ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Принцип действия и устройство.По принципу действия осевой компрессор подобен осевому насосу. Главное направление движения газа – вдоль оси вращения, траектории частиц газового потока расположены на цилиндрических или слегка конических поверхностях. Устройство осевого компрессора показано на рис. 13.19.

 

Рис. 13.19. Осевой компрессор

а – схема компрессора; б – ступень; в – замковый паз; 1 – корпус;

2 – ротор; 3 – подшипники; 4 – уплотнения; 5 – входной конфузор;

6 – входной направляющий аппарат; 7 – рабочий венец; 8 – напра-

вляющий венец; 9 – спрямляющий аппарат; 10 – выходной дифф-

узор

 

Ступень компрессора состоит из двух рядов (венцов) лопастей ротора и статора. Во входном направляющем аппарате перед первой ступенью поток закручивается в ту же сторону, что и направляющих аппаратах ступеней. Из последнего спрямляющего аппарата поток выходит в осевом направлении. Вместе с объёмом сжимаемого газа уменьшается высота лопастей в венцах. В первых ступенях отношение диаметра втулки к диаметру корпуса обычно бывает d_в / d_к = 0,5 – 0,7, а в последних ступенях 0,7 – 0,9. Применяют преимущественно две схемы проточной части: а) с постоянным диаметром корпуса, б) с постоянным диаметром ротора. Схема а позволяет снизить число ступеней, так как при прочих равных условиях средний диаметр проточной части в этой схеме больше, чем в схеме б, и, следовательно, мощность каждой ступени выше. Поэтому схему а применяют там, где в особенности необходимо уменьшить габариты и массу машины. Схема б удобна и проста для изготовления, и поэтому она более приемлема для компрессоров стационарных установок.

Лопасти осевого компрессора.Высокая эффективность осевых компрессоров (в некоторых машинах КПД превышает 0,91) достигнута применением аэродинамически совершенных лопастных аппаратов. Устройство ступени показано на рис. 13.19, б. Лопасти ротора 1 пилообразным хвостом с зубцами заводятся в кольцевую канавку ротора через замковый паз, соединённый с двумя смежными канавками (рис. 13.19. в). После установки лопастей в замок вставляются последовательно вставки 3, 4 и клин 5. Лопасти статора 2 вставляются в корпус непосредственно (см. рис. 13.19, б) либо крепятся к бандажным лентам, изогнутым в виде полуколец и образующим две половины вставного направляющего аппарата.

Тип лопастных аппаратов осевых компрессоров определяются по степени реактивности. Скорости потока в лопастных аппаратах осевой машины (компрессора, вентилятора, насоса) удобно изображать на общем чертеже (полигоне скоростей) – рис. 13.20.¹

 

 

Рис. 13.20. Планы скоростей в осевом компрессоре

_____________

¹ Имеется в виду режим безударного входа газа в межлопастные каналы на среднеквадратичном радиусе .

Форма полигона зависит только от входных и выходных углов наклона лопастей и поэтому может характеризовать тип лопастного аппарата. В свою очередь, форма полигона определяется тремя отношениями его сторон: (коэффициентом осевой скорости), (коэффициентом напора), (степени реактивности).

При значительных окружных скоростях (u ≥ 250 м / с) целесообразно применять тип аппарата, у которого θ = 0,5, треугольники скоростей симметричные, а профили рабочих и направляющих лопастей аналогичные. Теоретически, если θ = 0,5, аппарат наиболее экономичный. Изменение θ в любую сторону приводит к увеличению суммы квадратов средних скоростей , от которых зависят аэродинамические потери в статоре и роторе.

В компрессоре профили лопастей слабо изогнутые, поскольку при большом угле их изгиба в диффузорной решётке происходит отрыв потока. Поэтому геометрические разности скоростей ∆c_u и ∆w_u относительно невелики (коэффициент напора μ = 0,25 – 0,40), и при θ = 0,5 скорость c_1u > 0, т. е. поток перед рабочим венцом закручивается в сторону вращения ротора.

При умеренных окружных скоростях (200 – 250 м / с) применяют также аппараты со степенью реактивности θ = 0,5 – 0,8, а при небольших скоростях (160 – 220 м / с) – чисто реактивные (θ = 1), имеющие некоторые эксплуатационные достоинства.

Лопасти ротора и статора изготовляют так, что по их высоте степень реактивности может изменяться или оставаться постоянной. В различных ступенях компрессора аппараты могут быть подобными, отличающимися только высотой лопастей, или же с лопастями различного профиля в 3 – 4 группах ступеней.

Ротор компрессора выполняется чаще всего в виде барабана – составного или цельного. В первом случае полувалы ротора вставляют в барабан на горячей посадке, а во втором – ротор отковывается целиком. Так же как в центробежных компрессорах, в осевых применяют подшипники скольжения со смазкой их под давлением.

Корпусы компрессора – литые, с горизонтальным, а иногда вертикальным (в средней части) разъёмом. Если патрубки отлиты в нижней половине корпуса, то это удобно для демонтажа ротора, но при этом для присоединения снизу трубопроводов требуются высокие фундаменты.

Конструктивные формы осевых компрессоров.Осевые компрессоры строятся, как правило, многоступенчатыми. Проточная полость образуется межлопастными каналами венцов рабочих и направляющих лопастей и поверхностями корпуса и втулки.

