Центробежные компрессоры

 

В центробежных компрессорах (турбокомпрессорах) давление газа повышается при непрерывном его дви­жении через проточную часть машины в результате ра­боты, которую совершают лопатки рабочего колеса компрессора. Центробежные компрессоры применяются для сжатия газов до давления 0,8МПа(8ат). По срав­нению с поршневыми центробежные компрессоры имеют ряд преимуществ. Вследствие отсутствия возвратно-по­ступательного движения частей они не требуют тяже­лого фундамента; ротор их вращается с постоянной угловой скоростью, а движущиеся детали соприкасают­ся с неподвижными деталями только в подшипниках, что позволяет использовать более дешевые быстроход­ные двигатели. Центробежные компрессоры более ком­пактны. Основной недостаток центробежных компрессо­ров по сравнению с поршневыми заключается в том, что степень повышения давления в одной ступени компрессора зависит от физических свойств газа, в первую очередь от его плотности. При сжатии легких газов до значительных давлений требуется большое число сту­пеней. Поэтому для обеспечения требуемой жесткости вала необходимо иметь многокорпусную машину. Цент­робежные компрессоры, как правило, представляют со­бой многоступенчатую машину.

На рис. 158 показана в разрезе ступень центробеж­ного компрессора. Находящемуся между лопатками га­зу при вращении рабочего колеса сообщается враща­тельное движение, в результате чего газ под действием центробежной силы движется к периферии колеса. За­тем газ попадает в диффузор, площадь которого увели­чивается с увеличением радиуса, скорость частичек га­за при этом снижается, а давление возрастает. Для повышения эффективности работы диффузора по пре­вращению кинетической энергии в потенциальную слу­жат диффузорные лопатки, упорядочивающие движе­ние газа.

При вращении рабочего колеса в зонах, располо­женных у оси вращения, давление газа становится меньше, чем во всасывающем трубопроводе, вследствие чего образуется непрерывный поток газа через проточную часть колеса и диффузор. При работе одного ко­лена и диффузора, образующих ступень центробежного компрессора, где происходит одноступенчатое сжатие газа, степень сжатия невелика и составляет не более 1,2.

Для получения высокой степени сжатия газа используют несколько ступеней компрессора. Конструктивно это обеспечивается установкой на одном валу не­скольких рабочих колес, располагаемых в одном кор­пус. В этом случае газ поступает в следующую сту­пень по каналам, образованным лопатками направляю­щего аппарата.

Общая степень сжатия центробежного компрессора определяется степенью сжатия его отдельных ступеней и определяется отношением давления р₂ на выхо­де из компрессора к давлению p₁ на входе.

На рис. 159 показана схема четырехступенчатого центробежного компрессора с колесом первой ступени полузакрытого типа.

Известно, что при сжатии газ нагревается, поэтому при использовании многоступенчатых компрессоров не­обходимо решить проблему охлаждения. Существуют два способа охлаждения: внутренний и внешний. При внешнем охлаждении газ, прежде чем попадает в сле­дующую ступень, проходит через холодильник, а при внутреннем охлаждении корпус холодильника имеет «рубашку», через которую прокачивается охлаждаю­щаяся вода. Обычно корпус холодильника представля­ет собой органически связанную с кожухом турбокомп­рессора часть конструкции.

Большинство современных машин имеет внешнее охлаждение. Промежуточные холодильники присоединя­ются либо к нижней части корпуса компрессора (рис. 160), либо к обеим частям корпуса (рис. 161). Охлаждаемый газ протекает в межтрубном простран­стве холодильника, а в трубах протекает охлаждаю­щая вода.

При присоединении холодильника к нижней части корпуса газ из компрессора по улитке / попадает в хо­лодильник 2. Пройдя трубный пучок 3, газ направляет­ся в следующую ступень. Охлаждающая вода подво­дится в трубный пучок через патрубок 4 и отводится через патрубок 5. К достоинствам такой компоновки относится удобство монтажа и обслуживания холодиль­ника, к недостаткам — низкий КПД холодильника.

