2302
.pdfчастоту вращения ротора. К тому же при малых абсолютных размерах рабочих колес относительные зазоры между лопаточными аппаратами и корпусом, а также в лабиринтных уплотнениях становятся значительными, что приводит к снижению КПД. Кроме того, когда числа Рейнольдса в потоках сжимаемого вещества становятся меньше определенного значения, это сопровождается дополнительными потерями из-за усиления влияния вязкости и также вызывает снижение КПД компрессора.
2.Сравнительно узкий диапазон устойчивой работы при изменении производительности. Если не применять специальных методов регулирования, то уменьшение расхода вещества до 60–80 % от расчетного объема сопровождается потерей устойчивости течения, проявляющейся в возникновении пульсаций давления и периодическом движении потока вещества в обратном направлении – от нагнетания к всасыванию. Данное явление называют помпажом компрессора. Работа в режиме помпажа вызывает большие динамические нагрузки на ротор и может привести к выходу компрессора из строя.
3.Трудность получения высоких отношений давления – свыше 30–
40.
4.Существенная зависимость характеристик компрессора динамического действия от термодинамических свойств рабочего вещества, что не позволяет, как правило, эксплуатировать компрессоры этого типа на других рабочих веществах без изменения конструкции или режима работы.
2.3.1. Центробежные компрессоры
Рассмотрим схему двухступенчатой секции центробежного компрессора (рис. 50). Рабочее вещество поступает во входное устройство А, с помощью которого оно подводится к рабочему колесу (РК) В первой промежуточной ступени. Перед РК располагается входной регулирующий аппарат (ВРА) Б.
Площадь сечения Н входного устройства обычно больше площади сечения 0 при входе в колесо. Движение газа в нем сопровождается увеличением скорости и уменьшением давления. Его называют кон-
фузорным.
При осевом положении лопаток, когда регулирования производительности нет, скорость в сечениях 8 и 9 практически одинакова. По-
70
ворот лопаток ВРА приводит к уменьшению площади потока в сечении 9 и значит к увеличению скорости газа. В рабочем колесе В газ проходит два различных участка. На участке 0-1 радиальнокольцевого поворота энергия к газу не подводится, его скорость меняется незначительно. В сечении 1 газ поступает на рабочие лопатки, которые подводят к нему механическую энергию. Вследствие этого давление и скорость газа на участке 1-2 увеличиваются.
Рис. 50. Схема двухступенчатого холодильного центробежного компрессора
71
Из рабочего колеса газ, движущийся с большой скоростью, поступает в безлопаточный диффузор (БЛД) Г и затем в лопаточный диффузор (ЛД) Д. Площадь потока в обоих диффузорах по мере движения увеличивается, а его скорость уменьшается. При этом увеличивается давление газа. Такое движение называют диффузорным. На участке 2-3 и 3-4 происходит преобразование кинетической энергии потока в энергию давления.
После диффузора газ проходит радиально-кольцевой поворот Е и поступает на лопатки обратно-направляющего аппарата (ОНА) Ж. В ОНА закрученный поток, вышедший из ЛД, раскручивается и с помощью лопаток, имеющих расположенные по радиусу выходные кромки, подается на вход в колесо второй ступени.
Процессы во второй концевой ступени идут в основном так же, как и в первой. После ЛД газ поступает в выходное устройство – улитку И – и выводится за пределы корпуса компрессора через патрубок Л. При движении в улитке скорость пара изменяется незначительно.
За рабочим колесом концевой ступени располагается разгрузочный поршень – думмис М. С его помощью уменьшается осевая сила от рабочих колес, передаваемая на упорный подшипник компрессора. Для этого задуммисная полость О соединяется трубопроводом П с всасывающим патрубком А. В результате давление за думмисом становится близким к давлению всасывания. Так как давление перед думмисом значительно выше и равно давлению при выходе из колеса второй ступени, то возникает сила, направленная в сторону, противоположную осевым силам от рабочих колес, и разгружающая упорный подшипник. Протечки газа от нагнетателя ко всасыванию между ступенями и через думмис снижаются с помощью специальных лабиринтных уплотнений.
Треугольники скоростей при входе и выходе из рабочего колеса центробежного компрессора аналогичны треугольникам скоростей центробежного вентилятора (см. рис. 11).
Теоретическая удельная работа, затрачиваемая на перемещение и сжатие рабочего вещества в компрессоре, определяется по уравнению Л.Эйлера
lЭ = с2u u2 – c1u u1.
Уравнение Л.Эйлера доказывает, что удельная работа зависит только от окружных скоростей и проекций абсолютных скоростей потока на направление вращения. Удельная работа не зависит явно от
72
формы канала, но его форма может оказать сильное влияние на величину проекций скоростей и на КПД компрессора.
