离心式压缩机的工作原理与结构 1. 工作原理离心式制冷压缩机有单级、双级和多级等多种结构型式。单级压缩机主要由吸气室、叶轮、扩压器、蜗壳等组成，如图6-1所示。对于多级压缩机，还设有弯道和回流器等部件。一个工作叶轮和与其相配合的固定元件（如吸气室、扩压器、弯道、回流器或蜗壳等）就组成压缩机的一个级。多级离心式制冷压缩机的主轴上设置着几个叶轮串联工作，以达到较高的压力比。多级离心式制冷压缩机的中间级如图6-2所示。为了节省压缩功耗和不使排气温度过高，级数较多的离心式制冷压缩机中可分为几段，每段包括一到几级。低压段的排气需经中间冷却后才输往高压段。 1—进口可调导流叶片 2—吸气室 1—叶轮 2—扩压器 3—叶轮 4—蜗壳 5—扩压器 6—主轴 3—弯道 4—回流器图6-1所示的单级离心式制冷压缩机的工作原理如下：压缩机叶轮3旋转时，制冷剂气体由吸气室2通过进口可调导流叶片1进入叶轮流道，在叶轮叶片的推动下气体随着叶轮一起旋转。由于
离心力的作用，气体沿着叶轮流道径向流动并离开叶轮，同时，叶轮进口处形成低压，气体由吸气管不断吸入。在此过程中，叶轮对气体做功，使其动能和压力能增加，气体的压力和流速得到提高。接着，气体以高速进入截面逐渐扩大的扩压器5和蜗壳4，流速逐渐下降，大部分气体动能转变为压力能，压力进一步提高，然后再引出压缩机外。对于多级离心式制冷压缩机，为了使制冷剂气体压力继续提高，则利用弯道和回流器再将气体引入下一级叶轮进行压缩，如图6-2所示。因压缩机的工作原理不同，离心式制冷压缩机与往复活塞式制冷压缩机相比，具有以下特点：①在相同制冷量时，其外形尺寸小、重量轻、占地面积小。相同的制冷工况及制冷量，活塞式制冷压缩机比离心式制冷压缩机（包括齿轮增速器）重5~8倍，占地面积多一倍左右。②无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单。目前对中小型组装式机组，压缩机可直接装在单筒式的蒸发�0�6
冷凝器上，无需另外设计基础，安装方便。③磨损部件少，连续运行周期长，维修费用低，使用寿命长。④润滑油与制冷剂基本上不接触，从而提高了
蒸发器和冷凝器的传热性能。⑤易于实现多级压缩和节流，达到同一台制冷机多种蒸发温度的操作运行。⑥能够经济地进行无级调节。可以利用进口导流叶片自动进行能量调节，调节范围和节能效果较好。⑦对大型制冷机，若用经济性高的工业汽轮机直接带动，实现变转速调节，节能效果更好。尤其对有废热蒸汽的工业企业，还能实现能量回收。⑧转速较高，用电动机驱动的一般需要设置增速器。而且，对轴端密封要求高，这些均增加了制造上的困难和结构上的复杂性。⑨当冷凝压力较高，或制冷负荷太低时，压缩机组会发生喘振而不能正常工作。⑩制冷量较小时，效率较低。目前所使用的离心式制冷机组大致可以分成两大类：一类为
冷水机组，其蒸发温度在-5℃以上，大多用于大型中央空调或制取5℃以上冷水或略低于0℃盐水的工业过程用场合；另一类是低温机组，其蒸发温度为-5~-40℃，多用于制冷量较大的化工工艺流程。另外在啤酒工业、人造
干冰场、冷冻土壤、低温试验室和冷、温水同时供应的热泵系统等也可使用离心式制冷机组。离心式制冷压缩机通常用于制冷量较大的场合，在350~7000kW内采用封闭离心式制冷压缩机，在7000~35000kW范围内多采用开启离心式制冷压缩机。 2. 主要零部件的结构与作用由于使用场合的蒸发温度、制冷剂的不同，离心式制冷压缩机的缸数，段数和级数相差很大，总体结构上也有差异，但其基本组成零部件不会改变。现将其主要零部件的结构与作用简述如下。（1）吸气室 吸气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。为减少气流的扰动和分离损失，吸气室沿气体流动方向的截面一般做成渐缩形，使气流略有加速。吸气室的结构比较简单，有轴向进气和径向进气两种形式，如图6-3所示。