压缩机喘振裕度技术研究

常 轩，姚松勤，常 鑫

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000；2.杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310018）

造成压缩机喘振有两方面原因，从内部来说，叶栅出现强烈突变性旋转失速。从外部来说，由于压缩机总是与管网一起联合工作，高炉送风系统除了压缩机之外，还有管道中的各种阀门，在长达数百米的送风管道中，任意一个环节出现异常，将会使管网容量和管路特性发生改变，继而产生对压缩机组的影响。另外，高温炉特别是小型高温炉的炉内工况瞬息万变，当高温炉运行异常时，如出现“悬料”“塌料”等情况时，风量无法顺畅地穿透高温炉料层，导致风压的快速变化，当管网中的气体压力大于鼓风机出口压力时，管网中的气体将倒流鼓风机，这种状况若持续反复发生，就引发压缩机喘振[1-3]。压缩机喘振的原因外因多于内因，因此，压缩机防喘振设计除了保护自身设备外，更要兼顾为高温炉提供可靠的生产服务，当工况发生异常时，希望通过防喘调节回路能将工况拉回正常工作范围，避免喘振机理的进一步扩大，而当发生高温炉侧发生不可逆转的异常情况时，压缩机组能及时停机避免压缩机的毁损。可见，压缩机喘振问题阻碍了压缩机的进一步发展，因此，压缩机喘振控制研究有着重要的现实意义。

压缩机的主要用途是将系统中气体工质的压力提高。一般情况下，压缩机有一定的流量工作范围，当流量降低到一定程度时，压缩机出口压力增大，会引起倒流现象[4]。该现象的发生将导致压缩机喘振，从而影响压缩系统的安全和可靠性。常规的防喘振控制技术的技术分解图如图1 所示。

防喘振结构改进方案，如图2 所示：蜗壳的进口处安装一弯扭预旋装置，弯扭预旋装置包括圆环形结构和其内侧均匀设置的多个叶型结构，叶型结构在叶轮的径向方向靠近叶顶的径向高度为正预旋结构，在叶轮径向方向靠近叶根的径向高度为负预旋结构（与叶轮的旋转方向相同认定为正预旋、与叶轮的旋转方向相反认定为负预旋）。圆环形结构上设有若干安装孔，弯扭预旋装置通过螺栓安装在压气机机匣处进口平面上。圆环形结构和叶型结构为一体成型。在径向高度方向，叶型结构的正、负预旋几何角度大小及正负预旋的分配比例可以根据不同增压器的设计需求进行优化设计。由正预旋向负预旋的过渡要尽量均匀地平滑过渡，以免增大气流在转折区的流动损失。在不同径向方向上沿流向方向的叶片几何角的分布可以根据不同需求进行单独设计。

防喘振结构改进优点：小流量工况下，压气机的不稳定主要是由于叶顶的分离及回流造成的，靠近叶顶处采用正预旋，可以有效地抑制叶顶处的回流区域和强度，提高压气机的稳定性。大流量工况下，压气机的阻塞主要是由于流道气流达到声速造成的，在叶根处采用负预旋可以降低流道中的马赫数，增大流道的阻塞流量。

如图3 所示的防喘振结构改进方案：机匣包括进气壳体和叶轮，叶轮通过转动轴可转动固定在进气壳体内的中心轴线上，叶轮前缘的前侧方相对进气壳体的侧壁上固设一环形分流槽，环形分流槽朝向该进气壳体内部开口。分隔圈呈筒状，固定在进气壳体的内侧壁上，并位于环形分流槽的开口部位，分隔圈的前端固定在环形分流槽的前侧，且分隔圈的轴向长度不大于环形分流槽开口在该方向上的长度，空气由进气壳体前端进入，主流空气由叶轮增压输出，在叶轮增压过程中叶尖方向产生的倒流或回流气体则由进气壳体的侧壁进入环形分流槽内，在环形分流槽内回旋流出，改善了压气机喘振。环形分流槽包括相互连通的环形倾斜槽和环形平行槽，环形倾斜槽的后端为环形分流槽的后端，环形倾斜槽的前端朝向进气壳体外侧倾斜，环形平行槽与进气壳体的侧壁同轴心，环形平行槽的后端与环形倾斜槽连通，前端沿进气壳体的轴线方向延伸，使得回流或倒流的机匣处理内的流动气体能更加顺畅地进入环形分流槽内。

防喘振结构改进优点：改善压气机喘振的机匣处理装置，采用一分隔圈将主流与机匣处理内流自动分开，并将后一流动引向叶尖方向和轴向入流方向，从而减少了主流与机匣处理内流的掺混损失，更为有效地压制由叶尖区产生的倒流或回流，从而改善喘振。

如图4 所示的防喘振结构改进方案：离心式压缩机的防喘振机构采用了驱动马达、驱动环、连杆机构和滑环，其中驱动马达安装在离心式压缩机壳体上，驱动马达的驱动轴伸进离心式压缩机内与驱动环通过联轴器连接，驱动环和连杆机构通过球铰连接，连杆机构通过球铰再与滑环连接，滑环横向伸进压缩机叶轮出口的固定扩压器中，通过驱动马达带动驱动环旋转，驱动环通过连杆机构推动滑环在固定扩压器中横向移动，使叶轮出口的固定扩压器的中部形成部分节流区域，节流区域为固定扩压器宽度的60%～100%。

防喘振结构改进优点：可以在离心式制冷机组的部分负荷即小流量、高压比的情况下，有效防止机组喘振，提高机组的运行范围，使机组在部分负荷下的耗功降低，提高叶轮出口背压，达到预防喘振的目的。