离心式制冷压缩机喘振故障分析及排除

王龙 秦福星 闫小龙

（海军蚌埠士官学校，蚌埠 233012）

离心式制冷压缩机喘振故障分析及排除

王龙 秦福星 闫小龙

（海军蚌埠士官学校，蚌埠 233012）

论文较详细地分析了离心式制冷压缩机“喘振”的机理及危害，从技术和人员因素提出了防止“喘振”发生的措施，主要是采用旁通回流法、可转动的扩压器调节法、改变转速调节法以及提高人员专业素质与管理水平等方法与手段。

离心式 制冷压缩机 喘振措施

离心式制冷压缩机属于透平式压缩机，其与活塞式制冷压缩机、螺杆式制冷压缩机相比较，在相同制冷量式，离心式制冷压缩机的效率更高、结构相对简单、压缩机排出口的制冷剂气体流量较平稳。适宜用于中央空调冷水机组的制冷压缩机。

某船舶中央空调设备冷水机组所使用的制冷压缩机为离心式二级压缩式制冷压缩机，共有3台，每台制冷量约为2100kW。在该冷水机组投入使用的初期，因为管理人员操作使用不当，其中一台离心式压缩机曾发生过“喘振”故障征兆，幸亏及时纠正错误的操作使用方法，阻止了离心压缩机“喘振”继续发生，未造成大的损失。

1 离心式压缩机发生“喘振”的现象分析

离心式制冷压缩机工作时，通过高速旋转的叶轮带动气体旋转，产生离心力，从而将轴功传递给气体，使气体的压力升高，速度增大，压力能和动能都增加。在叶轮后部设有扩压元件，将从叶轮流出的高速气体在扩压器内降速增压，使得气体的大部分动能又转化为压力能。所以，离心式压缩的压缩过程是在叶轮和扩压器内完成的。

图1是离心式压缩机在某一固定旋转速度时的特性曲线。如果离心式压缩机的进口流量由正常逐渐减小，当流量减小到最小允许流量Qmin以下时，制冷剂气体在叶轮和扩压器内产生旋转脱离现象，造成压缩机出口压力突然大幅度下降，大大低于冷凝器中的制冷剂压力，从而气流倒流入压缩机，直到冷凝器内压力小于压缩机出口压力为止，而后压缩机流量增大，压缩机恢复正常。但是由于压缩机的总负荷很小，造成压缩机实际流量不会增大，在压缩机流量短暂变大后，很快压缩机流量又降到Qmin以下，相应地气体又很快产生倒流，如此反复，在系统内部产生周期性的气流振荡现象，此即为离心式制冷压缩机在该转速下的“喘振”现象。N点就是离心式制冷压缩机在该转速下的喘振临界点[1]。

图2是离心式压缩机在不同转速下的工况曲线，将每个工况曲线上的喘振临界点连接起来就是一条喘振曲线，图中为曲线CD，在喘振曲线CD左侧即为喘振区。在离心式压缩机工作过程中要避免在喘振区运转，而尽可能地使离心式压缩机运行平稳。

通过上述分析可知，离心式制冷压缩机发生喘振存在主观原因和客观原因。主观原因是压缩机的吸入流量减小，小到最小允许流量以下；客观原因是流体介质温度、压力变化，输送的管网特性的变化等诸多因素。

图1 离心式压缩机工况曲线

图2 离心式压缩机不同转速下工况曲线

2 离心式压缩机发生“喘振”的危害

离心式压缩机发生“喘振”后，产生激烈的振动，对离心式压缩机本身以及整个系统都产生危害，具体来说危害表现在以下几个方面。

（1）造成设备损坏。该舰船上离心式制冷压缩机旋转速度高达近9000转/分钟，在如此高速旋转过程中，旋转零部件本身易造成振动和噪声。如果压缩机发生喘振，喘振中的气流就对叶轮和扩压器产生冲击力，冲击力作用在高速旋转的叶轮等旋转元件上时形成干扰，即使是较小的干扰作用在高速旋转的元件上，也会造成较严重的破坏，使得旋转元件的径向振动严重，磨损加大，转动元件与固定元件的间隙增大，而增大的间隙又反过来加重离心式压缩机的振动，从而形成恶性循环，直至最终发生事故。另外，压缩机发生“喘振”时，压缩机的排气管道也会随之发生周期性的振动，周期性振动波及到管路附件，易造成附件松动。另外，离心式压缩机的振动也可能引起船舱内的其它设备共振，使其它设备紧固件逐渐松动，埋下事故隐患。

