壓縮機喘振裕度技術研究

常 軒，姚松勤，常 鑫

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000；2.杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

1 壓縮機喘振機理分析

造成壓縮機喘振有兩方面原因，從內部來說，葉柵出現強烈突變性旋轉失速。從外部來說，由于壓縮機總是與管網一起聯合工作，高爐送風系統除了壓縮機之外，還有管道中的各種閥門，在長達數百米的送風管道中，任意一個環節出現異常，將會使管網容量和管路特性發生改變，繼而產生對壓縮機組的影響。另外，高溫爐特別是小型高溫爐的爐內工況瞬息萬變，當高溫爐運行異常時，如出現“懸料”“塌料”等情況時，風量無法順暢地穿透高溫爐料層，導致風壓的快速變化，當管網中的氣體壓力大于鼓風機出口壓力時，管網中的氣體將倒流鼓風機，這種狀況若持續反復發生，就引發壓縮機喘振[1-3]。壓縮機喘振的原因外因多于內因，因此，壓縮機防喘振設計除了保護自身設備外，更要兼顧為高溫爐提供可靠的生產服務，當工況發生異常時，希望通過防喘調節回路能將工況拉回正常工作范圍，避免喘振機理的進一步擴大，而當發生高溫爐側發生不可逆轉的異常情況時，壓縮機組能及時停機避免壓縮機的毀損。可見，壓縮機喘振問題阻礙了壓縮機的進一步發展，因此，壓縮機喘振控制研究有著重要的現實意義。

2 壓縮機喘振技術分解

壓縮機的主要用途是將系統中氣體工質的壓力提高。一般情況下，壓縮機有一定的流量工作范圍，當流量降低到一定程度時，壓縮機出口壓力增大，會引起倒流現象[4]。該現象的發生將導致壓縮機喘振，從而影響壓縮系統的安全和可靠性。常規的防喘振控制技術的技術分解圖如圖1 所示。

3 壓縮機防喘振技術改進方案一

防喘振結構改進方案，如圖2 所示：蝸殼的進口處安裝一彎扭預旋裝置，彎扭預旋裝置包括圓環形結構和其內側均勻設置的多個葉型結構，葉型結構在葉輪的徑向方向靠近葉頂的徑向高度為正預旋結構，在葉輪徑向方向靠近葉根的徑向高度為負預旋結構（與葉輪的旋轉方向相同認定為正預旋、與葉輪的旋轉方向相反認定為負預旋）。圓環形結構上設有若干安裝孔，彎扭預旋裝置通過螺栓安裝在壓氣機機匣處進口平面上。圓環形結構和葉型結構為一體成型。在徑向高度方向，葉型結構的正、負預旋幾何角度大小及正負預旋的分配比例可以根據不同增壓器的設計需求進行優化設計。由正預旋向負預旋的過渡要盡量均勻地平滑過渡，以免增大氣流在轉折區的流動損失。在不同徑向方向上沿流向方向的葉片幾何角的分布可以根據不同需求進行單獨設計。

防喘振結構改進優點：小流量工況下，壓氣機的不穩定主要是由于葉頂的分離及回流造成的，靠近葉頂處采用正預旋，可以有效地抑制葉頂處的回流區域和強度，提高壓氣機的穩定性。大流量工況下，壓氣機的阻塞主要是由于流道氣流達到聲速造成的，在葉根處采用負預旋可以降低流道中的馬赫數，增大流道的阻塞流量。

4 壓縮機防喘振技術改進方案二

如圖3 所示的防喘振結構改進方案：機匣包括進氣殼體和葉輪，葉輪通過轉動軸可轉動固定在進氣殼體內的中心軸線上，葉輪前緣的前側方相對進氣殼體的側壁上固設一環形分流槽，環形分流槽朝向該進氣殼體內部開口。分隔圈呈筒狀，固定在進氣殼體的內側壁上，并位于環形分流槽的開口部位，分隔圈的前端固定在環形分流槽的前側，且分隔圈的軸向長度不大于環形分流槽開口在該方向上的長度，空氣由進氣殼體前端進入，主流空氣由葉輪增壓輸出，在葉輪增壓過程中葉尖方向產生的倒流或回流氣體則由進氣殼體的側壁進入環形分流槽內，在環形分流槽內回旋流出，改善了壓氣機喘振。環形分流槽包括相互連通的環形傾斜槽和環形平行槽，環形傾斜槽的后端為環形分流槽的后端，環形傾斜槽的前端朝向進氣殼體外側傾斜，環形平行槽與進氣殼體的側壁同軸心，環形平行槽的后端與環形傾斜槽連通，前端沿進氣殼體的軸線方向延伸，使得回流或倒流的機匣處理內的流動氣體能更加順暢地進入環形分流槽內。

防喘振結構改進優點：改善壓氣機喘振的機匣處理裝置，采用一分隔圈將主流與機匣處理內流自動分開，并將后一流動引向葉尖方向和軸向入流方向，從而減少了主流與機匣處理內流的摻混損失，更為有效地壓制由葉尖區產生的倒流或回流，從而改善喘振。

5 壓縮機防喘振技術改進方案三

如圖4 所示的防喘振結構改進方案：離心式壓縮機的防喘振機構采用了驅動馬達、驅動環、連桿機構和滑環，其中驅動馬達安裝在離心式壓縮機殼體上，驅動馬達的驅動軸伸進離心式壓縮機內與驅動環通過聯軸器連接，驅動環和連桿機構通過球鉸連接，連桿機構通過球鉸再與滑環連接，滑環橫向伸進壓縮機葉輪出口的固定擴壓器中，通過驅動馬達帶動驅動環旋轉，驅動環通過連桿機構推動滑環在固定擴壓器中橫向移動，使葉輪出口的固定擴壓器的中部形成部分節流區域，節流區域為固定擴壓器寬度的60%～100%。

防喘振結構改進優點：可以在離心式制冷機組的部分負荷即小流量、高壓比的情況下，有效防止機組喘振，提高機組的運行范圍，使機組在部分負荷下的耗功降低，提高葉輪出口背壓，達到預防喘振的目的。