При присоединении холодильника к обеим частям корпуса (см. рис. 161) газ из улитки / поступает в верхнюю часть трубного пучка 3, меняет направление и через нижнюю часть пучка попадает во всасываю­щую камеру 2 следующей ступени. Недостаток этой компоновки холодильника состоит в сложности монта­жа, преимущество — в более высоком КПД.

По сравнению с внутренним охлаждением компрессо­ров основным преимуществом внешнего охлаждения яв­ляется более интенсивное охлаждение газа, так как площадь поверхности охлаждения промежуточного хо­лодильника значительно больше, чем у водяной ру­башки.

Наиболее простыми по конструкции являются одно­ступенчатые центробежные компрессоры, на которых хо­лодильники не монтируются. На рис. 162 показан одноступенчатый компрессор, предназначенный для сжа­тия горячих дымоходных газов с температурой 800°С. Подача компрессора 0,55 м³/с, степень сжатия газа у него очень мала е =1,0025. Все детали, соприкасающиеся с горячим газом, изготовлены из жаропрочных сталей. Чтобы теплота от рабочего колеса не переда­валась на вал, между колесами и фланцем вала уста­новлена изолирующая вставка. На валу размещено вентиляторное колесо, которое засасывает воздух по радиальным сверлениям пологого вала; этим воздухом вал охлаждается.

Одной из основных частей центробежных компрес­соров с внешним охлаждением являются компрессоры, сжимающие воздух для пневматического оборудования и инструментов. Давление нагнетания в этих машинах составляет 0,6—0,9 МПа. В воздушном центробежном компрессоре (рис. 163) подачей 5,5 м³/ч и давлением нагнетания 0,8 МПа воздух отводится в промежуточные холодильники, установленные после второй и четвертой ступеней через асимметричные спиральные отводы. Промежуточные холодильники расположены с одной стороны компрессора.

При эксплуатации центробежных компрессоров час­то возникает необходимость изменения их подачи в весьма широких пределах. Помимо этих требований необходимо обеспечивать также определенную зависи­мость между давлением и подачей. Так, например, для работы пневматических инструментов необходимо под­держивать в сети определенное давление независимо от изменения подачи. Для компрессоров, нагнетающих воздух в доменные печи, требуется поддержание задан­ной подачи при изменении давления, которое зависит от сопротивления слоя шихты в печи, толщина которо­го изменяется в зависимости от хода технологического процесса.

Регулирование центробежного компрессора по суще­ству является изменением положения рабочей точки. Это изменение можно осуществлять изменением либо характеристики компрессора, либо характеристики сети.

Наиболее распространенными способами регулирова­ния работы компрессоров являются: изменение часто­ты вращения ротора, изменение проточной части и дросселирование.

Если посмотреть на напорную характеристику 4 центробежного компрессора (рис. 164), то можно уви­деть, что с уменьшением подач происходит постепен­ное сжатие газа до давления р_кр. Дальнейшее умень­шение подачи приводит к уменьшению давления. Теоретически оно должно падать вдоль пунктирной линии. На практике этого не происходит. Как только давле­ние достигает значения р_кр, периодически происходит возврат газа из области нагнетания в область всасыва­ния, сопровождающийся интенсивными ударами, часто­та которых зависит от давления сжатия, плотности га­зов, емкости сети и т. д. Это явление называется помпажем в компрессоре. Точка на характеристике, в ко­торой начинается помпаж, называется границей помпажа. При большом сжатии газа при помпаже возни­кают такие удары, что эксплуатация турбокомпрессора становится невозможной.

При отборе потребителем небольших количеств га­за, когда подача компрессора меньше критической и лежит в помпажной зоне, необходимо применять антипомпажное регулирование, сущность которого состоит в следующем. Если требуемая подача компрессора Q₁ меньше Q_кр, то компрессор настраивают на подачу Q₂, которая больше Q_кр и лежит в устойчивой зоне. Раз­ность расхода, равная Q₂-Q₁, перепускается из линии нагнетания в линию всасывания или выбрасывается в атмосферу. Антипомпажное регулирование осуществля­ется только в автоматическом режиме специальными антипомпажными регуляторами. Основное отличие ре­гулирования турбокомпрессоров от регулирования поршневых компрессоров заключается в том, что изме­нение давления, под влиянием которого должен пере­ставляться регулятор, сравнительно невелико.

