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第七章 离心式压缩机

Copy Right By: Thomas T.S. Wan

(温到祥) Sept. 3, 2009

All Rights Reserved 多级(Multistage)离心式压缩机(Centrifugal Compressor)多应用于大型工业冷冻系统，它的冷量通常大于螺杆压缩机。随着螺杆式压缩机冷量的增大，螺杆式压缩机与离心式压缩机的

冷量有了一些重合的部分。但是，在大型制冷系统或多种工况应用中还会优先考虑离心式

压缩机。 离心式压缩机是一种大流量，容积可变(Variable Volume)，压头恒定(Constant Heat)的压缩机，它与往复式压缩机，螺杆式压缩机的比较如下：

离心式 螺杆式 往复式 分类 速度式 容积式 容积式 压头 恒定 可变 可变 容积 可变 可变 恒定 流量 高 中 低

动力方式 旋转 旋转 往复 能量调节 连续 连续 分级

单级(Single Stage)离心式压缩机主要用做双级低温制冷系统中的低压级。在一些石油化工产业和电力产业中的水冷或盐水冷却系统中，单级离心式压缩机也有应用。 单级(Single Stage)和多级(Multistage)离心式压缩机： 压缩机腔体中只有一个叶轮的压缩机称为单级离心式压缩机；压缩机腔体中有2到8个叶轮的压缩机称为多级离心式压缩机。图7-1（A）为典型单级离心式压缩机；图7-1（B）为典型电机驱动的带内齿轮的单级离心式压缩机；图7-1（C）为典型无驱动和底座的多级离心式压缩机。 图7-2为典型三级离心式压缩机的剖面图，图7-3为典型五级离心式压缩机的剖面图。 单级离心压缩机的压比相对较小。因此，它通常用做低温制冷系统中低压级。一般而言，

多级离心式压缩机的极限压比为20:1。对于R-22、R-290、R-1270系统，多级离心式压缩机最低吸气温度约为-50℉。压缩机的效率随着压比的变大而减小。

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离心压缩机的性能(Performance)和特性(Characteristics)：

典型离心式压缩机在设计转速(Design Speed)下的特有(Exclusive)性能曲线见图7-4。从曲线中可以看出，离心压缩机的压头虽然有限，容积变化范围却很广泛。

“D”点为指定转速下压缩机100%冷量和100%压头设计点。从曲线中可以看出，压缩机的排气压力与变化范围相对较广的体积流量达到一种平衡状态。在压缩机的选型中，应当

使设计点接近性能曲线的右边，比如“D”点，但不能使设计点超过C点，否则会距离阻塞点和非稳定工况区域太近。A、D点之间的曲线为正常工作区域。如果设计点偏离曲线左侧，则表明压缩机型号偏大；相反，如果设计点偏离曲线右侧，则压缩机型号偏小。

不同于往复和轴流压缩机，离心压缩机采用的是气动设计的叶轮(Impeller)。因此，离

心压缩机有如下特性(Special Characters)： 喘振 (Surge)：当离心式压缩机流量太小，不足以满足叶轮的空间距离，系统的排气

压力大于叶轮的静压力，此时会发生喘振现象。喘振会导致系统中的气体回流进入叶轮，

直到排气压力降低为止。当回流气体被排除后，压缩机再次面临气流不足以及回流再次发

生的问题。喘振会导致压缩机的振动甚至损坏。

喘振点 (Surge Point)：图7-4中点“A”是性能曲线的端点，也是叶轮的最小吸气流量。

当流量小于这个值时，压缩机就不能正常运行，表现为压力和流量的波动。 阻塞 (Stonewall)：图7-4的点“B”是阻塞点。对于离心式压缩机，阻塞是与喘振相反

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的工况。阻塞是压缩机堵塞的工况，此时吸气流量大于叶轮能力。阻塞工况是气流无法到

