Гидромашины и компрессоры в нефтегазовом деле

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

51

енты трансформации.

Свойства турботрансформатора зависят от взаимного расположения лопастных колес в проточной полости. В одноступенчатом трансформаторе наиболее распространена последовательность первого класса: насос — турбина — реактор (считая по направлению потока в меридиональном сечении). Так как при этом реактор предшествует насосу, то угол входа потока в насос не зависит от частоты вращения турбины, благодаря чему сохраняется неизменной характеристика Q — // насоса при постоянной частоте вращения его вала и, как следствие, обеспечивается «непрозрачность» характеристики.

Рис.6.9. Схема трехступенчатого турботрансформатора.

Среди многоступенчатых трансформаторов наиболее распространен трехступенчатый трансформатор типа Лисхольм-Смит, применяемый во многих отраслях промышленности без существенных изменений. Геометрия его рабочих органов показана на рис. 6.9.

Лекция 7 Поршневые компрессоры

7.1 Классификация поршневых компрессоров

Поршневые компрессоры классифицируются по следующим призна-

кам:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

52

1)способ приведения в действие – компрессоры с кривошипно-шатун- ным механизмом (с приводом от обособленного двигателя через трансмиссию или непосредственно со встроенным двигателем, в том числе газомоторные компрессоры) и дизель-компрессоры со свободными поршнями (СПДК);

2)число ступеней компрессора – одно-, двух-,..., семиступенчатые;

3)число цилиндров – одно-, двух-, многоцилиндровые;

4)расположение осей цилиндров – вертикальные, горизонтальные, угловые. К угловым относятся машины с вертикально-горизонтальным и с наклонным расположением цилиндров (V-образные, веерообразные и звездообразные);

5)производительность всасывания – малые (до 10 м3/мин), средние (10100 м3/мин) и крупные (свыше 100 м3/мин);

6)конечное избыточное давление – низкого давления (до 1 МПа), среднего давления (1-10 МПа), высокого давления (свыше 10 МПа).

7)состав сжимаемого газа – воздушные, кислородные, аммиачные, азотноводородные, для природного газа и др.;

8)установка – стационарные, полустационарные, передвижные;

9)охлаждение – с воздушным, с внутренним водяным и с внешним (промежуточным).

7.2Принцип действия поршневых компрессоров

Чередование процессов всасывания и нагнетания в поршневом ком-

прессоре такое же, как в поршневом насосе. Однако при нагнетательном ходе поршня газ сначала сжимается до тех пор, пока давление в рабочей камере не достигнет величины, достаточной для открытия нагнетательного клапана, и уже затем выталкивается поршнем через этот клапан в нагнетательный трубопровод. Кроме того, при движении поршня от крышки цилиндра давление в рабочей камере падает до давления рн не сразу, а лишь после того, как расширится газ, оставшийся к концу выталкивания в «мертвом» пространстве цилиндра. «Мертвое» пространство находится главным образом в

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

53 клапанах и каналах, а также в небольшом зазоре между поршнем и крышкой.

На индикаторной диаграмме (рис. 7.1) точка а соответствует закрытию всасывающего клапана, b – открытию нагнетательного клапана, с – закрытию нагнетательного клапана и d открытию всасывающего клапана. Линия da соответствует всасыванию, аb – сжатию, be – выталкиванию, cd – расширению остатка газа.

Рис. 7.1 – Рабочий процесс поршневого компрессора Изменение давлений всасывания и выталкивания, изображенное волни-

стыми линиями, вызывается изменением гидравлического сопротивления клапанов. В начале открытия всасывающего клапана вследствие малой щели наблюдается значительное снижение давления (до точки M1). В начале нагнетания, по аналогичной причине, давление повышается (до точки М2). На большей части хода один из клапанов полностью открыт, но и при этом условии потери давления в клапане не постоянны, так как скорость газа в нем изменяется, следуя переменной скорости поршня. Поэтому даже при постоянном давлении во всасывающем и нагнетательном патрубках цилиндра линии всасывания и нагнетания индикаторной диаграммы отклоняются от горизонтальных прямых.

На индикаторной диаграмме отражаются также колебания давления в патрубках цилиндра, порождаемые пульсирующим характером потока газа.

Конечное рк и начальное рн давления, называемые номинальными, представляют собой средние интегральные по времени давления перед всасывающим и за нагнетательным клапанами. Амплитуда колебания давления

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

54 в патрубках в отдельных случаях достигает 25% и более от номинального

давления.

