用一个壳体连成一体，轴端不需要机械密封。氟利昂离心式制冷压图4-1 气体通过叶轮和扩压器时压力和速度的变化

缩机为了减少制冷剂的泄漏，大多采用封闭式结构。

由于使用场合、工作条件(冷凝温度、蒸发温度) 及采用制冷剂的不同，要求离心式压缩机产生的能量头也各有所异，因此，离心式制冷压缩机有单级和多级之分。在空气调节系统中，由于蒸发温度(压力) 较高，压缩比较小，一般都采用单级压缩，它的构造如图4—2所示。当蒸发温度较低，压缩比较大时则采用多级压缩。它由数个工作轮组成，每一个工作轮与相配合的固定元件组成一个“级”，级数越多、转速越高，所生的能量头也越大。它的构造如图4—3所示。

图4-2 单级离心式制冷压缩机结构

1、轴 2、轴封 3、工作轮 4、扩压器 5、蜗壳 6、扩压器叶片

7、工作轮叶片

图4-3 多级离心式制冷压缩机结构

1、 顶轴器 2、13套筒 3、止推轴承部 4、止推轴承 5、轴承 6、调整块

7、机械密封部 8、进口导叶 9、隔板 10、轴 11、调整环 12、连接件

蒸气的压力是逐级增加的，“级”是组成离心式压缩机基础。中间级有叶轮、扩压器、

弯道、回流器、级间密封等，如图4—4所示。末级是由叶轮、扩压器和蜗壳组成，如图4-5所示。

压缩机工作时，从蒸发器来的制冷剂蒸气先进入第一级叶轮入口前的流道——吸入室，

然后进入叶轮，气体在叶片的作用下，一边跟着叶轮高速旋转，一边由于受离心力的作用，

在叶片槽道中作扩压流动，使气体

的压力和速度都得到提高。

气体出叶轮后进入流道截面

逐渐扩大的扩压器，速度减小，速

度能转变为压力能，使气体的压力

进一步提高。在多级压缩机中，为

了把气体引入下一级去继续增压，

在扩压器后面设置了弯道和回流

器。回流器中一般都装有导流叶图4-6 吸入室的结构示意图

片，使气体均匀地沿轴向进入下一(a)轴向进气 (b)径向进气 级工作轮。对单级或多级的末级，

不存在把气体引入下一级的问题，

所以在扩压器的后面不再是弯道和回流器；而是将气体直接排入蜗壳，由于蜗壳外径和流通截面逐渐扩大，使气流进一步减速和扩压，最后从蜗壳出来的气体排至冷凝器。

为了进一步了解离心式制冷压缩机的结构，现对其主要零部件结构加以介绍。

1) 1) 吸入室 吸入室的作用是将从蒸发器或级间冷却器来的气体，均匀地引导至

叶轮的进口，以减少气流的扰动和分离损失。它的

结构比较简单，有轴向进气和径向进气两种。通常

空调用单级离心式制冷压缩机都采用轴向进气的结

构，如图4-6(a)所示。沿轴线的截面略有收缩，以减

少分离损失并保证气体的均匀流动。径向进气结构

多采用于多级双支承压缩机中，如图4—6(b)所示。

为使气流转弯时流动均匀，往往在吸入室设置导流图4-7 入口导流器调节装置

肋片。

2) 进口导流器 进口导流器安装在第一级进口前的机壳上。它由一组彼此联动旋转的小叶片组成，叶片呈放射状分布，每一个叶片均有一个小圆锥齿轮与一个大锥形齿轮圈啮合，如图4-7所示。可以通过伺服电动机自动控制大锥形齿轮圈的转动，也可用手动控制。小圆锥齿轮则带动全部叶片转动，从而改变叶轮进口处的流通截面，达到输气量调节的目的。

