варя. Ведёрников 2. Основные сведения из гидравлики

• Название: Основные сведения из гидравлики
• Дата: 07.02.2023
• Размер: 4.59 Mb.
• Имя файла: Ведёрников 2.doc
• Тип: Глава; #924312
• страница: 15 из 21

Глава VIII

ДИНАМИЧЕСКИЕ КОМПРЕССОРЫ

§ 61. Принцип действия и классификация

Динамические компрессоры можно разделить на две группы: центробежные и осевые.

У центробежных компрессоров при вращении ра­бочего колеса газ под действием центробежной силы отбрасы­вается от центра к внешней окружности колеса, а на стороне вса­сывания образуется разрежение, и газ непрерывно поступает из всасывающего трубопровода в каналы между лопатками рабочего колеса. На выходе из колеса газ попадает в диффузор, где ско­рость его снижается, а давление возрастает.

У осевых компрессоров движение газа совершается вдоль оси ротора, сжатие газа происходит в результате изменения скорости движения газа между лопатками ротора и направляю­щего аппарата.

Динамические компрессоры классифицируются по следующим признакам:

по конечному давлению — вентиляторы, создающие поток га­за или воздуха с давлением 0,001—0,015 МПа, воздухо- и газо-дувки, нагнетающие газ или воздух без охлаждения под давле­нием 0,015—0,25 МПа, компрессоры, создающие давление от 0,25 до 35 МПа, вакуум-насосы для отсасывания газов из аппаратов, находящихся под вакуумом, и сжатия их до атмосферного дав­ления, эксгаустеры — вакуумные компрессоры большой произво­дительности, нагнетатели — одноколесные компрессоры, создаю­щие давление до 5,6 МПа и производительностью до 34*106м3/сут;

по числу ступеней сжатия — одноступенчатые и многосту­пенчатые;

по направлению движения газа относительно оси вращения ротора — центробежные с радиальным движением газа, осевые с осевым движением газа, диагональные с комбинированным на­правлением движения газа;

по виду привода — от электродвигателя, от паровых или газо­вых турбин (турбокомпрессорные агрегаты).

Динамические компрессоры имеют ряд преимуществ по срав­нению с поршневыми: простота конструкции, надежность в рабо­те, удобство в эксплуатации, небольшие габаритные размеры и масса, уравновешенность, а значит, легкий фундамент, непре­рывная и плавная подача газа, отсутствие загрязнения газа смаз­кой. Но у динамических компрессоров ниже КПД, чем у порш­невых компрессоров, что особенно сказывается при малой произ­водительности и высоких давлениях нагнетания.

Динамические компрессоры широко применяют во многих от­раслях народного хозяйства, в производствах химической, нефте­химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в ме­таллургической, горной и металлообрабатывающей промышлен­ности. Большие турбокомпрессорные установки работают на пере­качке газа по магистральным газопроводам.

До недавнего времени область применения центробежных компрессоров ограничивалась конечным давлением газа. Комп­рессоры применялись главным образом для средних давлений 0,8—1,0 МПа, максимум до 3,0 МПа при большой производитель­ности. В связи с созданием компрессоров высокого давления центробежные компрессоры постепенно заменяют поршневые во многих производствах химической и нефтехимической промыш­ленности.

За последние годы создано много новых машин различного назначения. Окружная скорость на ободе колеса современных центробежных компрессоров находится в пределах 300—350 м/с, а частота вращения составляет 250 с-1 и выше. При указанных скоростях обеспечивается высокая производительность центро­бежных компрессоров, достигающая 200 м3/с при относительно небольшой массе и габаритных размерах.

Широко распространены центробежные компрессоры для сжа­тия воздуха до давлений 0,7—1,4 МПа. К этим компрессорам от­носят шесть типов машин номинальной производительностью от 6 до 50 м3/с.

Разработаны и выпускают компрессоры для технологических установок по производству этилена и пропилена, которые пред-

назначены для сжатия взрывоопасных газов до давлений 1,7— 4,2 МПа. Компрессоры специального назначения применяют, на­пример, для отсасывания азота из химической аппаратуры, сжа­тия газов пиролиза метана в производстве ацетилена из природ- 1 ного газа, сжатия и подачи нитрозного газа в технологическую Ш схему производства азотной кислоты и др. f

Для высоких степеней сжатия при большой производительно- ' сти используют одновременно центробежные и поршневые комп­рессоры. Наддувные компрессоры давлением до 3 МПа и произ- i водительностью 40 000 м3/ч подают сжатый газ или воздух непо- \ средственно в третью ступень поршневого компрессора высокого \ давления. Сейчас созданы циркуляционные компрессоры (ЦКМ) и | турбокомпрессоры высокого давления, заменяющие поршневые циркуляционные компрессоры в системах синтеза. Использование их упрощает технологическую схему синтеза аммиака, спиртов и повышает надежность работы агрегата.