对单级悬臂压缩机，压缩机放在蒸发器和冷凝器之上的组装式空调机组中，常用径向进气肘管式吸气室（图6-3b）。但由于叶轮的吸入口为轴向的，径向进气的吸气室需设置导流弯道，为了使气流在转弯后能均匀地流入叶轮，吸气室转弯处有时还加有导流板。图中c所示的吸气室常用于具有双支承轴承，而且第一级叶轮有贯穿轴时的多级压缩机中。 a)轴向进气吸气室 b)径向进气肘管式吸气室 c)径向进气半蜗壳式吸气室（2）进口导流叶片 在压缩机第一级叶轮进口前的机壳上安装进口导流叶片可用来调节制冷量。当导流叶片旋转时，改变了进入叶轮的气流流动方向和气体流量的大小。转动导叶时可采用杠杆式或钢丝绳式调节机构。杠杆式如图6-4所示，进口导叶实际上是一个由若 1—小齿轮 2—齿圈 3—转动叶片 4—
伺服电动机 5—波纹管 6—连杆 7—杠杆 8—手轮 1—导叶 2—从动齿轮 3—钢丝绳 4—过渡轮 5—主动齿轮干可转动叶片3组成的菊形阀，每个叶片根部均有一个小齿轮1，由大齿圈2带动，大齿圈是通过杠杆7和连杆6由伺服电动机4传动，也可用手轮8进行操作。图6-5为钢丝绳传动形式，由一个主动齿轮5通过钢丝绳3带动六个从动齿轮2转动，从而带动七个导叶1开启。为了使钢丝绳在固定轨道上运动，防止它从主动齿轮和从动齿轮上滑出，又安装有七个过渡轮4，主动齿轮根据制冷机组的调节信号，由导叶调节执行机构带动链式执行机构转动主动齿轮。进口导叶的材料为铸铜或铸铝，叶片具有机翼形与对称机翼形的叶形剖面，由人工修磨选配。进口导叶转轴上配有铜衬套，转轴与衬套间以及各连接部位应注入少许润滑剂，以保证机构转动灵活。（3）叶轮 叶轮也称工作轮，是压缩机中对气体做功的惟一部件。叶轮随主轴高速旋转后，利用其叶片对气体做功，气体由于受旋转离心力的作用以及在叶轮内的扩压流动，使气体通过叶轮后的压力和速度得到提高。叶轮按结构型式分为闭式、半开式和开式三种，通常采用闭式和半开式两种，如图6-6所示。闭式叶轮由轮盖、叶片和轮盘组成，空调用制冷压缩机大多采用闭式。半开式叶轮不设轮盖，一侧敞开，仅有叶片和轮盘，用于单级压力比较大的场合。有轮盖时，可减少内漏气损失，提高效率，但在叶轮旋转时，轮盖的应力较大，因此叶轮的圆周速度不能太大，限制了单级压力比的提高。半开式叶轮由于没有轮盖，适宜于承受离心惯性力，因而对叶轮强度有利，使叶轮圆周速度可以较高。钢制半开式叶轮圆周速度目前可达450~540m/s，单级压力比可达6.5。 a) 闭式 b)半开式离心式制冷压缩机的叶轮的叶片按形状可分为单圆弧、双圆弧、直叶片和三元叶片。空调用压缩机的单级叶轮多采用形状既弯曲又扭曲的三元叶片，加工比较复杂，精度要求高。当使用氟利昂制冷剂时，通常用铸铝叶轮，可降低加工要求。（4）扩压器 气体从叶轮流出时有很高的流动速度，一般可达200~300m/s，占叶轮对气体做功的很大比例。为了将这部分动能充分地转变为压力能，同时为了使气体在进入下一级时有较低的合理的流动速度，在叶轮后面设置了扩压器，如图6-2所示。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；如果设置叶片，则称为叶片扩压器。扩压器内环形通道截面是逐渐扩大的，当气体流过时，速度逐渐降低压力逐渐升高。无叶扩压器结构简单，制造方便，由于流道内没有叶片阻挡，无冲击损失。在空调离心式制冷压缩机中，为了适应其较宽的工况范围，一般采用无叶扩压器。叶片扩压器常用于低温机组中的多级压缩机中。（5）弯道和回流器 在多级离心式制冷压缩机中，弯道和回流器是为了把由扩压器流出的气体引导至下一级叶轮。弯道的作用是将扩压器出口的气流引导至回流器进口，使气流从离心方向变为向心方向。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，沿轴向进入下一级叶轮。在采用多级节流中间补气制冷循环中，段与段之间有中间加气，因此在离心式制冷压缩机的回流器中，还有级间加气的结构。