Центробежные и осевые компрессионные машины

Работа центробежных компрессионных машин основана на преобразовании кинетической энергии, сообщаемой газу центробежным колесом, в энергию давления. Принцип действия и теория рабочего колеса те же, что и у центробежных насосов. Однако в отличие от жидкости, перекачиваемой насосом, сжимаемый в компрессионной машине газ уменьшается в объеме при увеличивающейся плотности. Создаваемое центробежным колесом избыточное давление газа невелико (до 0,015 МПа).

Для получения более высоких давлений газа используют многоступенчатые машины.

В зависимости от создаваемого избыточного давления центробежные компрессионные машины делятся на турбокомпрессоры (рабочее давление более 0,3 МПа), турбогазодувки (рабочее давление в пределах 0,01÷0,3 МПа) и вентиляторы (рабочее давление до 0,01 МПа). Из перечисленных типов машин наиболее простое устройство имеют вентиляторы.

Центробежный вентилятор состоит из рабочего колеса, вращающегося внутри спирального кожуха, и станины (рис. 4.14). Всасывание газа происходит в центральную полость колеса. С целью преобразования скоростного напора в давление, выброс газа осуществляется через расширяющийся патрубок-диффузор. Различные модификации рабочего колеса отличаются главным образом профилем лопаток и их креплением. Как правило, рабочие колеса центробежных вентиляторов имеют лопатки, отогнутые назад, и лишь в специальных случаях – радиальные или отогнутые вперед.

В зависимости от развиваемого давления центробежные вентиляторы условно подразделяются на вентиляторы низкого давления (р < 10³ Па), среднего (р = (1÷3)∙10³ Па) и высокого (р = 3∙10³÷1×10⁴ Па).

Характеристики центробежных вентиляторов подобны характеристикам центробежных насосов (см. рис. 2.31).

Рисунок 4.14 – Центробежный вентилятор:
1 – кожух; 2 – рабочее колесо; 3 – всасывающий патрубок; 4 – нагнетательный патрубок

Зависимость изменения производительности, напора и мощности от числа оборотов колеса выражается формулами (2.77)–(2.79). Рабочий режим устанавливается по точке пересечения характеристики вентилятора с характеристикой сети (см. рис. 2.31).

Напор, создаваемый вентилятором, затрачивается на преодоление сопротивлений на линиях всасывания и нагнетания, а также на создание скоростного напора потока газа, выходящего из нагнетательного трубопровода, и на преодоление статической высоты столба газа Н_о:

либо , (4.52)

где – плотность газа; – скорость газа в нагнетательном патрубке вентилятора; Sz – сумма всех коэффициентов сопротивления на линии всасывания и нагнетания.

Значение статического напора вентилятора Н₀ практически очень мало и его можно не учитывать.

Диаметр всасывающего отверствия вентилятора определяется производительностью V и скоростью газа в отверстии w_вс:

. (4.53)

Скорость газа во всасывающем отверстии w_вс принимают равной 13÷30 м/с.

Диаметр колеса d_к вентилятора обычно равен или немного больше диаметра d_вс.

Мощность на валу вентилятора N_в:

, (4.54)

где η – к.п.д. вентилятора, определяемый произведением коэффициента подачи λ, гидравлического η_г и механического η_мех к.п.д., т.е. η = λ η_г η_мех.

Вследствие незначительной степени сжатия газа при расчете затрачиваемой вентилятором мощности изменением состояния газа при его сжатии пренебрегают, относя производительность и плотность газа к условиям всасывания.

Регулирование производительности центробежных вентиляторов производится посредством изменения числа оборотов, дросселированием всасываемого или нагнетаемого газа при помощи задвижки, а также изменением направления лопаток, установленных перед всасыванием.

Турбогазодувки. Турбогазодувки, в отличие от вентиляторов, бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми.

Рисунок 4.15 – Схема направляющего аппарата и диффузора

Одноступенчатые турбогазодувки представляют собой практически центробежные вентиляторы высокого давления (конечное давление газа обычно не превышает 1,15∙10⁵ Па).

