离心压缩机的性能分析及容量调节方案

图7-95是一台离心式压缩机的典型性能曲线图，其中转速以一级叶轮吸气马赫数的大小来表示。叶轮马赫数M_a定义为

式中 M_a——叶轮马赫数；

u₁——叶轮外圆圆周速度（m/s）；

a_i——叶轮进口条件下气体声速（m/s）。

叶轮马赫数是离心式压缩机的一个重要设计参数，它限制了一台离心式压缩机的极限转速。当叶轮悬挂在轴端时，M_a最大不能超过1.8；当主轴穿越叶轮时，M_a最大值1.5。为达到高的性能效率，M_a还应适当下降。过高的M_a值，会由于分离、二次流和冲击波而造成大的损失。当然，压缩机叶轮的最大圆周速度还应受到材料强度的制约。通常限制在400m/s以下。

图7-95中，点A是最高效率点的设计点，点B是压缩机用于某特定系统时的额定运行点。出于降低初投资的考虑，一台制冷压缩机的压力流量设计点往往离开最高效率点，否则将会导致放大叶轮尺寸或增加级数。从图中可以看到，在M_a和1.1M_a时，最大流量受到限制，因为该处叶轮进口流速已经接近声速，流动将受到阻塞，进一步增加流量已是不可能了。

离心压缩机的另一个性能特征是在部分负荷时，其低限将受喘振包络线（Surgenvelope）的限制。压缩机不能在该包络线的左边区域内运行，不然会产生不稳定的喘振，此时制冷剂交替地在压缩机中往返流动，附带发生噪声、振动和发热。长期在该工况下运行会损坏压缩机。

图7-95 离心式压缩机的典型性能曲线

如果将一个制冷系统的性能特性，添加到一台离心压缩机的性能曲线上，可以了解压缩机运行在那特定工况下的转速和效率。一条通过B、C、D、E、F、G和H的典型盐水冷却系统的曲线，示意于图7-95。当转速下降时，压缩机在C和D产生较小容量。由于喘振，压缩机不能运行在E、F和G。如果采用热气旁通时，则可以运行在这些点，但流量至少必须达到D点，即将压缩机排气加至蒸发器或压缩机的吸气管。此时，负荷下降的同时功率不能下降，因为由热气旁通所增加的流量不产生任何有用的制冷量。(www.xing528.com)

当压缩机的驱动机是固定转速时，常用的改变容量的方法，是在叶轮进口处采用可调进口导叶，或预旋叶片使制冷剂产生旋涡。可调节进口导叶，使压缩的性能曲线发生变化，叶片的调节一般可通过气动、电动或液动。

典型的5种不同叶片位置以形成的性能曲线示意图7-96。图7-96和图7-95是同一台离心压缩机，其区别是图7-95是变转速的性能，而图7-96则是运行于一种M_a的转速。当进口导叶全开时，其性能曲线和图7-95的M_a曲线完全一致，其他包括等效率线和喘振包络线则不一样。

同一制冷系统特性曲线加至两个曲线图中来比较两种不同模式的运行情况。在图7-96中，点E可以利用预旋叶片来达到，但H则不能。理论上可以对预旋角度进行负调定来达到H点，但进口声速限制了这个可能性，除非在低马赫数时。在点F和点G处，仍需利用叶片调定加上热气旁通，只是比变速时范围少一点。

图7-96 具有变化系统叶片压缩机的性能曲线

表7-13列出两种不同控制方法时的压缩机功率的比较。对于本例中所假定的压缩机和系统，表7-13表示在采用速度控制时，部分负荷功率可下降至额定功率的55%左右，预旋叶片控制时则可下降至55%以下。作为一个完整的分析，还应考虑摩擦损失和驱动机的效率等因素。

表7-13 两种不同控制方法时压缩机功率的比较

由于最常用的驱动机是固定转速的电动机，因此离心式制冷压缩机的容量控制大多采用预旋叶片控制方法。这是因为制冷空调应用场合在部分负荷时压力变化不是很大，在这种情况下，预旋叶片控制比变速控制更有利。其他用得比较少的容量控制方法有：①吸气节流；②可调扩压器；③可移动扩压器壁；④叶轮节流套筒；⑤上述各种方法和预旋叶片控制和变速控制的组合。每种方法都在性能、复杂程度和成本方面有各种不同的优缺点。