Поэтому в большинстве случаев приходится прибегать к вспомо­гательным устройствам. Обычно такими вспомогатель­ными устройствами являются либо масляные сервомоторы, либо мультипликаторы, когда регулирование свя­зано с изменением подачи.

Случаю, когда компрессор должен обеспечивать по­стоянное давление независимо от расхода, будет отве­чать характеристика, соответствующая на рис. 164 пря­мой 1; а случаю, когда расход при изменяющемся дав­лении постоянен, — прямая 3.

Помимо отмеченных основных случаев возможен и третий, когда требуется регулирование давления нагне­тания в зависимости от подачи. В этом случае для под­держания определенного давления у потребителя не­обходимо регулировать давление газа за компрессором. Требуемая характеристика компрессора соответствует кривой 2.

На практике выбор способа регулирования зависит от конструкции компрессора и типа привода. Если комп­рессор имеет привод с регулируемой частотой враще­ния, то это позволяет регулировать частоту вращения ротора компрессора. При повышении частоты враще­ния ротора конечное давление и мощность увеличива­ются, при ее уменьшении давление и мощность снижа­ются. Регулирование изменением частоты вращения ро­тора является наиболее точным и экономичным.

Для центробежных компрессоров, имеющих в каче­стве привода асинхронный двигатель, чаще всего при­меняют регулирование дросселированием газа на вса­сывании. При этом способе регулирования с помощью дроссельной заслонки снижается давление всасывания в компрессор, в результате чего достигается снижение давления нагнетания до требуемого значения. Давление во всасывающем трубопроводе перед дроссельной за­слонкой остается постоянным.

Регулирование изменениями в проточной части цент­робежного компрессора заключается в установке перед входом газа в рабочее колесо лопаток, снабженных ме­ханизмом поворота, и повороте лопаток диффузора. Этот способ регулирования основан на том, что если поток газа направляющими лопатками перед входом в рабочее колесо предварительно поворачивается в на­правлении вращения колеса, то степень сжатия будет ниже, чем при радиальном входе, и наоборот. Этот спо­соб не получил до настоящего времени широкого рас­пространения из-за значительного усложнения конст­рукции компрессора.

Центробежные компрессоры аналогичны центробежным насо­сам, однако отличаются большим разнообразием схем, особен­но это относится к одноступенчатым машинам.

Некоторые схемы одноступенчатых компрессоров представле­ны на рис. 165. Компрессор с закрытым рабочим колесом и спи­ральной камерой (рис. 165, а) применяется при малых и умерен­ных окружных скоростях (примерно до 300 м/сек). По этой схе­ме выполняются центробежные насосы. Отсутствие зазора между рабочими лопастями и корпусом и хорошее уплотнение зазора между кольцом и корпусом обеспечивают к. п. д. таких компрес­соров на 2—3% больший, чем к. п. д. компрессоров с полуоткры­тыми колесами (рис. 165, в, г). Отсутствие лопастных или безлопастных диффузоров допустимо только при малых углах , обеспечивающих большую степень реактивности и, как след­ствие, снижение доли потерь в улитке.

