Осевые компрессоры

Осевые компрессоры предназначены для сжатия любых газов. Они получили широкое распространение в энер­гомашиностроении благодаря высокой быстроходности (и следовательно, большей компактности) и большим КПД по сравнению с турбокомпрессорами. Схема части осевого компрессора представлена на рис. 174.

Осевые компрессоры являются многоступенчатыми машинами, принцип работы которых состоит в следую­щем. Лопатки b рабочего колеса а образуют поверх­ность, которая, взаимодействуя во время вращения ра­бочего колеса с окружающим газом, перемещает его в направлении действия подъемной силы. Двигаясь по­ступательно, газ одновременно с колесом участвует и во вращательном движении. Для устранения враща­тельного движения газ проходит через направляющий аппарат, снабженный лопатками с, после чего посту­пает в следующую ступень или отводится в напорный патрубок. Часто перед поступлением в первую ступень потоку газа сообщают предварительную подкрутку с помощью лопаток и направляющего аппарата, уста­новленного перед рабочим колесом.

Степень сжатия в одной ступени осевого компрес­сора обычно невелика и составляет е = 1,15÷1,35. По­этому для получения высокого давления компрессор имеет большое число ступеней.

Характеристики осевых компрессоров, полученные в результате испытаний, отличаются от характеристик турбокомпрессоров. Кривая р — v обычно имеет крутую форму падения. Кривая мощности также довольно кру­то падает с увеличением подачи, а кривая КПД имеет более резко выраженный максимум. Сопоставление ха­рактеристик осевых и центробежных компрессоров по­казывает, что в осевых компрессорах с изменением по­дачи резче меняется КПД и степень сжатия. Диапазо­ны устойчивых режимов у осевых компрессоров мень­ше, однако в расчетных режимах осевые компрессоры позволяют получить большие КПД, чем центробежные. Для их иллюстрации на рис. 175 показана зависимость адиабатического КПД от подачи неохлаждаемых мно­гоступенчатых центробежных / и осевых 2 компрес­соров.

Регулирование осевых компрессоров может осуще­ствляться по тем же схемам, что и турбокомпрессоров. Однако наряду с ними в осевых компрессорах возможно регулирование поворотными направляющими, а иног­да и рабочими лопатками одной или нескольких сту­пеней.

Для работы в силовых и энергетических установках осевые компрессоры применяются, как правило, в сое­динении с газовыми турбинами. В этом случае мощ­ность газовой турбины расходуется частично на при­вод компрессора, питающего воздухом камеру сгора­ния, а частично передается на вал электрогенератора. На рис. 176 приведена простейшая схема установки осевого компрессора с газовой турбиной. Сжатый осе­вым компрессором / воздух подается для сжигания топ­лива в камеру сгорания 4, откуда смесь горячих газов и воздуха поступает в газовую турбину 5. Излишек мощности турбины через редуктор 2 передается на вал электрогенератора 3.

На рис. 177 представлен продольный разрез осево­го компрессора с подачей 76 500 м³/ч воздуха при сте­пени сжатия 3,5. Мощность турбины N_T =4620 кВт; мощность, расходуемая компрессором, N_K =4130 кВт, частота вращения 5180 об/мин. Благодаря высокой экономичности и эффективности осевые компрессоры находят все более широкое применение во многих от­раслях промышленности.

Осевые компрессоры по принципу работы аналогичны осевым насосам и вентиляторам. Основные отличия компрессоров связа­ны с применением существенно больших окружных скоростей и большого числа ступеней: u_B = (200H-300) м/сек — для компрес­сора стационарных установок и до 400 м/сек — для транспорт­ных; 100 м/сек — для вентиляторов. Большие окружные ско­рости вынуждают предъявлять особые требования к прочности лопастей и дисков, что сказывается па конструкции машины. Число ступеней осевого компрессора порядка 8÷ 10 является обычным; в некоторых случаях оно достигает 16÷ 20.

