2. 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. 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,

Рис.1 Схема четырехступенчатого турбокомпрессора

что степень повышения давления в одной ступени компрессора 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 кор­пусе. В этом случае газ поступает в следующую сту­пень по каналам, образованным лопатками направляю­щего аппарата.

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

Основными элементами центробежного компрессора (рис. 18.1) являются: подводящее устройство, рабочее колесо 1 с лопастями 2 и диффузор (кольцевой отвод) 3. Газ, находящийся в рабочем колесе между лопастями, при вращении рабочего колеса получает энергию от лопастей и вращается вместе с ними. При этом возникают центробежные силы, под их действием газ выбрасывается из колеса в диф­фузор, в котором скорость его снижается, а давление увеличивается. Для повышения эффективности работы диффузора по превращению кинетической энергии в потенциальную предназначены лопатки 4, упорядочивающие движение газа. Из диффузора газ, пройдя направ­ляющий аппарат 5, поступает на прием следующей ступени компрессора. Так как под действием центробежных сил газ в рабочем колесе дви­жется от центра к периферии, то в зонах, расположенных у оси вращения, давление снижается и происходит всасывание газа.

Рис.2 Схема ступени центробежного компрессора

1 — рабочее колесо; 2 — лопатки; 3 — кольцевой отвод; 4 — диффузорные лопатки

холодиль­ника, к недостаткам — низкий КПД холодильника.

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. 5.), либо к обеим частям корпуса. Охлаждамый газ протекает в межтрубном простран­стве холодильника, а в трубах протекает ох-

даю­щая вода.

Рис.3. Схема подключения промежуточного холодильника к нижней части корпуса ком­прессора

При присоединении холодильника к нижней части корпуса газ из компрессора по улитке 1 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

Повысить КПД можно присоединением холодильника к обеим частям корпуса.

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.

Часто центробежные компрес­соры с внешним охлаждением используют для сжатия воздуха для пневматического оборудования и инструментов. Давление нагнетания в этих машинах составляет 0,6—0,9 МПа.

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.6), то можно уви­деть, что с уменьшением подач и 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 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.

Рис.4 Напорная характе­ристика центробежного комп­рессора и линии регулирова­ния

/—для p = const, 2 —для p=/(Q), 3 — для Q = const

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 Qi меньше Q_Kp, то компрессор настраивают на подачу Q₂, которая больше Q_Kp и лежит в устойчивой зоне. Раз­ность расхода, равная Q₂—Qi> 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. 6 пря­мой /; 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.