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1、离心式压缩机特性曲线与喘振现象初探本讲稿第一页，共二十九页所谓管网，一般是指与压缩机连接的进气管路，排气管路以及这些管路上的附件及设备的总称。但对离心式压缩机来说，管网只是指压缩机后面的管路及全部装置。这样规定后，在研究压缩机与其管网的关系时就可以避开压缩机的进气条件将随工况变化的问题，使问题得到简化。下图左侧是压缩机与排气系统中第一个设备相连的示意图，排气管上有调整阀门。本讲稿第二页，共二十九页为了把气体送入内压力为Pr的设备去，管网始端的压力（称为压缩机出口的背压）Pe为：Pe=PrP=PrAQ2（1）式中P包括管网中的摩擦损失和局部阻力损失，A为总阻力损失的计算系数。将式（1）表示在右侧
2、图上，即为一条二次曲线，它是管网端压与进气量的关系曲线，称为管网性能曲线。本讲稿第三页，共二十九页管网性能曲线实际上相当于管网的阻力曲线，此曲线的形状与容器的压力及通过管路的阻力有关。当从压缩机到容器的管网很短、阀门全开，因而阻力损失很小时，管网特性曲线几乎是一水平线如线1。当管路很长或阀门关小时，阻力损失增大，管网性能曲线的斜率增加，于是变成线2所示。阀门开度愈小，曲线变得愈陡，如线3。如果容器中压力下降，则管网性能曲线将向下平移；当Pr为常压时，管网性能曲线就是线4。可见管网的性能曲线是随管网的压力和阻力的变化而变化的。本讲稿第四页，共二十九页级的性能曲线指气体流过该级时所得到的压力比、效
3、率及功率N随该级的进气量Qj而变化的曲线。即-Qj、-Qj、N-Qj的曲线。这些曲线是由试验测得。压力比随着流量的增加而下降，功率和效率随着流量的增加而增加。当达到某一流量时，流量再增加则功率和效率下降。本讲稿第五页，共二十九页离心压缩机的性能曲线-与级的曲线类似。指整机的压力比、效率及功率N随进口气体流量Q而变化的曲线。下图为单级、两级和三级压缩的离心压缩机整机-q曲线，由图可看出：a多级与单级相比，整机的喘振流量增大，堵塞流量减小。B多级与单级相比，整机性能曲线的形状变陡，稳定工况范围变窄。本讲稿第六页，共二十九页压缩机性能曲线左边受到喘振工况的限制，右边受到阻塞工况的限制。喘振工况是小流
4、量下的一种压缩机不稳定状况，不仅与压缩机级的设计导致的旋转失速有关，还与外管网有关，我们在后面予以描述。本讲稿第七页，共二十九页阻塞工况也称作最大流量工况，造成这种工况有两种可能：一是级中流道中某喉部处气流达到临界状态，这时气体的容积流量已是最大值，任凭压缩机背压再降低，流量也不可能再增加。另一种情况是流道内并未达到临界状态，即尚未出现“阻塞”工况，但压缩机在偌大的流量下，机内流动损失很大，所能提供的排气压力很小，几乎接近零能头，仅够用来克服排气管的流动阻力以维持这样大的流量。本讲稿第八页，共二十九页当离心压缩机向管网中输送气体时，如果气体流量和排出压力都相当稳定（即波动甚小），这就是表明压缩
5、机和管网的性能协调，处于稳定操作状态。这个稳定工作点具有两个条件：一是压缩机的排气量等于管网的进气量；二是压缩机提供的排压等于管网需要的端压。所以这个稳定工作点一定是压缩机性能曲线和管网性能曲线交点，因为这个交点符合上述两个相关条件。本讲稿第九页，共二十九页把压缩机的性能曲线P-Qj同管路特性曲线Pe-Qj画在同一坐标上，横轴以Qj表示，纵轴以压力P表示，则两曲线的交点M即为压缩机的工作点。下图是离心压缩机工作点示意图（图中用质量流量G代替容积流量），图中线1为压缩机性能曲线，线2为管网性能曲线。本讲稿第十页，共二十九页假设压缩机不是在A点而是在某点A1工况下工作，由于在这种情况下，压缩机的流
