Конструкция и эксплуатация центробежного компрессора.

Лекция 9.

Центробежный компрессор (рис. 9.1) состоит из рабо­чего колеса 3, насаженного на вал 1, корпуса 2, диффузора 4, на­правляющего канала 5. Передача энергии потоку газа с вала цент­робежного компрессора осуществляется рабочим колесом с профилированными лопастями. Внутренняя полость рабочего колеса (межлопастные каналы) образуется двумя фасонными дисками 6 и 7 и несколькими лопастями колеса 3. Диск 7 называется основным или ведущим, а диск 6 — покрывающим или ведомым.

Рис. 9.1.Схема центробежного компрессора.

Газ, поступая в межлопастные каналы, вращается вокруг оси рабочего колеса, под влиянием центробежных сил перемещается к периферии рабочего колеса и выбрасывается в канал, окружаю­щий колесо.

Работа центробежных сил на пути от входа в межлопастные каналы до выхода из них приводит к увеличению энергии газа.

Вал центробежного компрессора соединяется с валом приводного двигателя или непосредственно, или через механическую переда­чу, повышающую частоту вращения вала компрессора, в результате чего достигается уменьшение размеров компрессора, снижаются его масса и стоимость.

Центробежные компрессоры применяются в системах наддува дизель-генераторных установок, а также в качестве компрессоров холодильных машин систем холодоснабжения.

Давление ступени центробежного компрессора.Рабочее колесо а (рис. 9.2), кольцевой отвод (диффузор), направляющий аппарат б и обратный направляющий аппарат в, взятые совместно, называют ступенью давления или просто ступенью компрессора. Рабочее ко­лесо и обратный направляющий аппарат разделены диафрагмой г. В многоступенчатых компрессорах ступени включены в поток газа последовательно.

Рис. 9.2.Схема ступени центробежного компрес­сора

При протекании газа через каналы ступени состояние его изме­няется в результате передачи энергии потоку рабочим колесом, газового трения, вихреобразования и теплообмена со средой, окру­жающей компрессор.

Запишем баланс энергии потока на участке 1—2 (рис. 9.2).

Энергия газа в точке 1 на входе в межлопастные каналы

где с₁ — абсолютная скорость газа; с_р — теплоемкость газа; Т₁ — температура газа в сечении 1.

Энергия, передаваемая газу рабочими лопастями, по уравнению Эйлера

Энергия газа в выходном сечении (точка 2) межлопастных ка­налов

В направляющих аппаратах компрессора энергия потоку газа • мне не передается. Здесь происходит только преобразование кинетической энергии в потенциальную или наоборот.

Энергетический баланс на участке 3—4 при отсутствии теплообмена с окружающей средой будет

Отсюда следует

Мощность центробежного компрессора.Пользуясь адиабатным КПД, можно определить внутреннюю работу ступени:

При расчете мощности на валу компрессора следует учитывать энергию, расходуемую на преодоление механического трения в под­шипниках и газового трения нерабочих поверхностей колес, введением механического КПД, определяемого по формуле

Для современных конструкций компрессоров η_м = 0,96...0,98.

Утечки газа через уплотнения в центробежных компрессорах составляют не более 1,5 % номинальной подачи, и их влияние при ориентировочных расчетах можно не учитывать.

Удельная энергия компрессора с учетом механических потерь

При массовой подаче компрессора m (кг/с) мощность компрессора для привода рабочего колеса одной ступени

Мощность многоступенчатого компрессора выражается суммой мощностей отдельных ступеней.

Характеристики центробежных компрессоров.Характеристиками центробежного компрессора называются графики зависимостей степени повышения давления π, индикаторной мощности Р_и, политропного КПД η_пол от подачи компрессора при различных фиксированных значениях окружной скорости.

Универсальная характеристика центробежного компрессора представляет собой семейство индивидуальных характеристик, каждая из которых получена при М_и = const, где М_и — условное число Мaxa по окружной скорости (рис. 9.3). Индивидуальные характеристики получают при испытаниях компрессора на специаль­ных стендах, изменяя подачу дросселированием на нагнетании с помощью специальной заслонки или вентиля. При максималь­ной подаче из-за больших потерь в проточной части значения от­ношения давлений и КПД невелики. С уменьшением подачи по­тери в проточной части снижаются. При этом π и КПД возрастают. Оптимальному режиму работы соответствуют наименьшие по­тери и максимальное значение КПД.