В ближайшие годы получат более широкое применение для технологических целей осевые компрессоры, которые обеспечи­вают большую производительность при сравнительно невысоких степенях сжатия.

Увеличение мощности технологических установок, рост потреб­ления газов, сжатых до 15 и 35 МПа, предопределили значитель­ные сдвиги в направлении создания ЦКМ высокого давления.

В результате больших теоретических и экспериментальных ис­следований создан довольно значительный типоразмерный ряд центробежных компрессоров, обеспечивающих давление нагнета­ния до 27—35 МПа.

§ 62. Теоретические основы работы центробежных компрессоров

Режим работы центробежного компрессора характеризуется начальным состоянием газа, его конечным давлением, производи­тельностью, мощностью, КПД, а для компрессоров с водяным охлаждением также расходом и начальной температурой охлаж­дающей воды.

За начальные принимают параметры газа вблизи входа во всасывающий патрубок компрессора: абсолютное давление р,„ начальная температура tH и относительная влажность фн.

Массовая производительность Q— это масса газа, который за­сасывается в единицу времени через сечение всасывающего пат­рубка, исключая газ, подсасываемый из различных полостей компрессора.

Объемная производительность G связана с массовой произво­дительностью зависимостью Q = G/pH, где р„ — начальная плот­ность газа, кг/м3.

За конечное давление рк принимают давление вблизи выхода газа из нагнетательного патрубка.

Степенью сжатия г называют отношение Рк/Рн-

156

Мощность компрессора N — мощность, измеренная на муфте привода компрессора.

Изотермический КПД Циз определяют отношением Акз/А, где Лиз—работа при изотермическом сжатии газа; А— работа, за­траченная в действительности на сжатие газа.

Теоретический напор, создаваемый центробежным компрессо­ром, определяют по формуле Эйлера: Hi = c2v2 cos a2/g-



Формула для расчета теоретического напора действительна только при радиальном входе газа в рабочее колесо и бесконеч­ном числе лопаток. Действительный напор определяют по формуле Нд=K(с2V2 cos a2/g),

где К — общий коэффициент напора, учи­тывающий конечное число лопаток, по­тери на трение газа внутри компрессора, равен 0,5 для колес с лопатками, загну­тыми назад.

При одностороннем всасывании газа ротор центробежного компрессора испы­тывает действие силы, направленной по оси вала в сторону всасывания. Уравно­вешивание осевой силы достигается сим­метричным по линии всасывания распо­ложением рабочих колес на валу, а так­же установкой разгрузочного поршня — думмиса.

Разгрузочный поршень (рис. 79) представляет собой диск 3, смонтированный на валу за рабочим колесом 1 последней ступе­ни. Диск на ободе имеет лабиринтное уплотнение. Вставные коль­ца 2, укрепленные в корпусе компрессора, вместе с выступами и впадинами на ободе думмиса обеспечивают необходимое уплот­нение. Проникающий через уплотнение газ отводится на всасыва­ние компрессора. Силы, действующие па думмис, должны урав­новешивать осевую силу, но так как думмис не обеспечивает пол­ного уравновешивания, то центробежные компрессоры имеют опорно-упорные подшипники.

При работе центробежного компрессора его вал вращается с некоторым прогибом, так как на вал непрерывно действуют две силы: центробежная, направленная перпендикулярно оси враще­ния вала, стремящаяся увеличить, прогиб, и сила массы, направ­ленная вниз. При вращении вала эти силы то совпадают по направлению, то направлены в противоположные стороны. В ре­зультате этого на вал действует переменная по значению сум­марная сила, частота изменения которой зависит от частоты вра­щения вала. Если при определенной частоте вращения вала ча­стота изменения этой силы равна частоте собственных колебаний вала, то наступает явление резонанса. Резонансная частота вра­щения называется критической, так как вал вместе с колесами,

157

а также подшипники и корпус испытывают сильные колебания и вибрацию.

Если вал работает с частотой вращения ниже критической, то такой вал называется жестким, если выше критической — гибким.

Рабочая частота вращения вала для жестких валов 0,7—0,8, для гибких— 1,2—1,3 об/мин.