3) 叶轮(工作轮) 叶轮是一个最重要的部件，通过叶轮将能量传递给气体，使气体的速度及压力都得到提高。

叶轮一般由轮盘1、叶片2和轮盖3组成，称为闭 式叶轮，如图4—8(b)所示。如果仅有轮盘和叶片组成，

称为半开式叶轮。如图4-8(a)所示。

影响叶轮性能的主要因素是叶片的弯曲形状。按叶

片出口端弯曲方向的不同，可分为后弯、前弯及径向叶

轮三种类型，如图4—9所示。如弯曲方向与工作轮旋

o 转方向一致(β2

旋转方向相反(β2>90o ) ，称为前弯式；叶片出口方向与

工作轮半径方向一致(β2=90o ) 称为径向式。

图4-8 半开式和闭式叶轮

(a)开式 (b)闭式

1、轮盘 2、叶片 3、伦盖

图4-9 后弯、前弯和径向叶轮

(a)后弯式 (b)前弯式 (c)径向式

由于后弯式叶片的级效率较高，因此被广泛采用。

叶轮是高速旋转的部件，要求材料具有足够的强度，一般用碳钢或合金钢制成。氟利昂离心式压缩机的叶轮，一般采用高强度铝合金精密铸造而成。为了减少振动，叶轮和轴必须经过动平衡试验，以达到规定的动平衡要求。

4) 扩压器 扩压器是固定部件中最重要的一个部件。它的作用是将叶轮出口的高速气体的速度能转化为压力能。扩压器通常是由两个和叶轮轴相垂直的平行壁面组成。如果在两平

行壁面之间不装叶片，

称为无叶扩压器(图4—

10a) ；如果设置叶片，则

称为叶片扩压器(图4—

10b) 。扩压器内环形通道

截面是逐渐扩大的，当

气体流过时，违度逐渐

降低，压力逐渐升高。

无叶扩压器结构简图4-10 无叶扩压器和叶片扩压器结构

(a)无叶扩压器 (b)叶片扩压器

单，制造方便、由于流道内没有叶片阻挡，无冲击损失，故被广泛采用。

5) 弯道和回流器 在多级离心式制冷压缩机中，弯道回流器是为了把由扩压器流出的气体导至下一级叶轮。气体在弯道和回流器的流动，可以认为压力和速度不变，仅改变气体的流动方向。弯道的作用是将扩压器出口的气流引导至回流器进口，使气流的方向从离开轴心变为向轴心方向。回流器则是把气流均匀地导向下一级叶轮的进口，为此，在回流器流道中设有叶片，使气体按叶片弯曲方向流动，沿轴向进入下一级工作轮。

图4-11 蜗壳的横断面的形状

(a)蜗壳外形 (b)梯形 (c) 正置圆形 (d)偏置圆形

图4-12 迷宫式密封的结构形式

6) 蜗壳 蜗壳的作用是把扩压器流出的气体汇集起来，集中排至冷凝器或级间冷却器。

蜗壳在径向面上的形状似蜗牛壳，外径和流通截面逐渐扩大，也起到使气流减速和扩压的作用，如图4—11(a)所示。蜗壳的断面形状常用偏置圆形，如图4—11(b，c ，d) 所示。

7) 密封 凡是转动元件与固定元件之间均需要留有一定的间隙，若间隙两边压力不相等，则会产生泄漏。为了防止轮盖及隔板处的级间内泄漏和轴外伸端及平衡盘处的外泄漏，在离心式制冷压缩机中往往采用迷宫式密封和机械摩擦环式密封装置、迷宫式密封的结构形式如图4—12所示。

迷宫式密封的工作原理是：当气流通过梳齿状密封片间隙时，气流近似地经历了一个等熵膨胀过程，其压力下降，流速增加；当气流进入两个密封片之间的空腔时，由于截面积的突然扩大，形成剧烈的旋涡，速度几乎完全损失，而压力没有变化；随后气流每流经一个密封片的间隙和空腔时，压力逐渐降低。若适当配置若干个密封片数，就可使最后一个空腔内的压力与前一级的压力(或大气压力) 相等，从而可减少内、外泄漏损失，起到密封的作用。

8) 平衡盘 由于叶轮两侧的压力不相等，在转子上受到一个指向叶轮进口方向的轴向椎(a)整体式 (b)镶嵌式 (c) 组合镶嵌式 (d、e) 光轴式

力。为了减少止推轴承的载荷，往往在末级之后设置一个平衡盘，如图4—13所示。因平衡盘左侧为高压，右侧与进气压力相通，因而形成一个相反的轴向推力，减轻了止推轴承的负荷。

图4-13 平衡盘

9) 轴承 离心式制冷压缩机中，在轴的两端装有支承用的滑动轴承，而轴向推力则由止

推轴承来承担。

第二节 特性及调节

一、特性

(1)工况变动时对性能的影响

工况变动时，离心式制冷压缩机的性能也将发生变化，它与活塞式制冷压缩机有类似之处。

1) 蒸发温度对性能的影响 当转速和冷凝温度不变时，制冷量随蒸发温度的变化情况如图4—14(a)所示。从图中可以看出，蒸发温度愈低，制冷量下降愈剧烈。蒸发温度对性能的影响较大。