7.3 Типы и схемы компрессоров

Тип компрессора определяется расположением цилиндров. Каждый тип компрессоров имеет свои преимущества.

Основное преимущество вертикальных компрессоров – равномерный износ цилиндров и поршней вследствие меньшего давления поршней на стенки цилиндров благодаря равномерному распределению смазки и оседанию твердых частиц на торце поршня. Это преимущество является решающим для компрессоров без смазки или с неполной смазкой там, где не допускается применение минерального масла (кислородные, хлорные и другие компрессоры).

Горизонтальные компрессоры более удобны при обслуживании, что очень важно для стационарных крупных компрессоров.

Преимущества угловых компрессоров – относительно малая масса и компактность, что имеет решающее значение для компрессоров в передвижных установках.

Компрессоры одного типа с кривошипно-шатунным механизмом различаются числом рядов цилиндров, равным числу шатунов, расположением цилиндров и ступеней, конструкцией кривошипно-шатунного механизма, который может быть крейцкопфным или бескрейцкопфным. Эти признаки объединены общим понятием схемы компрессора, которая предопределяет конструкцию машины, ее массу, габариты и стоимость, а также экономичность в эксплуатации, надежность, простоту обслуживания и ремонта.

Различие требований, предъявляемых к компрессорам в зависимости от их назначения, отражено в разнообразии применяемых схем. Наиболее распространенные из них приведены на рис. 7.2, на котором римскими цифрами обозначены ступени сжатия, а буквами Ур – уравнительная полость; последняя в отличие от рабочих полостей не имеет клапанов и находится под посто-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

55 янным давлением газа для уравнивания поршневых сил.

Рис. 7.2 – Схемы поршневых компрессоров:

а-з – двухступенчатые; и-м – трехступенчатые; н-п – четырехступенчатые; р- с – пятиступенчатые; т – шестиступенчатые.

Бескрейцкопфные компрессоры просты по конструкции и компактны, вследствие чего их применяют для передвижных установок. В крупных компрессорах сказываются недостатки такой схемы: пониженный механический к. п. д., большие утечки газа через поршневые кольца, повышенный унос масла из картера и сильное загрязнение им сжимаемого газа, неэффективное использование объема цилиндра вследствие одинарного действия. Поэтому она уступает место схеме с крейцкопфом.

На рис. 7.2, з, м представлены схемы со встречным движением

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

56 поршней (оппозитное расположение). Колена вала каждой пары противоле-

жащих рядов взаимно смещены на 180°. В этой схеме полностью уравновешиваются силы инерции поступательно движущихся масс, поршневые силы рядов противоположны по направлению, вследствие чего на коренные подшипники действует их разность. Тем самым уменьшается работа трения, а следовательно, износ подшипников и коренных шеек вала. Горизонтальные оппозитные компрессоры примерно в 2 раза легче, чем машины с односторонним расположением цилиндров.

Несколько ступеней в одном ряду объединяют в дифференциальный блок (рис. 7,2, и, л), за счет чего уменьшается число сальников и длина ряда. Ступень высокого давления для снижения утечек газа уплотняют по возможно меньшему периметру поршня, располагая ее в торце дифференциального блока.

Лекция 8

Роторные компрессоры. 8.1 Одновальные компрессоры

Пластинчатый компрессор (рис. 8.1) состоит из цилиндра, в котором эксцентрично расположен ротор с пластинами, вставленными в его пазы. В отличие от шиберного насоса, вращающиеся меж-пластинчатые камеры, будучи изолированными, изменяют свой объем от максимального значения до минимального, вследствие чего газ сжимается постепенно от момента отсечки камеры от всасывающего канала в точке а до момента, когда передняя пластина камеры достигнет кромки выхлопного окна Ъ. После мгновенного выравнивания давление в камере сохраняется постоянным до тех пор, пока задняя пластина камеры не достигнет кромки с выхлопного окна. При движении камеры от с до d остаток газа расширяется.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

57

Рис. 8.1. Схема пластинчатого компрессора.

Как видно из диаграммы изменения давления, изображенной справа на том же рисунке, действие рассматриваемого компрессора в основном аналогично действию поршневого. Однако в отличие от последнего конечное давление сжатия зависит не от давления в нагнетательном патрубке компрессора, а только от степени сжатия камеры на участке аЬ.