Принципиальная схема осевого компрессора показана на рис. 178. Основными частями компрессора являются ротор / с рабочими лопастями 2 и корпус 3, к которому крепятся направ­ляющие лопасти 4 и 5 и который имеет патрубки для входа 6 и выхода 7 газа. Газ с параметрами р_н, Т_н и с_н поступает во вход­ной патрубок 6, оттуда — во входной направляющий аппарат, а затем проходит последовательно ступени компрессора. Из пос­ледней ступени газ попадает в диффузор 8 и далее — в напор­ный (выходной) патрубок 7. Входные напрявляющие лопасти закручивают поток в сторону вращения ротора или в противо­положную сторону, в зависимости от типа применяемых ступе­ней. В некоторых типах компрессоров (с осевым входом на ступени) входной направляющий аппарат отсутствует. Поэтому под ступенью компрессора подразумевают совокупность одного ряда рабочих лопастей и последующего ряда направляющих лопастей. На выходе из промежуточных направляющих аппаратов по­ток может быть закручен как в сторону вращения, так и в про­тивоположную сторону; за последним направляющим аппара­том, называемым спрямляющим, выход потока осевой. Посколь­ку давление воздуха возрастает от ступени к ступени, высота лопастей уменьшается вдоль проточной части, что приводит к воз­растанию относительного диаметра втулки . Для пер­вых ступеней компрессоров характерны относительные диамет­ры втулки ; для последних — . Приведен­ные цифры типичны для компрессоров, хотя бывают и отступления. Так, некоторые транспортные компрессоры имеют (до 0,4), а в многокорпусных компрессорах стационарного типа возможны .

Закон изменения относительного диаметра втулки по ступе­ням зависит от выбранного закона изменения осевой скорости вдоль проточной части и типа проточной части.

Осевая скорость принимается либо постоянной во всех сту­пенях, либо уменьшающейся вдоль проточной части. В первом случае ступени можно изготовлять одинаковыми, отличающими­ся только высотой лопастей, что упрощает изготовление лопаст­ных аппаратов. Однако при этом скорость за последней ступенью (перед диффузором) может оказаться весьма большой, что ведет к снижению к. п. д. компрессора, так как эффективность диффу­зоров невелика. Поэтому компрессоры с постоянной осевой скоростью применяют только в тех случаях, когда доля динамиче­ского напора за последней ступенью мала, по сравнению с суммарным напором ступеней. В современных компрессорах с большими окружными скоростями обычно предпочитают умень­шать осевую скорость от (180÷ 50) м/сек в первых ступенях до (140÷ 110) м/сек — в последних. Правда, в этом случае не уда­ется все ступени выполнить одинаковыми: применяют 3—4 груп­пы ступеней. На применение нескольких групп ступеней конст­рукторы идут охотно, поскольку это позволяет уменьшить хорду профилей (от группы к группе) и таким образом сократить осевые размеры компрессора, как правило, весьма значительные. Кроме того, уменьшение осевой скорости вдоль проточной части целесообразно еще и потому, что позволяет сохранить достаточ­но большими высоты лопастей последней ступени.

Во избежание чрезмерного снижения к. п. д. компрессора желательно иметь высоту лопастей последних ступеней не менее (30—40) мм, В тех случаях, когда это не удается, а переход к центробежному компрессору нежелателен, целесообразно три-четыре последние ступени заменить одной центробежной.

Конструкции осевых компрессоров. Рассмотрим некоторые конструкции компрессоров стационар­ных газотурбинных установок. На рис. 179 показан продольный разрез компрессора низкого давления газотурбинной установки Невского завода им. В. И. Ленина (НЗЛ). Подача компрессора 30 кг/сек при п = 5000 об/мин; расчетное отношение давлений е_к =3,5, число ступеней 16. Ро­тор компрессора кованый, барабанной конструкции, постоянного диаметра (d_BT =638 мм), составной, что позволяет уменьшить вес и размеры заготовок и вес обработанного ротора. Части ро­тора соединены посредством горячепрессовой посадки: в средней части ротора имеются две кольцевые канавки, в которые после охлаждения барабана заходят соответствующие буртики, пред­отвращающие осевое смещение частей ротора. Предотвращение частей ротора от проворачивания обеспечивается как за счет по­садки с натягом, так и за счет штифтов, установленных в торцо­вых стенках барабана. Ротор несет на себе 16 рядов рабочих лопастей Большое число ступеней обусловлено умеренной ок­ружной скоростью ( =228 м/сек). Рабочие лопасти крепятся в канавках, проточенных в роторе. Для удаления конденсата, который может образоваться во время останова, во внутренней части ротора, в торцовой стенке (со стороны нагнетания), про­сверлены наклонные отверстия. С правой стороны ротора закреп­лен упорный диск. Для предупреждения проворачивания диска служит шпонка, а для предупреждения осевых смещений — разрезное кольцо, удерживаемое фасонной гайкой. Ротор враща­ется в подшипниках скольжения со смазкой под давлением.