Дальнейшее уменьшение подачи сопровождается снижением КПД. При минимальной или критической подаче наступает помпаж компрессора. Помпаж — это автоколебательный процесс в системе компрессор — сеть, при котором давление нагнетания периодически резко снижается, а направление движения газа изме­няется на обратное. При этом обычно слышны характерные «хлопки». Положение критической точки В начала помпажа зависит не только от компрессора, но и от свойств сети: ее объема и частоты собственных колебаний находящегося в ней газа. Помпажу обычно предшествует вращающийся срыв вихрей в колесе или диффузоре. Работа компрессора в режиме помпажа недопустима, так как она сопровождается колебаниями ротора и может привести к аварии.

Рис. 9.3.Характеристики центробеж­ного компрессора

На поле кривых π= f(m), где т — массовая подача (кг/с), нано­сятся линии постоянного КПД, наглядно показывающие область оптимальной работы компрессора, в которой лежит точка А, соот­ветствующая расчетному режиму работы (линия АВГД — харак­теристика сети).

Энергетические показатели центробежного компрессора в экс­плуатации определяются как его характеристикой, так и сетью, на которую он работает.

Регулирование работы центробежного компрессора.В зависи­мости от вида потребителей сжатого газа (пара) компрессорные установки делятся на две группы.

1. Компрессоры, потребители которых требуют подачи постоян­ного количества газа при переменном давлении.

2. Компрессоры, потребители которых требуют подачи воздуха с постоянным давлением при изменяющейся подаче.

В первой группе изменение режима работы компрессора называ­ют регулированием на постоянную подачу, во второй — на постоянное давление.

Рассмотрим характеристику π=f(m) компрессора совместно с характеристикой сети (рис. 9.4).

Рис. 9.4.График регулирования ком­прессора

Пусть нормальный режим установки определяется точкой Д при частоте вращения n (n₃ < п < n₄). Если требуется поддержи­вать подачу т = const, то рабочие точки режимов должны распола­гаться на линии АБ, параллельной оси ординат.

Повышение или понижение π при т = const определяется потре­бителем и может быть достигнуто только изменением частоты вращения вала компрессора. При этом следует иметь в виду, что точка Б определяет предельное значение степени повышения давления π_max. Выход за точку Б, лежащую на грани­це помпажа, недопустим. Поэтому центробежные компрессоры, ре­гулируемые изменением частоты вращения на постоянную подачу, должны снабжаться предохранительными клапанами, отрегулиро­ванными на конечное давление р_к = 0,9π_mахр_н. Это дает гарантию избежать помпажных режимов.

Если к компрессору предъявляется требование поддержания постоянной степени повышения давления π = const при переменной подаче, то возможные режимные точки должны располагаться на линии ВГ.

Точка В определяет предельное минимальное значение подачи по условиям помпажа. В этом случаедолжны располагаться на линии ВГ.

Точка В определяет предельное минимальное значение подачи по условиям помпажа. В этом случае компрессор должен быть снабжен автоматическим антипомпажным устройством, которое должно реагировать либо на динамический импульс с², либо на давление всасывания, зависящее от подачи компрессора.

При регулировании на постоянное давление (π= const) различ­ные режимы могут достигаться, как видно из графика, изменением частоты вращения вала компрессора. Если приводным двигате­лем компрессора является паровая или газовая турбина, то изме­нение частоты вращения достигается без затруднений регулирова­нием турбины. При использовании электропривода компрессора необходимо применение специальных типов двигателей с регули­руемой частотой вращения.

Из графика (рис. 9.4) видно, что при любом способе регулирования изменение частоты вращения приводит к уменьшению адиабатного КПД, т. е. к ухудшению использования энергии, подводимой на вал компрессора. Только в области частот вращения от n до n₄ имеет место незначительное повышение η_а при регулирова­нии на постоянную подачу.

Уменьшение КПД является существенным недостатком способом регулирования компрессора изменением частоты вращения.

Дроссельное регулирование при п — const инляется доступным во всех случаях и очень простым способом регулирования. Однако при заданных п и характеристике сети этим способом возможно регулирование только на уменьшение подачи. Регулирование можно проводить дросселем на напорном т всасывающем патрубках компрессоров; второе — выгоднее, так как требует меньших затрат энергии, как правило, пропорциональ­ных плотности дросселируемого потока газа.

Регулирование направляющим лопаст­ным аппаратом на входе находит в центробежных компрессорах ограниченное применение ввиду конструктивной слож­ности.

Регулирование перепуском или байпасированием, при котором сжатый газ со стороны нагнетания перепускается через дроссельное устройство на сторону всасыва­нии, энергетически самый неэффективный из методов регулирова­ния, однако очень просто осуществляется и обладает неограничен­ной глубиной регулирования, поэтому он достаточно широко при­меняется в процессе эксплуатации.