Число пластин изменяется от двух для малых машин, до 20—30 для крупных машин. Наклонное расположение пластин в сторону вращения вала уменьшает опасность защемления в пазах ротора ввиду благоприятного направления усилия, действующего на каждую пластину. Материал пластин

— сталь, дюраль, пластмасса. Частота вращения ротора ограничивается максимальной окружной скоростью конца пластины, равной примерно 13 м/сек, превышение которой приводит к быстрому износу пластин. Для уменьшения сил трения в цилиндр устанавливают два кольца, свободно вращающиеся и увлекаемые пластинами. Последние прижимаются к кольцах и скользят по их внутренней поверхности. При этом окружную скорость можно увеличить примерно до 18 м/сек.

В одноступенчатом охлаждаемом компрессоре отношение давлений не превышает 5. Более высокие отношения давлений осуществляют в двухступенчатых компрессорах.

Водокольцевой компрессор (рис. 8.2) отличается тем, что в качестве замыкателя используется водяное кольцо, образующееся внутри цилиндра при вращении в нем рабочего колеса с радиальными лопатками. Рабочей камерой служит серповидное в поперечном сечении пространство, образую-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

58 щееся вследствие эксцентриситета между ротором и водяным кольцом. Вса-

сывающее и нагнетательное отверстия расположены в торцевых крышках. Вода непрерывно обновляется, что обеспечивает охлаждение газа в процессе сжатия.

Рис 8.2. Схема водокольцевого компрессора.

1 - отверстие всасывания; 2 - отверстие нагнетания; 3— водяное коль-

цо.

Коэффициент полезного действия водокольцевых компрессоров невелик (0,4—0,45) вследствие трения лопаток о воду, и слоя воды о стенки цилиндра. Однако для некоторых условий, например для подачи запыленного газа, такие компрессоры очень выгодны.

Эти же машины используют в качестве вакуум-насосов, когда среда содержит капельную влагу, а также для созданияразрежения в центробежных насосах при их запуске.

8.2 Двухвальные компрессоры Компрессор типа Руте (рис. 8.3), применяемый при невысоких отноше-

ниях давлений, действует аналогично шестеренному насосу, но для увеличения объема межзубцовых впадин число зубьев (лопастей) уменьшено до 2— 3. В данном случае передача равномерного вращения становится затруднительной. Эта передача осуществляется зубчатой парой, расположенной вне компрессора, а между лопастями сохраняется зазор, что позволяет избежать

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

59 их износа и необходимости вводить в компрессор смазку. Отсутствие кон-

такта сжимаемого газа с маслом дает компрессору типа Руте важное преимущество. Порция газа переносится между лопастями ротора при постоянном объеме, а сжатие газа происходит в момент, когда рабочая камера сообщается с нагнетательной стороной машины. Для уменьшения шума и создания более равномерного потока газа применяют трехлопастные винтовые роторы.

Рис. 8.3. Схемы компрессоров типа Руте. а — двухлопастного; б — трехлопастного.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

60

Рис. 8.4. Двухроторный винтовой компрессор.

Винтовые компрессоры (рис. 8.4) аналогичны воздуходувке типа Руте, но отличаются от нее формой роторов и расположением окон для подвода и отвода газа в осевом направлении, как в винтовом насосе. Роторы выполнены в виде винтовой зубчатой передачи, в которой так же, как и в компрессоре типа Руте, зубья не соприкасаются благодаря шестерням, синхронизирующим движение винтов. При вращении роторов полости А, А', А" и В , В', В" (рис. 16.3, а) последовательно изолируются от области всасывания, затем их объем уменьшается, так как впадины одного ротора заполняются зубьями другого. Газ, заполняющий полости, сжимается до тех пор, пока полости не сообщатся с областью нагнетания. В винтовом компрессоре так же, как и в пластинчатом, конечное давление сжатия в полости зависит не от противодавления, а от геометрии роторов и расположения нагнетательного отверстия.

Число зубьев у роторов может быть различным: 2 + 2, 2 -|- 4, 3 + 3, 4 + 4, 4 + 6 и т. д. На рис. 8.4, б показаны роторы с числом зубьев

4 + 6.

Корпус и ротор выполняют из стали, чугуна или цветного металла. Корпус имеет разъем параллельно оси роторов и снабжен рубашкой для водяного охлаждения. В местах вывода валов ротора из корпуса устанавливают уплотнения (угольные, медные или пластмассовые кольца).