Длительная работа компрессора при критической частоте вра­щения не допускается. В компрессорах с гибким валом переход через критическую частоту вращения во время пуска должен



быть по возможности более быстрым.

Характеристикой центро­бежного компрессора служат графики зависимости основ­ных его параметров: давления, мощности и КПД от произво­дительности.

Каждый компрессор нагне­тает сжатый газ в определен­ную сеть, состоящую из тру­бопроводов, аппаратов, арма­туры и др. Для определения режима работы центробежно­го компрессора строят харак­теристику сети. Режим работы выбирают по максимальному значению КПД.

Точку А пересечения характеристики компрессора с характери­стикой сети называют предельной рабочей точкой, определяющей предельную производительность Qa при постоянной частоте враще­ния (рис. 80).

Кривая характеристики Q—р состоит из двух ветвей: восходя­щей, называемой зоной неустойчивой работы, и нисходящей, назы­ваемой зоной устойчивой работы. Рассмотрим работу компрессора в этих зонах. Нагнетательный трубопровод и присоединенная аппа­ратура имеют определенную вместимость. Предположим, что пер­воначальная рабочая точка К находится на нисходящей ветви кри­вой характеристики Q—р. Этой точке соответствует режим работы: производительность Q*, давление Рк, мощность Nk, КПД щ- Если потребление газа возрастает, то рабочая точка переместится впра­во и производительность компрессора увеличится, т. е. станет рав­ной потреблению. Однако в данную сеть компрессор большую про­изводительность, чем Qa, дать не может.

Если потребление газа уменьшается, то рабочая точка К сме­щается влево, при этом производительность компрессора умень­шится, а давление в сети возрастет. Максимальное давление, кото­рое может развить компрессор, равно рв- Этому давлению соответ­ствуют на характеристике Q—р точка В и производительность Qb-

Точка В называется критической, так как при дальнейшем умень­шении подачи работа машины становится неустойчивой.

При дальнейшем уменьшении потребления газа давление в сети еще больше возрастет и становится выше рв — максимального дав­ления, развиваемого компрессором при данной частоте вращения. Тогда часть сжатого газа из сети поступает на рабочие колеса» производительность компрессора падает до нуля, он не нагнетает газ, а потребляет. Компрессор начинает издавать резкий свистя­щий звук, сильно вибрировать. Поскольку потребление газа не пре­кращается, то происходит освобождение сети, и давление в ней быстро падает, становясь меньше давления холостого хода (точка С). При этом давлении компрессор снова развивает большую про­изводительность, соответствующую точке Е на рабочей характери­стике. Сеть быстро наполняется, давление в ней возрастает выше Рв, производительность компрессора снова падает. Это явление на­зывается помпажем. Таким образом, помпаж — неустойчивая рабо­та компрессора, сопровождающаяся в течение короткого проме­жутка времени резким изменением производительности и направ­ления движения газа. Помпаж сопровождается вибрацией компрес­сора, усилением шума и нагрева его при работе. Так как работа компрессора в зоне помпажа не допускается, то центробежные компрессоры снабжают антипомпажными устройствами. Наиболее простой способ предотвращения помпажа — выпуск сжатого газа в атмосферу или линию всасывания компрессора, осуществляемый автоматически. В некоторых компрессорах к напорному трубопро­воду подключен регулятор количества, который с помощью серво­мотора воздействует на антипомпажный клапан. Регулятор коли­чества вступает в действие при уменьшении производительности машины до минимально допустимой, т. е. Qb-

В центробежных компрессорах регулирование может быть вы­полнено по следующей схеме:

а) изменение производительности при постоянном давлении;

б) изменение давления при постоянной производительности;

в) одновременное изменение производительности и давления.
Изменение частоты вращения вала, если привод компрессора

позволяет это сделать, — один из экономичных способов регули­рования турбокомпрессорных агрегатов. Дросселирование на вса­сывании уменьшает массовую производительность компрессора, но и несколько уменьшает КПД. Перепуск газа с нагнетания на вса­сывание или в атмосферу прост, но не экономичен, так как теряет­ся часть работы, затраченной на сжатие. При использовании из­лишков газа для работы газовой турбины часть энергии, затрачен­ной на сжатие, возвращается.

Каждый из способов регулирования может быть осуществлен вручную или автоматически.