6、量G1大于A点工况下的G0，在流量为G1的情况下管网要求端压为PB1，比压缩机能提供的压力PA1还大P，这时压缩机只能自动减量（减小气体的动能，以弥补压能的不足）；随着气量的减小，其排气压力逐渐上升，直到回到A工况点。假设不是回到工况点A而是达到工况点A2，这时压缩机提供的排气压力大于管网需要的压力，压缩机流量将会自动增加，同时排气压力则随之降低，直到和管网压力相等才稳定，只有两曲线的交点A才是压缩机的实际工作点。本讲稿第十一页，共二十九页离心式压缩机在不同转速n下都有一条出口压力P（或压比）与流量Q之间的曲线。P（或）-Q曲线是一条在气量不为零处有一最高点的曲线，最高点右侧称为稳定工作区，左
7、侧称为不稳定工作区（喘振区），最高点所对应的气量为压缩机喘振的最小流量Qjmin。每一个转速下的特性曲线均有一峰值，而这一点即为喘振点。将喘振曲线上所有喘振点连接起来，即可得一曲线，叫做离心压缩机的喘振曲线。本讲稿第十二页，共二十九页控制线喘振线入口流量 (hx)PD/PS离心压缩机工作性能图止回线速度线本讲稿第十三页，共二十九页喘振的实质喘振又叫“飞动”，是离心压缩机的实际工作流量到一定程度时，气流进入叶片的方向与叶片进口角度不一致，即冲角i0，这时在叶片的非工作面产生气体分离（旋转分离）。本讲稿第十四页，共二十九页当冲角达到某一值时，旋转分离区域联成一片，占据流道。压缩机不再排气，管路中气
8、体就会倒回来，弥补流量不足，经叶轮压缩重新流出。这一股气打出后，流量又没了，气体又倒回来。这样周而复始的改变流向，机器和管线中就会产生“低频高振幅”的压力脉动，并发出如“牛吼叫”般的噪音。这实际上是气流在交替倒流和排气时产生的强大的气流冲击。这种冲击引起机器强烈的振动，如不及时采取措施，将使压缩机遭到严重破坏。这就是“喘振”。本讲稿第十五页，共二十九页当压缩机的性能曲线与管网性能曲线两者或两者之一发生变化时，交点就要变动，也就是说压缩机的工况将有变化，从而出现变工况操作。离心压缩机的变工况有时并不是在人们有意识的直接控制下（例如调节阀门等）发生的，而是间接地接受到生产系统乃至驱动机的意外干扰而
9、发生。本讲稿第十六页，共二十九页（1 1）流量）流量从图中可以看出，随着流量的减少，压缩机的出口压力逐渐增大，当达到该转速下最大出口压力时，机组进入喘振区,压缩机出口压力开始减小，流量也随之减小，压缩机发生喘振。从曲线可看出，流量减小是发生喘振的根本原因，在实际生产中尽量避免压缩机在小流量的工况下运行。一般认为，压缩机在最小流量下应低于设计流量60%。本讲稿第十七页，共二十九页（2 2）入口压力）入口压力如图所示，压缩机的入口压力P1P2P3，在压缩机恒压的运行工况下，入口压力越低，压缩机越容易发生喘振，这也是入口过滤器压差增大时，要及时更换滤网的原因。本讲稿第十八页，共二十九页（3 3）入口
10、温度）入口温度如图所示，恒压恒转速下进行的离心式压缩机在不同入口气体温度时的运行曲线，从曲线上可以看出在恒压运行工况下，气体入口温度越高，越容易发生喘振。因此，对同一台离心式压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振。本讲稿第十九页，共二十九页（4 4）转速）转速透平式驱动的压缩机，往往根据外界不同流量要求而运行在不同转速下，从图可以知道，在外界用气量一定的情况下，转速越高，越容易发生喘振。压缩机突然从高转速跌至低转速时，也会引起喘振。本讲稿第二十页，共二十九页（5 5）气体相对分子质量）气体相对分子质量如图所示，离心压缩机在相同转速、不同相对分子质量下恒压运行的曲线，从曲线中可以看出，在恒压运行条
