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(guò)葉片向空氣施加動(dòng)能，不像容積式使用油或水，工廠(chǎng)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(guò)去是以精密鑄造的方式生產(chǎn)，但在開(kāi)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(gòu)買(mǎi)門(mén)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(shì)已經(jīng)消失。葉輪單體的效率也達(dá)到95%，已沒(méi)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(shuō)其結(jié)構(gòu)非常安全。
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(chēng)為擴(kuò)壓器。
如不帶葉片（無(wú)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(zhǎng)。一般地，通過(guò)安裝固定式葉片將氣流角度改變?yōu)檠匕霃椒较騺?lái)縮短通過(guò)的距離，減少通路的摩擦損失。該通路存在隧道式、葉片式、無(wú)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(kāi)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)專(zhuān)利權(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(kāi)發(fā)難度要高于旋轉(zhuǎn)葉輪的開(kāi)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(kāi)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)界限時(shí)，擴(kuò)壓器及葉輪會(huì)出現(xiàn)失速（stall）,下游的空氣開(kāi)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(chēng)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(guò)大的減速。一旦發(fā)生減量，擴(kuò)壓器這種一般減速器會(huì)最先開(kāi)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(lái)考慮的話(huà)，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(zhǎng)度，通路內(nèi)的摩擦損失會(huì)隨著該長(zhǎng)度的增加而成比例增加。如何縮小進(jìn)氣殼（蝸殼）來(lái)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(wú)葉片式擴(kuò)壓器通路距離也比較長(zhǎng)，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)的安全裝置。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(guò)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(guò)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。
要追求最高效率，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)追求最高效率與最大流量調(diào)節(jié)范圍是矛盾。市場(chǎng)中的產(chǎn)品被迫做出了一定的妥協(xié)。
制冷劑或汽車(chē)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)：
①沒(méi)有磨損件，維護(hù)成本在壓縮機(jī)中最低；
②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；
③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)最大的特點(diǎn)，是葉輪葉片與蝸殼是以線(xiàn)相對(duì)，因此即使發(fā)生若干接觸也是線(xiàn)接觸，葉片如刀片般劃過(guò)，不會(huì)燒焦。因此，它最大的優(yōu)點(diǎn)是事故比干式螺桿壓縮機(jī)要少得多。
缺點(diǎn)：
①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，特別是流速最快的擴(kuò)壓器部分的污染影響最大。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(wèn)題，可以提高空氣過(guò)濾器的過(guò)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(guò)濾器的性能一般要高于其他類(lèi)型，并且為了延長(zhǎng)濾芯的壽命而占有非常大的面積，有的用戶(hù)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)）性能更高的過(guò)濾器來(lái)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(hù)對(duì)此也并不關(guān)注。
②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(lái)回收利潤(rùn)，因此可給出較低的售價(jià)。但是離心式壓縮機(jī)并沒(méi)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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