Рабочее колесо турбогазодувки размещено внутри направляющего аппарата (рис. 4.15), в котором происходит преобразование кинетической энергии газа в потенциальную энергию давления. Направляющий аппарат представляет собой систему неподвижных лопастей, охватывающих рабочее колесо и направленных в сторону, обратную рабочим лопаткам (в соответствии с направлением потока газа, выходящего из колеса).

В многоступенчатых турбогазодувках на валу машины установлены несколько колес (обычно три), диаметры которых одинаковы, а ширина их в соответствии с изменением объёма газа при сжатии уменьшается в направлении от первого колеса к последнему. Таким образом, сжатие газа в каждой последующей ступени возможно без изменения скорости вращения или формы лопаток рабочих колес. Газ, пройдя через колесо первой ступени 2 (рис. 4.16), поступает в направляющий аппарат 3 и обратный канал 4, по которому подводится на следующее колесо. Обратный канал 4 снабжен неподвижными направляющими ребрами, с помощью которых газу придаются заданные направление и скорость. Поскольку степень сжатия в турбогазодувках невысокая (менее 3÷3,5), то газ в этих машинах не охлаждается.

Рисунок 4.16 – Схема многоступенчатой турбогазодувки: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – обратный канал

Теоретически процесс сжатия газа в неохлаждаемой турбогазодувке близок к адиабатическому. Практически же из-за трения газа о рабочие поверхности машины конечная температура газа на выходе из турбогазодувки будет несколько выше, а показатель политропы сжатия больше показателя адиабаты (m > k).

Однако эффективность сжатия газа в турбогазодувке оценивают величиной адиабатического к.п.д. как отношение работы адиабатического сжатия к затрачиваемой работе:

, (4.55)

где Т₁ – температура газа до сжатия; Т₂ – температура газа в конце адиабатического сжатия, рассчитываемая по уравнению (2.103); _– действительная (замеренная) температура газа на выходе из турбогазодувки.

Турбокомпрессоры. Турбокомпрессоры позволяют получить более высокие степени сжатия газа, чем турбогазодувки. Это достигается в результате увеличения числа рабочих колес до 16 и более, уменьшения объема каждой последующей ступени (за счет уменьшения не только ширины рабочего колеса, но и его диаметра), охлаждения газа между ступенями. Помимо этого, степень сжатия в турбокомпрессорах может быть повышена за счет увеличения скорости вращения рабочих колес (до 240–270 м/с).

Охлаждение сжимаемого газа в турбокомпрессоре осуществляется либо путем подачи воды в специальные каналы внутри корпуса, либо в выносных промежуточных холодильниках. Охлаждение газа в выносных холодильниках, установленных между несколькими неохлаждаемыми ступенями, более эффективно и облегчает очистку поверхности теплообмена.

Процесс сжатия газа в турбокомпрессорах аналогичен сжатию газа в турбогазодувках. После сжатия газа в группе неохлаждаемых колес его температура Т₂ также выше, чем температура в конце адиабатического сжатия. Так же, как и в турбогазодувках, увеличение температуры газа сверх адиабатической происходит вследствие дополнительного подогрева газа за счет тепла, выделяемого при трении его о лопатки и плоскости вращающихся рабочих колес. Межступенчатое охлаждение газа в турбокомпрессорах приближает процесс сжатия к изотермическому. Степень приближения характеризуют величиной изотермического к.п.д. η_из – отношением работы изотермического сжатия к затрачиваемой работе:

. (4.56)

Мощность турбокомпрессоров рассчитывают по уравнению

. (4.57)

Величина изотермического к.п.д. колеблется в пределах η_из = 0,5÷0,7.

В турбогазодувках и турбокомпрессорах подача не является постоянной величиной, а зависит от сопротивления системы, в которую подается газ. Как и для центробежных насосов, с увеличением подачи напор уменьшается, при этом возрастают потребляемая мощность и к.п.д. Типичная характеристика турбомашины представлена на рис. 4.17.

Участок левее точки С отражает неустойчивую работу машины, так как одному и тому же напору соответствуют разные расходы (V₁ и V₂), и газ подается неравномерно (явление помпажа). Устойчивая область работы машины соответствует участку характеристики правее точки С. Рабочая точка турбомашин при использовании одиночной машины, а также для двух параллельно или последовательно включенных машин, как и в случае центробежного насоса (см. рис. 3.18), находится на пересечении характеристики машины с характеристикой газопровода.

