工程師講解:離心壓縮機(jī)技術(shù)!

    離心式壓縮機(jī)的原理是通過葉片向空氣施加動(dòng)能,不像容積式使用油或水,工廠內(nèi)用氣的壓縮級(jí)數(shù)為2~4級(jí)。

     

     

     

    一、離心式壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

     

     

    1、葉輪(葉片輪)

     

    是向空氣施加動(dòng)能的部分,過去是以精密鑄造的方式生產(chǎn),但在開發(fā)出高速5軸加工機(jī)后,更多采用切削加工的方式。這種方式的實(shí)際生產(chǎn)工時(shí)數(shù)少,成本低廉。其材質(zhì)一般使用了不會(huì)腐蝕的鈦合金或不銹鋼。

     

    從原理上看,壓縮級(jí)數(shù)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(chǎn)生的泄露,2級(jí)壓縮與3級(jí)壓縮的效率之差大約為3.5%,3級(jí)壓縮與4級(jí)壓縮的效率之差約為1%

     

    由于流體數(shù)值分析的進(jìn)步,其處理軟件已經(jīng)不存在購買門檻,因此老牌制造商在技術(shù)與數(shù)據(jù)積累方面的優(yōu)勢已經(jīng)消失。葉輪單體的效率也達(dá)到95%,已沒有多大的改善余地。

     

    由于干螺桿壓縮機(jī)的螺桿與螺桿的接觸會(huì)燒焦并受損,因此對(duì)精度的管理非常重要,但離心式壓縮機(jī)的葉輪即使與蝸殼發(fā)生稍許接觸也不致于燒焦并發(fā)生事故。運(yùn)轉(zhuǎn)中的葉輪由于離心力引起的形變或蝸殼的形變,致使實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉輪的出口并不存在縫隙。如在運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后進(jìn)行拆分查看,則大多數(shù)情況下能夠確認(rèn)輕微接觸的痕跡。也就是說其結(jié)構(gòu)非常*。

     

    2、擴(kuò)壓器

     

    對(duì)葉輪加速的空氣進(jìn)行減速,并轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ难b置被稱為擴(kuò)壓器。

     

    如不帶葉片(無葉片式)則空氣多沿圓周方向流動(dòng),到達(dá)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?yōu)檠匕霃椒较騺砜s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(xué)的妹尾泰利教授在ASME公布了其開發(fā)的小展弘比葉片擴(kuò)壓器(低密度型),在效率與流量范圍內(nèi)非常實(shí)用,得到了全世界的廣泛采用。妹尾泰利教授在當(dāng)時(shí)并未申請(qǐng)權(quán),因此該項(xiàng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)使用都不受限制。

     

    流體力學(xué)當(dāng)中,對(duì)空氣的減速要比加速困難。因此擴(kuò)壓器的改良開發(fā)難度要**旋轉(zhuǎn)葉輪的開發(fā),目前在實(shí)際使用上的損失約在10%左右,還存在進(jìn)步的空間,有待進(jìn)一步的開發(fā)改良。

       

    二、離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn)

       

    1、喘振

     

    離心式壓縮機(jī)具有容積式所不具備的喘振特點(diǎn)。

     

     

     

    當(dāng)流量減少到某個(gè)界**,擴(kuò)壓器及葉輪會(huì)出現(xiàn)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(cè)空氣發(fā)生一次全量逆流,下游被壓縮的空氣在上游急劇膨脹,會(huì)產(chǎn)生爆炸音。該逆流使排氣側(cè)的壓力急劇下降,后又上升并再次發(fā)生逆流,這種振蕩現(xiàn)象被稱為渦輪的喘振。

     

    由于引起該現(xiàn)象的原因是擴(kuò)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(dòng)能被不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ那闆r下,失速的原因是過大的減速。一旦發(fā)生減量,擴(kuò)壓器這種一般減速器會(huì)先開始失速,有的設(shè)計(jì)也有可能出現(xiàn)葉輪先失速的情況。

     

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

     

    在相同條件下,即運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不改變轉(zhuǎn)數(shù)并降低流量,提高壓力比,則干螺桿壓縮機(jī)的排氣溫度會(huì)上升,螺桿會(huì)燒焦損傷,因此其帶有排氣溫度上升即觸發(fā)停機(jī)的*裝置。離心式壓縮機(jī)也帶有避免喘振的控制裝置,但即使控制失效出現(xiàn)了喘振,一般也不會(huì)引起損傷,它會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)過大或逆流空氣溫度即進(jìn)氣溫度上升而停機(jī)。