11、件下，当相对分子质量M=20的气体发生喘振时，相对分子质量为M=25和M=28的气体运行点还远离喘振区。因此，在恒压运行工况下，相对分子质量越小，越容易发生喘振。本讲稿第二十一页，共二十九页以上几种情况都是因压缩机性能曲线下移而导致喘振的，管网性能并未改变。有时候则是因为管网性能曲线发生变化（例如曲线上移或变陡）而造成喘振。本讲稿第二十二页，共二十九页某压缩机原在A点工作，后来因为生产系统出现不稳定,管网中压力大幅度上升，管网性能曲线由2上移到线2（此时压缩机的性能曲线未变），于是压缩机出现了喘振。还有一种类似情况就是当把排气管阀门关得太小时，管网性能曲线变陡，一旦使压缩机的工作点落入喘振区，
12、喘振就突然发生。本讲稿第二十三页，共二十九页当某种原因使压缩机和管网的性能都发生变化时，只要最终结果是两曲线的交点落在喘振区内，就会突然出现喘振。譬如说在离心压缩机开车过程（升速和升压）和停车过程（降速和降压）中，两种性能曲线都在逐渐变化，改变转速就是改变压缩机性能曲线，使系统中升压或降压就是改变管网性能曲线。在操作中必须随时注意使两者协调变化，才能保证压缩机总在稳定工况区内工作。本讲稿第二十四页，共二十九页工况的调整是在不引起机组喘振的情况下满足用户要求（压力和流量），并兼顾机组运行效率。压缩机调节的实质就是改变压缩机的工况点，所用的方法从原理上讲就是设法改变压缩机的性能曲线或者改变管网性能
13、曲线两种。具体地说有以下几种调节方式：离心压缩机的三种工况：（1）喘振工况-最小流量时的工况。（2）阻塞工况（滞止工况）最大流量时的工况。（3）正常工况-喘振工况与滞止工况之间的工作范围。本讲稿第二十五页，共二十九页（1）出口节流调节，即在压缩机出口安装调节阀，通过调节调节阀的开度，来改变管路性能曲线，改变压缩机的工作点，进行流量调节。出口节流的调节方法是人为的增加出口阻力来调节流量，是不经济的方法，尤其当压缩机性能曲线较陡而且调节的流量（或者压力）又较大时，这种调节方法的缺点更为突出，目前除了风机及小型鼓风机使用外，压缩机很少采用这种调节方法。本讲稿第二十六页，共二十九页（2）进口节流调节，
14、既在压缩机进口管上安装调节阀，通过入口调节阀来调节进气压力。进气压力的降低直接影响到压缩机排气压力，使压缩机性能曲线下移，所以进口调节的结果实际上是改变了压缩机的性能曲线，达到调节流量的目的。和出口节流法相比，进口节流调节的经济性较好，据有关资料介绍，对某压缩机进行测试表明：在流量变化为6080%的范围内，进口节流比出口节流节省功率约为45%。所以这是一种比较简单而常用的调节方法。但也还是存在一定的节流损失以及工况改变后对压缩机本身效率有影响。进口节流法还有个优点就是：关小进口阀，会使压缩机性能曲线向小流量区移动，因而可使压缩机在更小的流量工况下工作，不易造成喘振。本讲稿第二十七页，共二十九页
15、（3）改变转速调节。当压缩机转速改变时，其性能曲线也有相应的改变，所以可用这个方法来改变工况点，以满足生产上的调节要求。离心压缩机的能量头近似正比于n2，所以用转速调节方法可以得到相当大的调节范围。变转速调节并不引起其他附加损失，只是调节后的新工况点不一定是最高效率点导致效率有些降低而已。所以从节能角度考虑，这是一种经济的调节方法。而运用转速调节的方法大都运用在工作点离喘振线还有一定距离时采用。因此，当压缩机工作点在稳定工作区，根据压缩机出口压力，进行适当的转速调节，可以达到节能的目的。本讲稿第二十八页，共二十九页（4）防止喘振的措施出现喘振的原因是压缩机的流量过小，小于压缩机的最小流量，或者管网的压力高于压缩机所提供的排压，造成气体倒流，产生大幅度的气流脉动。对流量过小引发的喘振来说，最直接最有效的方法就是打开防喘振控制阀，增加压缩机流量。压缩机出口压力与管网不匹配引发的喘振，多见于压缩机的开停车操作中：在开车时，应该是先升速后升压；在停车时，应该是先降压后降速。本讲稿第二十九页，共二十九页