Если угол достаточно.велик (порядка 40÷50°), то компрессоры выполняют с диффузорами (см. рис. 165, б, в, г). Ра­бочие лопасти компрессоров с полуоткрытыми рабочими колеса­ми— без кольца («покрывающего диска») —отлиты или выфрезерованы за одно целое с диском и ступицей и обычно выполняются из алюминиевых сплавов (например, АК-4, АК-6). Кроме того, обычно лопасти изготовляют так, чтобы в них от­сутствовали изгибные напряжения; для осерадиальных рабочих колес (рис. 165, в) это означает, что выходной угол =90°. Основное преимущество таких рабочих колес — возможность достичь больших окружных скоростей (порядка 500 м/сек). По­луоткрытые рабочие колеса нашли широкое применение в над­дувных агрегатах двигателей внутреннего сгорания и газотур­бинных установках малой мощности. В последнее время начина­ют применяться полуоткрытые рабочие колеса диагонального типа (см. рис. 165, г). В таких колесах поток поворачивается на меньший угол (в меридиональном сечении), что обусловливает меньший перекос скоростей и поэтому — более высокий к. п. д. Согласно некоторым опытам, переход от осерадиальных к диа­гональным рабочим колесам позволяет увеличить к. и. д. компрессора примерно на 2%. Рабочие колеса осерадиального и диа­гонального типов характеризуются малой степенью реактивности и поэтому требуют установки диффузора за рабочим колесом.

Многоступенчатые компрессоры аналогичны многоступенча­тым насосам. Обычные схемы многоступенчатых компрессоров — машины с безлопастными, лопастными и канальными диффузо­рами.

Рабочие колеса центробежных компрессоров во многом схо­жи с колесами вентиляторов (рис. 166). Некоторые конструктив­ные отличия связаны с требованиями прочности. Диск выполня­ется заодно со ступицей, толщина диска уменьшается к перифе­рии. Кольцо также переменной толщины с утолщением на внутреннем диаметре для организации лабиринтовых уплотне­ний. И кольцо, и диск изготовляются из поковок токарной обра­боткой. От формы меридионального сечения рабочего колеса, об­разованного обводами кольца и диска со ступицей, зависит поле меридиональных проекций скоростей, а следовательно, и к. п. д. рабочего колеса, особенно во входном участке, организующем по­ворот потока почти на 90°. Для уменьшения резкого перекоса скоростей необходимо по возможности уменьшать кривизну об­водов в поворотном участке, особенно обвода кольца. Увеличе­ние радиуса скругления наружного обвода вдвое, по опытам НЗЛ, позволяет увеличить к. п. д. ступени компрессора пример­но на 1%. Сами обводы целесообразно выполнять в виде плав­ных кривых, без скачкообразного изменения кривизны, а в основ­ной части канала, где расположены рабочие лопасти, — в виде прямых линий, что облегчает изготовление и крепление рабочих лопастей. Обычно стремятся делать такой обвод рабочего колеса, при котором и , хотя в узких колесах последнее условие нарушается и взамен него принимают как и в насосах с узкими колесами.

Рабочие лопасти изготовляются загнутыми назад, обычно с углом < (40÷50)° и лопастями постоянной толщины, с округ­ленной входной и скошенной выходной кромками. Наиболее рас­пространены лопасти в виде дуги окружности, хотя такая форма, как уже указывалось, не является наиболее целесообразной. Вви­ду большой густоты решеток иногда лопасти через одну укора­чивают (двухъярусные решетки), что, согласно опытам ЛПИ, несколько увеличивает к. п. д. рабочего колеса. Рабочая лопасть с отбортовкой Z-образной формы (рис. 167, а) крепится к диску и кольцу заклепками. На­ряду с такими лопастями применяется отбортовка корытообраз­ной формы. При значительной толщине (у крупных машин — бо­лее 4÷ 6 мм) лопасти фрезеруются заодно с шипами, с помощью которых крепятся к диску и кольцу (рис. 167, б). Такие лопасти обеспечивают аэродинамически совершенную проточную часть, но сложны в изготовлении. Более просты лопасти со сквозными сверлениями, сквозь которые проходят стержни, выполняющие роль шипов (рис. 167, в). Такие лопасти приходится делать зна­чительной толщины.