Корпус компрессора отлит из чугуна с повышенными механиче­скими свойствами и имеет горизонтальный и вертикальный разъ­емы, которые облегчают обработку внутренней поверхности корпуса. На входе в первую ступень установлен входной направ­ляющий аппарат, закручивающий воздух в сторону вращения ротора. Направляющие лопасти без бандажа, крепятся непосред­ственно к корпусу. Направляющий аппарат за последней сту­пенью состоит из двух рядов направляющих лопастей, посколь­ку он должен повернуть поток на большой угол. За направляю­щим аппаратом последней ступени расположен диффузор. Следует отметить, что диффузор слишком короткий, с резким поворотом потока, что отрицательно сказывается на его эффек­тивности. Заодно с нижней половиной корпуса отлиты стулья подшипников. Жесткость стульев обеспечивается за счет их ко­робчатой формы и продольного внутреннего ребра.

Общий вид компрессора представлен на рис. 180. Крепление корпуса компрессора к стойкам 1 фундаментной рамы 2 осу­ществляется посредством четырех опорных лап 3, прилитых к горизонтальному фланцу нижних половин корпуса. Лапы опира­ются не непосредственно на стойки фундаментной рамы, а на шпонки 4 и 5, при помощи которых направляются тепловые рас­ширения корпуса. Осевые шпонки 6 направляют осевые расшире­ния корпуса, поперечные шпонки 5 — поперечные расширения передней части корпуса. Точка пересечения осей поперечных и осевых шпонок является мертвой точкой. Шпонки 4 опорные, позволяют как продольные, так и поперечные перемещения зад­них лап. Для возможности тепловых расширений болты 7 выпол­нены дистанционными. Вертикальные шпонки 8 обеспечивают соосность корпусов компрессора и турбины. Входной и выходной патрубки отлиты заодно с соответствующими частями нижней половины корпуса. Нижнее расположение патрубков очень удоб­но, так как при этом легко вынимается ротор компрессора. Од­нако, такое расположение патрубков применяется не всегда, поскольку требует высокого фундамента.

На рис. 181 показан компрессор среднего давления газотур­бинной установки мощностью 12 000 кВт Ленинградского метал­лического завода (ЛМЗ). Объемная подача компрессора 24,4 м³/сек при п = 3000 об/мин; расчетное отношение давлений е_К =2,1 достигается в 12 ступенях.

Установка выполнена на п = 3000 об/мин, что вынудило ограни­читься малыми окружными скоростями и привело к большому числу ступеней. Компрессор является уникальным по эффектив­ности; его к. п. д. превышает 91%. В конструктивном отношении компрессор заметно отличается от компрессора НЗЛ. Корпус компрессора с постоянным внутренним диаметром d_B = const, литой, имеет два вертикальных и горизонтальный разъемы. Спе­циальные вставки в корпусе образуют за последней ступенью диффузор радиального типа, который представляет значительный интерес, так как позволяет заметно уменьшить осевой раз­мер компрессора. Для уменьшения потерь в поворотном участке (перед диффузором) установлены две кольцевые направляющие лопасти. Эффективность диффузора, по опытным данным, весь­ма высокая. Направляющие лопасти набраны в специальные обоймы; каждая половина крепится в соответствующей половине корпуса. Такое крепление упрощает и удешевляет изготовление направляющих лопастей и, кроме того, позволяет применить бандаж. Ротор компрессора цельнокованый, что позволяет применять большие окружные скорости (в рассматривае­мом компрессоре эта возможность не реализована). Централь­ное сверление в роторе выполнено с целью контроля качества выполнения поковки. Рабочие лопасти в компрессорах с направ­ляющим аппаратом типа ЛМЗ выполняются с бортиком, обра­зующим вместе с бандажом направляющих лопастей плавные обводы проточной части компрессора.

На рис. 182 показан компрессор (доменная воздуходувка) швейцарской фирмы «Зульцер». Его подача 35 м³/сек при п = 5680 об/мин; отношение давлений е_к =2,8 при числе ступеней 10. Корпус компрессора литой, патрубки отлиты заодно с нижней половиной. В корпус вставлена обойма, в которой кре­пятся направляющие лопасти; обработать такую обойму значи­тельно легче, чем внутреннюю поверхность корпуса. Кроме того, во входном патрубке имеется специальная вставка, образующая плавный конфузор перед первой ступенью, а в выходном патруб­ке вставки образуют диффузор. Применение вставок с чистовой обработкой поверхности позволяет увеличить эффективность диффузора.