达的一个点。 理论上，当离心式压缩机运行在性能曲线外的工况时都会发生喘振。如果压缩机在性

能曲线以外工况运行，制冷系统需配备压头自动控制设备或部分负荷控制装置。 部分负荷能力：离心式压缩机的部分负荷调节可采用变频调节，进口导叶调节，热气

旁通调节或者是这些调节方式共同作用。 另外的压头控制装置为吸气调节控制。该吸气减震阀可以生成仿真压头作为压缩机运行

补偿。大致来说，这种方法所采用的压缩机主要按照API-617气体压缩设计。该方法也用于炼油和气体处理工业的气体压缩。吸气减震控制很少应用于工业冷冻系统中。 变频控制(Variable Speed Control): 如果压缩机的传动系统（压缩机、驱动器和齿轮）设计为85%到110%转速，如图7-5所示，通过改变压缩机转速，曲线族变成一张图表，离心式压缩机可以运行在喘振线右边任意部分负荷

点。实际上，转速控制移动了压缩机曲线，直到和部分负荷下压缩机压头、容积平衡为止。通

过增加压缩机转速，压缩机压头甚至可以高于设计值。但是，如果流量小于喘振点，且没有热

气旁通(Hot Gas Bypass)，压缩机将会发生喘振现象。所有的喘振点结合在一起就形成了喘振曲线。

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根据图7-5所得，如果制冷系统运行在常压头(Constant Compression Head)模型下，制冷曲线为D-F。在喘振点“F”，最小的部分负荷约为73%。如果系统运行在低压头模型下，制冷曲线为D-E，在喘振点“E”，最小无喘振现象部分负荷为67%。系统在无喘振现象下运行的最小部分负荷百分比称为制冷系统调气比。 变频控制的驱动器为蒸汽轮机、燃气轮机、变频马达和内燃机。变频驱动器价格昂贵，特别是

燃气轮机。同样，自动控制价格昂贵、结构复杂。 进气导流叶片(Inlet Guide Vane) [预旋叶片(PRV)]: 进气导流叶片也叫做预旋叶片（PRV）。对于应用在制冷领域的离心机来说，容量控制是最重要的发明。最有利的是，对于定转速的电机驱动，在低压头部分负荷运行工况下进气导流叶片

具有节省能量的优点。 进气导流叶片安装在吸气侧叶轮入口，如图7-6所示。进气导流叶片运行是受压缩机组控制箱全自动控制的。 进气导流叶片工作原理和优点如下： （a） 通过改变进气导流叶片的叶片位置，改变了入口角度或气态制冷剂进入叶轮角度。 （b） 在部分负荷工况下，进气导流叶片是关闭的，因此吸气进入叶轮的角度发生变化。这

也改变了气体速度、比容和气态制冷剂的压力。 （c） 在不改变压缩机转速的前提下改变了离心机叶轮的性能。 （d） 改变进气导流叶片角度，相当于具有不同运行工况的一系列新压缩机。 带有进气导流叶片控制、驱动转速固定的离心压缩机典型性能曲线如图7-7所示。性能线D-A-G-H是压缩机最大压头能力。进气导流叶片使得离心式压缩机可以运行在D-A-G-H以下包括的任意点和任意工况，并且没有喘振现象发生。对比图7-6，喘振限制得以延伸，并且压缩机在没有改变转速的情况下部分负荷能力得到极大地提高。 理论上，进气导流叶片可以允许压缩机在低于部分负荷能力10%工况下运行，并且没有喘振现象发生。但是，在制冷领域，离心式压缩机的调气比取决于压缩机的性能曲线、“制冷系统”

操作线和压缩机叶轮的马赫数。 典型进气导流叶片近似开度如图7-8所示（转速固定）。叶片全开时，压缩机运行在曲线B-D-A上。进气导流叶片调节和改变自身所处的位置，可以使压缩机运行在其它区域（远离满负荷）。

如果压缩机运行在性能曲线D-A上方，压缩机将会超出其压头能力。如果压缩机运行在喘振极限A-G-H曲线左边，此时需要热气旁通。 进气导流叶片可以和变频控制以及热气旁通结合布置。

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旁通负荷能力(Side Load Capability): 多级离心式压缩机等同于多级压缩系统中的多台压缩机，一个叶轮对应一台压缩机。因此，一