Рисунок 4.17 – Характеристика турбомашины

Колебания параметров производственного процесса приводят к необходимости регулирования производительности и давления турбогазодувок и турбокомпрессоров. При этом могут иметь место три варианта:

– изменение производительности при постоянном конечном давлении газа;

– изменение конечного давления газа при постоянной производительности;

– одновременное изменение производительности и давления сжатого газа.

Однако во всех случаях с учетом зависимости рабочая точка не должна располагаться левее точки С в области неустойчивой работы машины. Координаты рабочей точки получают либо искусственным изменением характеристики газопровода, либо характеристики самой машины, либо обеих характеристик одновременно.

Пересчет и перестройка характеристик центробежных компрессионных машин – линий и – производится по известному закону пропорциональности:

.

Перестройка характеристик турбогазодувок и турбокомпрессоров на другое состояние всасываемого газа выполняется исходя из того, что развиваемое давление и мощность на валу машины пропорциональны плотности всасываемого газа:

. (4.58)

Осевые компрессоры и вентиляторы. Осевые компрессоры и вентиляторы отличаются от центробежных направлением движения сжимаемого газа через них: газ входит в машину и выходит из нее в одном направлении – по оси. Осевое направление движения газа обусловливается конструктивными особенностями рабочего колеса, лопатки которого развернуты таким образом, что образуют винтовую поверхность. При вращении такого винта газ поступательно перемещается по оси, участвуя вместе с колесом во вращательном движении.

Рисунок 4.18 – Схема осевого компрессора: 1 – ротор; 2 – рабочие лопатки; 3 – корпус; 4 – направляющие лопатки

Основными частями осевого компрессора (рис. 4.18) являются ротор 1 с рабочими лопатками 2 и корпус 3, к внутренней поверхности которого прикреплены лопатки 4. Каждый ряд направляющих лопаток 4 и соседний ряд рабочих лопаток 2 образуют одну ступень. Кинетическая энергия газа, сообщаемая газу вращающимися лопатками, при его прохождении через направляющие лопатки превращается в статический напор. Каждый ряд направляющих лопаток служит входом в следующую ступень.

Степень сжатия газа в одной ступени осевого компрессора обычно не превышает 1,15–1,20, поэтому их делают многоступенчатыми
(10–20 ступеней) и без промежуточного охлаждения газа. При этом окружная скорость вращения рабочего колеса достигает 300 м/с.

Особая форма лопастей и небольшой зазор между ними и корпусом позволяют достигать более высокого коэффициента полезного действия, чем в центробежных машинах (η_ад = 0,90…0,92).

Характеристика осевого компрессора имеет крутой спад, так как резкие изменения напора приводят к небольшим изменениям производительности. Особенностью характеристики осевого компрессора является, помимо этого, небольшая область изменения подачи газа с высоким к.п.д., а также большая зона неустойчивой работы (75–90 % от расчетной производительности).

Рисунок 4.19 – Схема осевого вентилятора: 1 – кожух (корпус); 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки; 4 – рама

Производительность осевых компрессоров регулируется так же, как и производительность турбокомпрессоров. Применяют их при больших подачах и невысоких степенях сжатия (3,5÷4).

Осевые вентиляторы имеют одно лопастное колесо, заключенное в цилиндрический кожух (рис. 4.19). Число лопаток на колесе может быть от 2 до 16.

Вентилятор крепится в раме и устанавливается обычно в отверстие потолка или стены вентилируемого помещения, так как при незначительном значении развиваемого напора (р < 700 Па) подключение их к газопроводам, увеличивающим сопротивление, нецелесообразно.

Подобно осевым компрессорам осевые вентиляторы имеют круто падающие характеристические кривые и , а также широкую область неустойчивой работы.

Применяют осевые вентиляторы для перемещения больших количеств воздуха при очень малом напоре, а также в качестве дымососов для отсасывания горячих дымовых газов. В последнем случае подшипники вентилятора имеют водяное охлаждение.

К числу достоинств осевых вентиляторов относят прямоточное движение газа, компактность, реверсивность, более высокий к.п.д. по сравнению с центробежными вентиляторами.