Осерадиальные компрессоры, как правило, выполняют одно­ступенчатыми, хотя известны и двухступенчатые машины. Из условий удобства компоновки компрессоры могут быть с осевым и радиальным подводом. Осевой подвод предпочтительнее, поскольку при изготовлении рабочего колеса обеспечивается закон изменения входных углов лопастей , соответствующий по­стоянной осевой скорости по высоте лопастей (рис. 168, а). Ради­альный подвод удобен, когда необходимо осуществить закручива­ние потока перед рабочим колесом для снижения числа М .В таких случаях во входном патрубке располагают радиальный направляющий аппарат. Разумеется, закручивание потока можно осуществить и при осевом подводе посредством осевого направляющего аппарата, однако лопасти в этом случае оказываются сложной формы (закрученные, переменного профиля по высоте), что удорожает их изготовление. Поэтому обычно предпочитают радиальный направляющий аппарат.

Лоток перед рабочим колесом закручивается в сторону вра­щения колеса; величину с_ив (на диаметре d_4B) определяют из условия обеспечения допустимого числа М.

Рабочее колесо осерадиального компрессора изготовляется из алюминиевых сплавов: при умеренных окружных скоростях колеса (примерно до u₂ = 300 м/сек) —методом точного литья, а при больших — фрезеруются из поковки. К сожалению, литье пока не обеспечивает высокой прочности. Обычно лопасти выпол­няют так, чтобы в них отсутствовали изгибные напряжения от действия центробежных сил; только в этом случае можно достичь окружных скоростей порядка (400÷ 500) м/сек. Если такие лопа­сти рассечь плоскостью, перпендикулярной оси, то в сечение по­лучаются трапеции, оси которых пересекают ось вращения (рис. 168, б). Поэтому выходной угол лопастей обычно = 90°, хотя, вообще говоря, это не обязательно. В общем случае форма рабочих лопастей может быть весьма сложной, и дать общий метод профилирования таких пространственных (изогнутых в двух плоскостях) лопастей затруднительно.

Конструкция центробежных компрессоров. На рис. 169 дан продольный разрез компрессора НЗЛ для подачи природного газа на магистральных газопроводах. Три последовательно включенных компрессора подают 13 млн. нм³ /сутки природного газа, повышая его давление с 32 до 56 ат. Мощность, потребляемая одним компрессором, составляет 4000 кВт при п = 7900 об/мин; к. п. д. компрессора равен примерно 84%. Высокое давление обусловило необходимость примене­ния массивного корпуса. Поскольку нет горизонтального разъе­ма корпуса, рабочее колесо вынимается после отсоединения пе­редней крышки фланца (вместе со всасывающим патрубком). Компрессор выполнен по типу обычного одноступенчатого насо­са со спиральной камерой. Такая конструкция компрессора очень компактна, однако, как показали опытные исследования, вызывает существенные радиальные усилия (результирующая сил давления) в роторе при отклонении режима работы от рас­четного, так как при нерасчетных условиях работы давления в спиральной камере по окружности распределяются весьма не­равномерно. Условия работы подшипников были бы весьма об­легчены, если бы компрессор был с безлопаточным диффузором и заваленной набок улиткой (как на рис. 165, в). Как показали исследования М. Т. Столярского, в последнем случае нерав­номерность распределения давления незначительна, особенно если вместо улитки применить торовый газосборник постоянного сечения. Задача уплотнения вала из условий безопасности рабо­ты установки решена следующим образом. За рабочим колесом расположено обычное лабиринтовое уплотнение, а полость меж­ду уплотнением и подшипником соединена перепускной трубой небольшого диаметра со всасывающей линией компрессора. Сле­довательно, давление газа перед подшипником почти не отлича­ется от давления во всасывающей линии (однако составляет все же значительную величину). Роль герметичного уплотнения вы­полняет передний подшипник, масло к которому подается под большим давлением. Масло, стекающее в сторону рабочего колеса, попадает в специальную поплавковую камеру с регуля­тором уровня, а оттуда в отстойник и затем — в масляный бак.

На рис. 170 представлен компрессор (доменная воздуходув­ка) НЗЛ К-3250-41-1. Расчетные параметры его следующие подача 54,2 м³/сек при 3250 м³/мин; давление 3,8 ат. Приводом компрессора служит паровая турбина мощностью 12 МВт, рас­считанная для работы в диапазоне п= (2500—3500) об/мин. В отличие от ранее выпускавшихся доменных воздуходувок, компрессор К-3250-41 выполнен с промежуточным охлаждением вое уха, введение которого, а также тщательная обработка про­точной части компрессора обеспечили высокую его экономич­ность (на расчетном режиме работы изоэнтропический к. п. д. компрессора 86%).