股气态制冷剂可以进入到叶轮和多级离心式压缩机之间的连接口。只要这股气态制冷剂的蒸发

压力对应于叶轮的级间压力，那么它既可以来自中冷（经济器），也可以来自制冷系统吸气侧

（可以为不同蒸发温度）。这些旁通负荷称为多级离心式压缩机的旁通负荷。 图7-9为四级离心式压缩机，带有三个不同蒸发温度的蒸发器，外加两级经济器。

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图7-9所示四级离心式压缩机制冷系统PH图分析如图7-10所示。过程线A-J为绝热过程，压缩机吸气点为“A”，气体被两个叶轮压缩到点“B”。由于没有中冷，所以A-B为直线。来自“B”点和“D”点气体混合温度为“C”。 “D”点气体是来自2#蒸发器气体（38℉）和来自经济器的闪发气体（38℉）的混合。“C”点位置取决于2#蒸发器负荷大小。来自第三级叶轮吸气点“C”的混合气体被压缩到“E”。气体和来自点“G”的气流混合，一并进入第四级叶轮吸气（点“F”）。“G”点气体是来自3#蒸发器气体（74℉）和来自经济器的闪发气体（74℉）的混合。压缩机排气在“H”点。图解目的仅仅是为了给出多级离心式压缩机可能的部分负荷接口，必须确保部分负荷压力足够高，能够

进入压缩机级间。

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多级离心式压缩机尺寸(Size)和级数(Stages): 多级离心式压缩机尺寸是由实际吸气CFM流量决定的。所需的级数是由总压头 (Overall Compression Head)、马赫数(Mach Number)、叶端速(Impeller Tip Speed)和吸气声速(Acoustic Speed)决定的。 级数或叶轮数量可以按照以下公式粗略计算：

N =级数（叶轮数量）

Had =总绝热压头，Ft Va =吸气声速，Ft/Sec

此公式仅用于概算(Budget Estimate)，且仅适用于R22、R134a、R290或R1270（具有适当吸气过热度条件下）。实际情况中要加上进气损失。压缩机叶端速度不超过850ft/sec，马赫数不超过1.25并且旁通负荷接口允许入口和叶轮之间存在3~5Psi压差。压缩机选型必须通过压缩机制造商审核确认。

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内置浮球阀式闪发经济器 (Internal Float Flash Type Intercooling Economizer): 离心式压缩机是高体积流量的压缩机。一些制造商为制冷系统提供了特定设计的内置浮球阀式

闪发经济器。该类型经济器结构如图7-11所示。

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油系统(Oil System): 相比于螺杆式压缩机，离心式压缩机用油量较少。离心式压缩机润滑油系统简易图如图7-12所示。油冷却器可以为水冷、制冷剂冷却甚至空冷。

如果采用水冷油冷，一些工业用户可能要求使用带有三通转换阀(3-Way Valve)的双油冷(Dual Oil Coolers)。为了保证压缩机连续运行，带有三通转换阀的双油过滤器(Dual Oil Filters)也可能使用。 如果主油泵采用轴上型，在压缩机达到全转速之前，启动阶段应该提供辅助油来保证建立油压。

如果主油泵不采用轴上型，为了保证压缩机连续进行，考虑使用自动备用油泵。 离心式压缩机制冷系统的润滑系统应是压缩机专有的，并且和制冷系统是密封的。压缩机润滑

油为专用冷冻油，不能被其他设备或环境污染。

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API-617和614要求 一些炼油和气体处理工业用户可能需要离心式压缩机结构按照API-617的要求设计。API-617是美国石油协会编写的。API-617压缩机主要为气体压缩和气体相变而设计和构思的，并不是特意为制冷领域设计。API-617压缩机不带有进气导流叶片控制。如果驱动器为电机，必须使用吸气减震阀来控制压头。按照API-614要求，API-617压缩机必须使用单独的润滑控制台，并且带有各自的密封气体。 驱动器(Driver)、增速器(Speed Increaser)和传动系统(Drive Line): 离心式压缩机的驱动器可以是电动机、内燃机、蒸汽轮机或者燃气轮机。压缩机运转速度和驱

动器转速是不同的，应使用增速器或外部齿轮来增加转速。如果驱动器转速高于压缩机转速，

就需要齿轮来降低转速。同样，也可能需要齿轮来改变压缩机转动方向。 压缩机、齿轮和驱动器之间的传动称为传动系统。必须用扭矩分析校核传动系统，以避免临界

速度问题。 控制箱(Contrl Panel): 压缩机组应包括自动控制箱。控制箱应具有安全、报警、停机功能以及类似于螺杆压缩机的部

分负荷控制能力。电气规定应该符合第24章所罗列的规则。