     

    2、流量調(diào)節(jié)范圍

     

    離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn)是,通過縮小進(jìn)氣閥,不僅能夠減少進(jìn)氣量,還能夠移動(dòng)作用點(diǎn),降低進(jìn)氣壓力以減少壓比的增高。而把握調(diào)節(jié)范圍的關(guān)鍵,在于如何避免前述的喘振。

     

    要追求高效率,可以加大葉輪與擴(kuò)壓器的減速能力,減小通路損失,但因流量的減少很快便會(huì)出現(xiàn)失速。原則上,同時(shí)追求高效率與流量調(diào)節(jié)范圍是矛盾。市場中的產(chǎn)品被迫做出了一定的妥協(xié)。

     

    制冷劑或汽車引擎渦輪增壓器中的擴(kuò)大流量調(diào)節(jié)范圍技術(shù)已十分成熟,防止擴(kuò)壓器失速的擴(kuò)壓器旁通技術(shù)、擴(kuò)壓器節(jié)流技術(shù)以及防止葉輪進(jìn)口部分失速的技術(shù)已有相關(guān)產(chǎn)品。

     

    這些技術(shù)可擴(kuò)大離心式壓縮機(jī)的流量調(diào)節(jié)范圍,使離心式壓縮機(jī)作為一種容量調(diào)節(jié)設(shè)備有效地與變頻式螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行對(duì)抗。

       

    三、離心式壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

     

    優(yōu)點(diǎn):

     

    沒有磨損件,維護(hù)成本在壓縮機(jī)中低;

    與螺桿式壓縮機(jī)相比,縫隙產(chǎn)生的泄露少,因此單級(jí)的效率高;

    與干式螺桿壓縮機(jī)相比,零件數(shù)量及加工工時(shí)數(shù)少,加工精度要求不高,生產(chǎn)成本低。



     

    壓縮機(jī)停止與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在熱膨脹或應(yīng)力下會(huì)發(fā)生形變,縫隙會(huì)發(fā)生變化。

     

    干螺桿壓縮機(jī)的兩根螺桿以面相對(duì),因此它的特點(diǎn)是稍稍接觸便會(huì)形成面接觸,引起發(fā)熱膨脹,燒焦并卡死,而另一方面,離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn),是葉輪葉片與蝸殼是以線相對(duì),因此即使發(fā)生若干接觸也是線接觸,葉片如刀片般劃過,不會(huì)燒焦。因此,它的優(yōu)點(diǎn)是事故比干式螺桿壓縮機(jī)要少得多。

     

    缺點(diǎn):

     

    空氣通路部分(葉輪及擴(kuò)壓器)表面的污染會(huì)導(dǎo)致性能降低

     

    性能會(huì)降低約10%左右。但消耗功率也會(huì)減少。由于空氣的速度為每秒數(shù)百米,因此接觸面表面的粗糙程度對(duì)性能有巨大影響,特別是流速快的擴(kuò)壓器部分的污染影響大。當(dāng)然,除污染之外,腐蝕同樣會(huì)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(shí)施內(nèi)部(葉輪及擴(kuò)壓器)的清掃。此外,離心式壓縮機(jī)空氣過濾器的性能一般要**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?xì)廨啓C(jī)(燃?xì)廨啓C(jī)也是一種渦輪機(jī)械,因此具有相同的缺點(diǎn))性能較高的過濾器來防止性能降低,其濾芯可自動(dòng)纏繞也便于維護(hù)。船舶渦輪增壓器很早就將定期噴水清洗葉輪與擴(kuò)壓器的方法投入了實(shí)用,但該方法似乎并未被用于陸地型透平機(jī)械中,用戶對(duì)此也并不關(guān)注。

     

    初期投資昂貴

     

    螺桿式與活塞式壓縮機(jī)制造商的商業(yè)模式是依靠維護(hù)費(fèi)來回收利潤,因此可給出較低的售價(jià)。但是離心式壓縮機(jī)并沒有太多的維護(hù)項(xiàng)目,因此即使生產(chǎn)成本低廉,也不得不提出高昂的價(jià)格


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