Характеристики центробежных компрессоров. Характеристикой компрессора динамического действия называется зависимость его основных рабочих параметров (таких, как отношение давлений= рК / рН , внутренняя мощность Ni , политропный (или изоэнтропный) КПД ПОЛ (или S) от параметра, характеризующего производительность компрессора (массовая или объемная производительность) при постоянной (рис. 51, а) или различных фиксированных значениях частоты вращения n (рис. 51, б).
|
n = const |
|
Кривая |
|
|
||
А |
|
помпажа |
|
|
|
||
Граница |
|
1 |
|
помпажа |
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
Ni |
В |
|
|
|
|
|
ПОЛ |
|
|
аV, м3/с
Рис. 51. Характеристика центро- |
0,9 n |
|
|
бежного компрессора: 1 – характе- |
0,8 n |
ристика сети |
|
1,2 n
n = var
1,1 n
n
1
0,9 n
0,8 n
V, м3/с
1,2 n
1,1 n
n
V, м3/с
б
Характеристики получают при испытаниях компрессора на специальных стендах, изменяя производительность дросселированием на
73
нагнетании с помощью специальной заслонки или вентиля. При максимальной производительности из-за больших потерь в проточной части значения отношений давлений и КПД невелики. С уменьшением производительности потери в проточной части снижаются. При этом отношение давлений и КПД возрастают. Оптимальному режиму работы соответствуют наименьшие потери и максимальное значение КПД. Дальнейшее уменьшение производительности сопровождается снижением КПД. При минимальной или критической производительности наступает помпаж компрессора. Помпаж – это автоколебательный процесс в системе «компрессор–сеть», при котором давление нагнетания периодически резко снижается, а направление движения газа изменяется на обратное. При этом обычно слышны характерные «хлопки».
Положение критической точки А (см. рис. 51, а) начала помпажа зависит не только от компрессора, но и от свойств сети: ее объема и частоты собственных колебаний находящегося в ней газа. Помпажу обычно предшествует вращающийся срыв в колесе или диффузоре. Работа компрессора в режиме помпажа недопустима, так как она сопровождается колебаниями ротора и может привести к аварии.
Регулирование режимов работы центробежного компрессора.
Регулирование работы компрессора осуществляется для обеспечения потребителя сжатым газом с требуемыми параметрами. Например, компрессоры, подающие сжатый воздух в домны, должны обеспечивать постоянную производительность; компрессоры для пневматических силовых установок постоянное давление нагнетания; компрессоры газотурбинных установок – регулирование давления нагнетания, производительность и пр.
Работа компрессора на нерасчетных режимах связана с существенным снижением экономичности, возникновением дополнительных нагрузок, вибраций и пр. В среднем время работы компрессоров на нерасчетных режимах составляет почти половину времени промышленной эксплуатации.
Для повышения эффективности и надежности работы установки необходимо согласование характеристик компрессора с изменяющимися условиями работы системы.
Регулирование может осуществляться изменением характеристики системы или изменением характеристики компрессора. В процессе регулирования должны удовлетворяться следующие требования:
74
–компрессор должен обеспечивать необходимые значения производительности и давления при устойчивой работе;
–нельзя допускать попадание компрессора в зону неустойчивых режимов (помпажа).
Регулирование перепуском, или байпасированием, при котором сжа-
тый газ со стороны нагнетания перепускается через дроссельное устройство на сторону всасывания. Энергетически – это самый неэффективный из методов регулирования, однако он очень просто осуществляется и обладает неограниченной глубиной регулирования. Поэтому его часто применяют в процессе эксплуатации.
Регулирование дросселированием на нагнетании достигается за счет установки дроссельного устройства между компрессором и сетью. С его помощью можно уменьшить производительность при n = const только до точки Б (см. рис. 51, б), в которой наступает помпаж компрессора. Этот метод также энергетически невыгоден.
Регулирование изменением частоты вращения (рис. 51, б) позволя-
ет работать при достаточно высоких значениях КПД, но его возможности для характеристики сети 1 также невелики, так как производительность может быть уменьшена только до точки В.
Регулирование дросселированием на всасывании (рис. 52) осущест-
вляется с помощью дроссельного устройства, располагаемого перед входом в компрессор. По мере
прикрытия дросселя характеристики компрессора сдвигаются в сторону меньших расходов с одновременным уменьшением отношения давления и КПД. Таким способом можно уменьшить производительность до точки Г. Энергетическая эффективность дросселирования на всасывании выше, чем дросселирования на нагнетании, но уступает регулированию частоты вращения.