图6-7给出了三种加气型式，其中b和c型对下一级叶轮入口气流均匀性不利，但可以减少轴向距离。 （6）蜗壳 蜗壳的作用是把从扩压器或从叶轮中（没有扩压器时）流出的气体汇集起来，排至冷凝器或中间冷却器。图6-8所示为离心式制冷压缩机中常用的一种蜗壳形式，其流通截面是沿叶轮转向（即进入气流的旋转方向）逐渐增大的，以适应流量沿圆周不均匀的情况，同时也起到使气流减速和扩压的作用。蜗壳一般是装在每段最后一级的扩压器之后，也有的最后级不用扩压器而将蜗壳直接装在叶轮之后，如图6-9所示。其中a为蜗壳前装有扩压器； a)蜗壳前为扩压器 b)蜗壳前为叶轮 c)不对称内蜗壳 b为蜗壳直接装在叶轮之后，这种蜗壳中气流速度较大，一般在蜗壳后再设扩压管，由于叶轮后直接是蜗壳，所以对叶轮的工作影响较大，增加了叶轮出口气流的不均匀性；c为不对称内蜗壳，是空调用单级机组中常用的形式，这种蜗壳是安置在叶轮的一侧，蜗壳的外径保持不变，其流通截面的增加是由减小内半径来达到的。蜗壳的横截面常见的有圆形、梯形等。在氟利昂冷水机组的蜗壳底部有泄油孔，水平位置设有与油引射器相连的高压气引管。各处用充气密封的高压气体均由蜗壳内引出。（7）密封 对于封闭型机组，无需采用防止制冷剂外泄漏的轴封部件。但在压缩机内部，为防止级间气体内漏，或油与气的相互渗漏，必须采用各种型式的气封和油封部件，对于开启式压缩机，还需设置轴封装置。离心式制冷压缩机中常用的密封型式有如下几种。 1)迷宫式密封 又称为梳齿密封，主要用于级间的密封，如轮盖与轴套的内密封及平衡盘处的密封。迷宫式密封由梳齿隔开的许多小室组成，它是利用梳齿形的曲径使气体向低压侧泄漏时受到多次节流膨胀降压（因为每经一道间隙和小室气体压力均有损失），从而达到减少泄漏的目的。迷宫密封的结构多种多样，常见的如图6-10所示。曲折密封优于平滑型，常用于轴套、平衡盘的密封，但制造较为复杂，轴向定位较严格。台阶型密封主要用于轮盖密封。 a)镶嵌曲折型密封 b)整体平滑型密封 c)台阶型密封 1—轴封壳体 2—弹簧 3、7—O形圈 4—静环座 5—静环 6—动环 2)机械密封 主要用于开启式压缩机中的转轴穿过机器外壳部位的轴端密封。机械密封的结构型式较多，主要有由一个静环和一个动环组成的单端面型，以及两个静环和一个动环，或两个静环和两个动环组成的双端面型。图6-11为一个动环6和两个静环5组成的双端面型机械密封。密封表面为静环与动环的接触面，弹簧2通过静环座4把静环压紧在动环上。O形圈3和7防止气体从间隙中泄漏。在压缩机工作时，轴封腔内通入压力高于气体压力约0.05~0.1MPa的润滑油，把压紧在动环两侧的静环推开一个间隙，形成密封油膜，既减少了摩擦损失，也起到了冷却和加强密封效果的作用。停机时油压下降，但恒压罐使轴封腔内尚维持一定油压，弹簧又把静环压紧在动环上，从而形成良好的停机密封。机械密封的优点是密封性能好，接近于绝对密封，且结构紧凑。但不足之处是易于磨损，寿命短，摩擦副的线速度不能太高，密封面比压也有一定的限制。 a)单片油封 b)充气油封 3)油封 图6-12a为简单的单片油封。单片油封装于轴承两侧，单片常用铝铜材料，直径间隙为0.2~0.4mm，大于轴承的径向间隙。图6-12b为充气密封。在空调用离心式制冷压缩机上，主要采用充气密封。它是在整体铸铝合金车削成的迷宫齿排中部，开有环形空腔，从压缩机的蜗壳内，引一股略高于油压的高压气体进入环形空腔中，高压气流从空腔内密封齿两端逸出，一端封油，另一端进入压缩机内。齿片的直径间隙一般取0.2~0.6mm。除上述主要零部件外，离心式制冷压缩机还有其它一些零部件。如：减少轴向推力的平衡盘；承受转子剩余轴向推力的推力轴承以及支撑转子的径向轴承等。为了使压缩机持续、安全、高效地运行，还需设置一些辅助设备和系统，如增速器、润滑系统、冷却系统、自动控制和监测及安全保护系统等。 -----这里也有:
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