2) 冷凝温度对性能的影响 当转速和蒸发温度不变时，制冷量随玲凝温度变化时的情况如图4—14(b)所示。从图中可以看出，当冷凝温度高于设计值时，离心式制冷压缩机的制冷量将急剧下降。

3) 转速对性能的影响 由于离心式压缩机产尘的能量头与转速的平方成正比，因此随转速的降低能量头急剧下降，因而制冷量也将急剧下降，如图4-14(c)所示。

图4-14 离心式和活塞式压缩机性能的比较

(a)蒸发温度变化的影响 (b)冷凝温度变化的影响

(c)转速变化的影响

(2)喘振与堵塞

图4—15示出离心式制拎压缩机的特性曲线。若压缩机在设计工况A 点下工作时，气流

方向和叶片流道方向一致，不出现边界层脱离现象，效率达最高值。当流量减小时(工作点向At 移动) ，气流速度和方向均发生变化，使非工作面上出现脱离现象，当流量减少到临界值(A1)点时，脱离现象扩展到整个流道，使损失大大增加，压缩机产生的能量头不足以克服冷凝压力，致使气流从冷凝器倒流，倒流的气体与吸进来的气体混合，流量增大，叶轮又可压送气体。但由于吸入气体量没有变化，流量仍然很小，故又将产生脱离，再次出现倒流现图4-15 压缩机工况变化时的特性曲线

象，如此周而复始。这种气流来回倒流撞击的现象称为“喘振”，它将使压缩机产生强烈的振动和噪声，严重时会损坏叶片甚至整个机组。

为了防止当压缩机工况发生变化或调节压缩机制冷量(减少负荷) 时发生喘振现象，机组中可采取反喘振措施。例如从压缩机出口旁通—部分气流直接进入压缩机的吸入口，加大它的吸入量，从而避免喘振现象的发生。

所谓堵塞．即流量已达最大值，如图4—15中的A2点，此时，压缩机流道中某个最小截面处的气流速度达到了音速，流量不可能继续增加。

从堵塞点(最大流量点) 到喘振点(最小流量点) 这一范围，称为离心式压缩机的稳定工作区。它的大小也是压缩机性能好坏的标志之一。

二、 调节

离心式制冷压缩机制冷量的调节方法很多，如改变压缩机转速、进气节流、改变叶轮进口前可转导叶的转角、改变冷凝器的冷却水量、吸气旁通等。其中，改变叶轮进口前可转导叶的转角的方法调节，经济性较好，调节范围较宽，方法又较简单，故被广泛采用。

它在叶轮进口前装有一组放射性可转动叶片，当改变它的角度时，就改变了进入叶轮气流的方向，致使叶轮产生的能量头发生变化，达到制冷量调节的目的。

第三节 第三节 空调用离心式制冷装置

一、离心式制冷循环

离心式制冷装置制冷循环的原理，与活塞式制冷装置制冷循环基本相同，即包括压缩、冷凝、节流和蒸发这几个主要过程。这里仅介绍空调用单级压缩制冷循环。

图4—16为单级离心式制冷装置的制冷循环示意图。在该制冷装置中，采用浮球式节流阀作为制冷剂的流量控制和降压机构(浮球室液面的高低控制浮球阀开度的大小) 。压缩机排出的制冷剂蒸汽在冷凝器中由冷却水冷凝成液体后流入浮球室。当浮球室液位升至一定高度时，浮球式节流阀开启，液体制冷剂经节流降压后流至蒸发器底部。制冷剂在蒸发器中被冷媒水(载冷剂) 加热蒸发后，流经挡液板以除去液滴，然后重新被压缩机吸入、压缩并排入冷凝器，如此不断循环。冷媒水被冷却降温后，由循环水泵送到需要降温的场所进行降温。

冷却水

载冷剂

图4-16 单级离心式制冷装置的制冷循环

1、单级离心式制冷压缩机 2、冷凝器 3、浮球式节流阀 4、蒸发器

5、挡液板

二、离心式制冷装置

空调用离心式制冷装置，其蒸发温度在0～10℃范围内，大多采用单级和双级离心式制冷压缩机。这种制冷装置通常都将离心式压缩机、冷凝器、浮球式节流阀和蒸发器四大部件组装成机组。