§ 63. Основные сборочные единицы центробежных компрессоров

Корпуса. Могут быть выполнены из чугуна и стали литыми и с горизонтальным и вертикальным разъемом. Разъем необходим для монтажа и демонтажа внутренних частей компрессора. Корпу­са вентиляторов и воздуходувок чаще выполняют сварными из листовой стали. Для сжатия агрессивных газов корпуса делают литыми или сварными из специальных сортов легированной стали. Для увеличения КПД компрессора внутренние каналы корпусов должны быть по возможности более гладкими.

Рабочие колеса. Бывают двух типов: открытые и закрытые. От­крытые колеса могут быть с односторонним и двусторонним подво­дом газа, с загнутыми или радиальными лопатками, выфрезерован-ными из целой поковки заодно с втулкой. Открытые колеса исполь­зуют преимущественно в передвижных компрессорах низкого дав­ления. Закрытые рабочие колеса применяют в компрессорах ста­ционарных и выполняют сборными. Они состоят из диска, кольца и лопаток.

При больших окружных скоростях в рабочих колесах возника­ют значительные напряжения. Поэтому диски и кольца колес от­ковывают из высоколегированной стали с последующей механиче­ской и термической обработкой. Лопатки изготовляют из листовой стали или алюминиевого сплава с отбортовкой Z-образной формы и крепят к диску и кольцу потайными заклепками, проходящими через отверстия в отбортованных местах. Часто заклепками слу­жат штыри, выфрезерованные заодно с телом лопатки.

Иногда закрытые колеса отливают полностью из алюминиевого сплава.

Собранное или отлитое рабочее колесо тщательно балансиру­ют. Насаженное на вал колесо соединяют с ним одной или двумя шпонками. Валы компрессоров прямые, ступенчатые, стальные, ко­ваные, места для подшипников тщательно обрабатывают.

Подшипники. Могут быть подшипники скольжения и каче­ния. Опорный подшипник скольжения имеет вкладыши стальные или чугунные, залитые баббитом. Опорно-упорные подшипники ис­пользуют гребенчатого типа: в баббите вкладыша есть концентри­ческие канавки, а на валу — входящие в них концентрические вы­ступы. Для восприятия осевого усилия, действующего на ротор ком­прессора, применяют опорно-упорные подшипники системы Мит-челя.

Подшипники качения могут быть шариковые или роликовые, в зависимости от нагрузки на них.

Лабиринтные уплотнения. Устанавливают между ступенями и в местах выхода из корпуса компрессора. Назначение лабиринт­ных уплотнений —не допускать перетока газа из ступени в ступень и утечки его наружу. В зависимости от давления применяют пря­моточные или ступенчатые лабиринтные уплотнения (рис. 81).

160

В прямоточном лабиринте сделаны концентрические выступы и впадины на одной части компрессора — подвижной или неподвиж­ной. Обычно они выполняются на неподвижной части в виде встав­ных гребенчатых колец 1 (рис. 81, а) или колец со срезанными кромками 2 (рис. 81, б). Кольца изготоь" ляют из мягких материалов — алюминия, меди, бронзы и др.

Ступенчатые лабиринтные уплотнения образуются выступами и впадинами на по­движной и неподвижной части компрессо­ра. На подвижной части делают проточки и соответственно им в неподвижную часть вставляют гребенчатые или со срезанными кромками кольца. В некоторых компрессо­рах устанавливают елочное лабиринтное уплотнение.

При сжатии вредных или взрывоопас­ных газов лабиринтные уплотнения на вы­ходе вала из корпуса снабжают гидравли­ческим затвором, состоящим из кольцевой камеры и укрепленного на валу диска. В камеру под определенным давлением под­водятся вода или другая жидкость.

Направляющие аппараты (диффузоры). Служат для уменьшения скорости газа, что приводит к преобразованию части кинети­ческой энергии в потенциальную энергию давления. Направляющие аппарата бывают двух типов: лопаточные и безлопаточные. Безлопаточные аппараты представляют со­бой кольцевую шель, образованную непод­вижными стенками двух вставленных кольцевых дисков или образованную в кор­пусе компрессора при отливке.

Лопаточные направляющие бывают с подвижными и неподвижными лопатками. Направляющие аппа­раты с неподвижными лопатками отливают из стали или чугуна в виде двух кольцевых дисков, между которыми расположены лопатки. В некоторых компрессорах направляющий аппарат от­лит из чугуна с одним диском и лопатками. Такой аппарат со­стоит из двух половин, вставленных в специальные щели корпуса. Направляющие аппараты с поворотными лопатками применяют для регулирования производительности компрессора.