（2）增加离心式压缩机的噪音。噪声和振动相生相伴的。由于振动的存在，旋转部件旋转一圈时，压缩机的各个零部件之间相互摩擦、撞击，从而发生噪声。压缩机在高速旋转过程中，压缩机的旋转部件反复撞击、摩擦，从而周期性地产生噪声。压缩机旋转速度越快，越容易产生高频噪声。高频噪声声音较大时，影响船员休息、干扰人员情绪，对人体有一定危害。

（3）对电网造成冲击。离心式压缩机发生“喘振”时，压缩机排出口管道内气体倒流入扩压器和压缩机内，冲击压缩机旋转部件的运转，造成压缩机瞬时功率增大、瞬时电流大幅度增加。而舰船的电网容量有限，远远无法与陆地的比较，若离心式压缩机“喘振”严重时，瞬时电流很大，足以影响电网内其它用电设备。

3 防止离心式压缩机发生“喘振”的措施

离心式压缩机的“喘振”是速度式压缩机本身所具有的固有特性，是无法消除的，但是在设计和使用等环节中可以避免“喘振”的发生。

（1）采用旁通回流法。根据前面分析可知，离心式压缩机发生“喘振”的主要原因之一是压缩机的压缩比过大、使得压缩机工况落入喘振区而形成的。为此，可在压缩机的排出口和吸入口连接一旁通回流管，如图3所示。当压缩机压缩比过大时，打开回流管上的回流阀，排出口的高压气体回流至压缩机吸入口，使得吸入口压力升高、排出口压力降低，从而降低压缩比，压缩机工况又可迅速回至稳定工作区域。采用此方法，使压缩机的工作效率降低，长时间采用旁通回流法，可能造成压缩机的吸气温度异常升高。

图3 旁通回流法简图

（2）采用可转动的扩压器调节法。根据前面对离心式压缩机“喘振”机理的分析可知，当流量减小至某一值以下时，在扩压器中首先产生严重的旋转脱离而导致喘振。所以，如果能随着流量的变化，而能相应地改变扩压器流道的进口几何角，以适应改变了的工况，使进入压缩机叶轮的冲角不会很大，则可使压缩机性能曲线大幅度地向小流量区移动，从而可扩大稳定工况范围，大大降低“喘振”发生的可能性。

（3）采用改变转速调节法。由图2可知，压缩机的转速不同，其相应工况的喘振点也是不同的变化的。所以可以通过改变压缩机转速来改变稳定工况区，这种通过变速的方法适用于蒸汽轮机、燃气轮机带动的机组，是一种比较经济的调节方法，只是调节后的工作点不一定是最高效率点。但对电动机拖动的机组，为了便于变速，就要用直流机组或采用变频方法，这会使设备大大复杂化，同时造价也高。

（4）提高人员专业素质和管理水平。离心式压缩机技术总体已经比较成熟，在实际应用中之所以仍然发生喘振等故障，一方面是因为操作人员的技术素质不过硬，另一方面是因为操作人员在操作过程中麻痹大意造成的。

技术素质不过硬的问题主要发生在年轻人员身上。对于此类问题，建议加强对规章制度的学习、增加“以老带新”的力度。在年轻人员掌握操作规程之后才可在老同志的监督下操作设备。当然，在年轻人员操作设备过程中，经验丰富的老同志要全程监督，适时纠正。例如，在压缩机的启动阶段和停机阶段，压缩机叶轮的旋转速度变化非常大。在启动阶段，升压之前应结合压缩机的性能曲线，确定叶轮转速，在升至该转速后再提升至所需压力；压缩机停机降速之前应将防喘阀门准备好，然后再降速，降速应缓慢进行，防止过快过急。

思想麻痹大意的问题常发生在经验丰富的老同志身上。对于此类问题，建议加强组织领导，通过一系列奖惩措施防止人员在操作时思想开小差、注意力不集中。例如，若在操作使用中出现喘振等故障，除了给值班人员提出批评之外还应给予物质惩罚。

4 结束语

喘振是离心式制冷压缩机的固有特性，要预防喘振现象的发生既有技术因素，也有人为因素，两者都不可被忽视。只有比较全面地做好离心式压缩机的防喘振，才能提高设备可靠性和经济性能。

[1]徐忠.离心压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1990.

Centrifugal Refrigeration Compressor Surge Failure Analysis and Troubleshooting

WANG Long,QIN Fuxing,YAN Xiaolong
（Bengbu Naval Officer School,Bengbu 233012）

This paper is a detailed analysis of mechanism and harm of centrifugal refrigeration compressor "surge". From theperspective of technological and human factors, measures to prevent theoccurrence of "surge" is raised, which include bypass reflux, rota tablediffuser adjustment method, changing the speed adjustment method andprofessional quality of staff and improved management methods andmeans.

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