图4—17所示为FLZ —1000型离心式制冷机组布置简图。压缩机为单级离心式压缩机，机组的冷凝器装置在蒸发器上部，二者之间装置浮球阀室。压缩机、增速齿轮箱和电动机密封于一个机壳之中组成半封闭式，并以油箱作为底座。这样布置节省连接管材料，减少管路中的阻力损失，使结构紧凑。

图4-17 FLZ-1000离心式制冷机组简图

1、压缩机 2、增速齿轮箱 3、电动机 4、油箱 5、冷凝器 6、蒸发

FLZ —1000离心式制冷装置系统除表示压缩、冷凝、节流、蒸发过程所需的四大部件

外，为了保证装置的可靠运行，还设有辅助系统，下面以该制冷装置为例，介绍其辅助系统。

1． 1． 润滑系统

离心式压缩机一般是在高转速下运行的，其叶轮与机壳无直接接触摩，无需润滑。但其他运动摩擦部位则不然，即使短暂缺油，也将导致烧坏，因此必须保证润滑和冷却。

压缩机组的底座兼作低压油箱，油泵等润滑设备装设其上。工作时，润滑油从低压油箱经粗滤器被油泵吸入并加压，再经过油冷却器降温，细滤器滤清、油压调节阀调压(以便使润滑系统保持一定的压力) ，然后进入润滑油分配总管分别送至各轴承和增速齿轮等部位进行润滑。

低压油箱中设有电加热器，在压缩机组起动前或停车期间通电工作，以加热润滑油。其作用是；使润滑油粘度降低，以利于高速轴承的润滑，在较高的温度下(40~50℃) 易使溶解在润滑油中的制冷剂蒸发，以保持润滑油原有的性能。电加热器由油温继电器控制。运转时，油温过高(如油温超过65℃) ，油温继电器保护性地切断电源，使压缩机停车。

2．抽气回收装置

FLZ —1000型离心式制冷装置，使用氟利昂低压制冷剂。该装置正常运行时，其蒸发

2压力低于大气压力，一般为49千帕(0.5公斤／厘米) 左右，如蒸发温度4℃时，制冷剂的饱

和蒸汽压力为47.71千帕。因此，外界空气不可避免的经不严密处渗漏到蒸发器和低压管路，并与制冷剂蒸汽一起被压缩机吸入和排至冷凝器中。随着空气渗入量的增加，制冷装置的效率就会下降。空气中含有的水分又会腐蚀设备。为此，必须将渗入到系统中的空气等不凝性汽体及时抽出。但在抽出空气时，不少制冷剂也会被随同抽出，故应予以回收。抽气回收装置即是为抽除空气和回收制冷剂而设置的。此外，它还可以作为灌注和排出制冷剂、试压和抽真空之用。

FLZ-1000型离心式制冷装置的抽气回收装置，由抽气压缩机(小型活塞式压缩机) 、液分离器、分油器、分离塔、干燥器、放空气阀等组成。从冷凝器上部抽出的空气和制冷剂蒸汽等混合物，先经液分离器预先分离掉制冷剂液体(流经抽气管路时，被外界空气冷却凝结而成的) ，被分离出来的制冷剂液体流回蒸发器；去掉液滴的混合气体被抽气压缩机吸入。压缩后的高温高压混合汽体进入分油器分离掉润滑油，再进入分离塔内。被分离出来的润滑油流回抽气压缩机曲轴箱。分离塔上部装有翅片式冷却水管，管内循环着由蒸发器来的低温冷媒水，使制冷剂蒸汽被冷却液化，液化的制冷剂经底部浮球阀流入干燥器，脱除制冷剂中的水分后输送到蒸发器中去。从分离塔分离出来的空气等不凝性气体经其上部的放空气阀排放到大气中。 器 7、滤油器 8、油冷却器

抽气回收装置在正常情况下需定期运转，例如每天运转一次的5~l0分钟。在每次开车前也应先运转一次，以维持机内真空。

另外，对于使用R12等高压制冷剂的机组，设置抽灌设备。抽灌设备由小型活塞式压缩机，冷凝器和贮液罐等组成。机组检修时，用它将机组内的制冷剂蒸汽抽出，经冷凝器液化后，存放于贮液器内。该设备也可作为机组汽密性试验和抽真空之用。