Корпус компрессора литой, чугунный, с горизонтальным и вертикальным разъемами. Вертикальный разъем выполнен для облегчения отливки корпуса и разборке не подлежит. Корпус левого подшипника отлит заодно с корпусом компрессора; кор­пус правого подшипника выполнен отдельно. Ротор компрессора гибкий (п =1600 об/мин)_у состоит из вала с четырьмя рабочими колесами.

Воздух сжимается в первых двух ступенях, рабочие колеса которых одинакового диаметра (d₂ =1650 мм), но с раз­ной высотой лопастей, и далее поступает в холодильник. После охлаждения в трубчатом холодильнике воздух сжимается в сле­дующих двух ступенях с диаметром рабочих колес d₁ = 1360 мм. Диаметр уменьшен, чтобы сохранить приемлемое отношение .Все ступени с лопастными диффузорами. Частичная раз­грузка осевых усилий осуществляется посредством разгрузочно­го поршня, расположенного за последним рабочим колесом.

Интересна конструкция компрессора фирмы «Броун-Бовери» типа «Изотерм», показанная на рис. 171. Основные данные ком­прессора следующие: подача 8,3 м³/сек, отношение давлений 9; п = 5500 об/мин, расход охлаждающей воды 0,08 м³/сек при тем­пературе 295° К. Отличительной особенностью этого компрессо­ра является охлаждение воздуха после всех ступеней, исключая первую н последнюю. Воздухоохладитель выполнен в виде двух коробок прямоугольной формы, одна из которых расположена над компрессором, а вторая — под ним. В коробках в специаль­ных трубных дисках закреплены трубки, по которым движется охлаждающая вода; воздух проходит между трубками. Хорошее охлаждение обеспечило высокий изотермический к. п. д., несмот­ря на большое отношение давления. Пройдя первые две ступени, воздух охлаждается в первой секции холодильника и поступает к третьей ступени. Далее воздух охла­ждается после каждой ступени (кроме последней). Последние четыре ступени расположены симметрично по отношению к пер­вым пяти с целью разгрузки осевых усилий. Компрессор регули­руется дросселем, установленным на всасывающей линии. Анти-помпажный клапан расположен на входном патрубке компрессо­ра (сверху) и сбрасывает воздух не на выхлоп, как это делают обычно, а в специальную турбину осевого типа, рабочее колесо которой крепится на валу компрессора (на рис. 171 справа, вблизи подшипника). Дроссель и клапан антипомпажного уст­ройства с ручным и автоматическим управлением. Ротор ввиду большой его длины опирается на три подшипника. Повышен­ное давление воздуха в области среднего подшипника вынужда­ет подавать к нему масло от специального насоса.

На рис. 172 показана конструкция трехступенчатого ком­прессора фирмы «Эрликон». После первого рабочего колеса воздух поступает сперва в четыре прямолинейных диффузора, а затем в четыре холодильника (сечение III — III), каждый из которых разделен на две секции. Из холодильника воздух по­ступает во вторую ступень (сечение II—II), затем снова в холо­дильники и, наконец, в третью ступень. Диффузоры третьей ступени соединяются в общий патрубок (сечение I—I). При по­даче 3,3 м³ /сек отношение давлений в компрессоре е = 3,8. Высо­кий к. п. д. компрессора достигнут ценою существенного услож­нения конструкции.

Из охлаждаемых компрессоров особый интерес представляет компрессор НЗЛ К-100-61-2 (рис. 173). Параметры его работы: подача 1,5 м /сек, отношение давлений е = 8. Диффузоры ком­прессора восьмиканальные, что, в отличие от компрессора «Эрликон», позволило холодильники встроить в корпус. Рациональная конструкция обусловила очень малые размеры и вес компрес­сора.