Регулирование закруткой потока при входе в рабочее колесо с
помощью входного регулирующего аппарата получило широкое распространение в центробежных
Граница |
n = const |
помпажа |
1 |
|
Г
V, м3/с
Рис. 52. Характеристика центробежного компрессора при регулировании дросселированием на всасывании: 1 – характеристика сети
75
компрессорах. Такое регулирование позволяет уменьшить производительность компрессора до 40–45 % от номинальной. Следует отметить, что уменьшение производительности уменьшает и отношение давлений.
Комбинированное регулирование производительности позволяет получать наилучшие показатели компрессора при его работе на сеть с заданной характеристикой.
На рис. 53 в качестве примера представлена конструкция холодильного центробежного компрессора. Пропановый четырехступенчатый компрессор ТКП-435 изготавливается на Казанском компрессорном заводе. Корпус 1 литой с горизонтальным разъемом. Компрессор выполнен двухсекционным, поэтому в нижней половине корпуса имеются два всасывающих и два нагнетательных патрубка. Ротор 5 вращается в подшипниках скольжения: опорно-упорным 2 и опорном 9. Рабочие колеса 4 радиального типа, закрытые с загнутыми назад лопатками. Диффузоры 7 – безлопаточные. Секции расположены оппозитно, так что всасывающие отверстия колес каждой секции направлены в противоположные стороны. Это позволяет уменьшить осевые силы, передаваемые на опорно-упорный подшипник, и избежать применения разгрузочного поршня. Перед входом в каждую секцию установлен входной регулирующий аппарат 3. Неподвижные элементы проточной части – диффузоры – и обратные направляющие аппараты расположены в пакетах диафрагм 6. Диафрагмы литые и тоже имеют горизонтальный разъем. В центральных частях диафрагм, прилегающих к валу и покрывающим дискам колес, устанавливаются лабиринтные уплотнения. Сборные выходные камеры – улитки 8 – выполнены непосредственно в отливке корпуса. Торцевое уплотнение 10 препятствует утечке хладагента в атмосферу. Масляная система компрессора герметичная, так как масло находится в контакте с хладагентом.
На рис. 54 представлен хладоновый двухступенчатый компрессор для водоохлаждающей холодильной машины. Особенностью его конструкции является неразъемный корпус 13 цилиндрической формы, в котором осевой сборкой размещаются детали компрессора. Внутренние полости диафрагм 9-11 образуют проточную часть компрессора. Ротор 8 вращается в опорно-упорном 7 и опорном 12 подшипниках скольжения. На роторе располагаются разгрузочный поршень – думмис 6 – и рабочие колеса 5 закрытого типа с лопатками, загнутыми назад.
76
77
78
Для обеспечения осевой сборки компрессора рабочее колесо первой ступени установлено на шлицах. Перед первой ступенью расположен входной регулирующий аппарат 4. Диффузоры – безлопаточные. Промежуточный подсос пара во вторую ступень осуществляется через специальный патрубок корпуса и внутреннюю полость диафрагмы 10, соединенную отверстиями с выходным участком обратного направляющего аппарата первой ступени. Мультипликатор 3 – встроенный, планетарного типа, с заторможенным корпусом сателлитов 2. Коронная шестерня 1 соединена с тихоходным валом, а центральная шестерня 15 – с ротором компрессора. Торцевое уплотнение 14 расположено на тихоходном валу, что увеличивает надежность его работы.
Преимуществом такой конструкции компрессора является повышение качества сборки, так как центровка деталей обеспечивается «технологически» за счет обработки соосных цилиндрических поверхностей деталей за одну установку. Применение встроенного мультипликатора позволило уменьшить металлоемкость и габаритные размеры компрессора.
На рис. 55 представлен бессальниковый одноступенчатый малорасходный хладоновый центробежный компрессор со встроенным электродвигателем. Компрессор предназначен для автономных систем кондиционирования воздуха.
2.3.2. Нагнетатели природного газа
Нагнетателями природного газа (НПГ) принято называть лопа-
точные компрессорные машины с соотношением давления выше 1,1 и не имеющие специальных устройств для охлаждения газа в процессе сжатия.
Все нагнетатели условно можно разделить на два класса: неполнонапорные (одноступенчатые) (рис. 56) и полнонапорные (рис. 57). Первые, имеющие степень сжатия в одном нагнетателе 1,25 1,27, используются при последовательной схеме сжатия газа на компрессорной станции, вторые полнонапорные, имеющие степень сжатия 1,45 1,51, используются при коллекторной схеме обвязки компрессорной станции.
79