В зависимости от формы внутренней поверхности корпуса и наружной поверхности втулки различают два основных геометрических типа проточной полости (рис. 13.21):

(13.41)

В обоих случаях радиальная длина рабочих и направляющих лопастей уменьшается в направлении от первой ступени к последней.

Изменение длины лопасти обусловлено уменьшением объёма газа при сохранении постоянного значения осевой скорости Последнее условие не является обязательным, и в некоторых случаях уменьшают осевую скорость в последних ступенях с целью уменьшения потерь энергии в них.

 

 

Рис. 13.21. Проточная полость осевого компрессора

 

Минимальная высота лопасти последней ступени приблизительно равна 40 мм.

Изменение длины лопасти в направлении движения газа приводит к изменению характерного для осевых машин значения втулочного отношения ν = d_вт / d_к.

Для первых ступеней ν_вх = 0,5 – 0,8, для последних ν_вых = 0,7 – 0,9.

Выясним особенности геометрических типов компрессоров, определяемых условиями (13.41).

1) d_вт = const; d_к = var. В этом случае втулка – цилиндрическая и изготовление её несложно. Корневые части и крепления рабочих лопастей всех ступеней во втулке совершенно одинаковы. Последние лопасти в этом варианте имеют при прочих равных условиях длины, большие, чем в варианте с d_к = const. В этом легко убедиться, составляя уравнения неразрывности для обоих вариантов и полагая осевые скорости одинаковыми.

Увеличенная длина лопастей хвостовых ступеней уменьшает потери энергии в них.

2) d_вт = var; d_к = const. В этой схеме упрощаются обработка корпуса и крепление в нём направляющих лопаток. Упрощаются и являются более надёжными обработка и пригонка внешних концов рабочих лопастей. Благодаря этому допускаются меньшие радиальные зазоры между концами рабочих лопастей и внутренней поверхностью корпуса, что повышает объёмный КПД ступеней. Окружные скорости лопастей в этом случае выше, чем при d_вт = const; это увеличивает работу ступеней, и при заданной степени сжатия компрессора число ступеней получается меньшим, чем в первом случае. Недостатком этой конструктивной схемы применительно к малым подачам являются малые длины лопастей хвостовых ступеней: КПД хвостовых ступеней снижается.

Кроме рассмотренных схем построения проточной полости иногда применяют и другие схемы с d_вт = var и d_к = var, не имеющие, однако, преимуществ перед рассмотренными.

Для стационарных осевых компрессоров применяют в большинстве случаев схему с d_вт = const.

Существенное влияние на энергетическую эффективность осевого компрессора оказывает аэродинамика подводящего и отводящего каналов. Они конструируются, как правило, в виде спиральных и осевых каналов переменного сечения (конфузоров и диффузоров).

Рассмотрим конструктивные формы рабочих и направляющих лопастей и способ их крепления во втулке и корпусе компрессора.

Лопасти осевых компрессоров в редких случаях являются цилиндрическими. Обычно они рассчитываются с переменным по длине коэффициентом реактивности или по условию rc_u = const. Это приводит к изменению угла установки элементов лопасти по её длине, и лопасть получается винтовой.

Корневое сечение лопасти 1 жёстко сопрягается с сухарём 2, служащим для закрепления лопасти во втулке. Лопасть и сухарь обычно выполняются из одного куска металла; в некоторых случаях свариваются. Боковые грани сухаря имеют криволинейные рифы (зубцы) 3 для крепления в канавках, проточенных во втулке. Сухари вводятся в канавку через специальный замковый колодец и разводятся по канавке до плотного соприкосновения торцовыми плоскостями (рис. 13.22).

 

 

 

Рис. 13.22. Конструкция рабочей лопасти Рис.13.23. Крепление направляющей

лопасти

 

После набора в канавку сухарей полного венца лопастей в замковый колодец закладывается с небольшим натягом холостой (без лопасти) сухарь, стопорящийся специальным винтом.

В некоторых конструкциях колодец для введения хвостовиков лопастей выполняется один на две кольцевые канавки. Это упрощает конструкцию крепления.

Направляющие лопасти могут крепиться к корпусу, или аналогично креплению лопастей к втулке, или способом, показанным на рис. 13.23. В этом случае лопатки группируются при помощи цилиндрических бандажных лент 1 и 2 в две секции; одна крепится к верхней половине корпуса компрессора, другая – к нижней. Стыки секций – в привалочных плоскостях половин корпуса. Способы крепления лопаток к бандажам и бандажей к корпусу ясны из рис. 13.23. На наружных концах направляющих лопаток отфрезерованы хвостовики 3, проходящие через сквозные отверстия в бандаже. С наружной стороны хвостовик приваривается к бандажу.

На внутренних концах направляющих лопаток отфрезерованы стерженьки, пропускаемые через отверстия в бандаж 2 и расклёпываемые в нём.

Для увеличения жёсткости пакета к наружному бандажу 1 приваривается кольцо жёсткости 4, плотно входящее в цилиндрическую выточку в корпусе. Весь пакет предохраняется от проворачивания в корпусе штифтом 5.

Примеры конструкций.На рис. 13.24 изображены боковой вид и продольный разрез двадцатиступенчатого осевого компрессора. Компрессор имеет промежуточный отбор после восьмой ступени и, следовательно, подаёт воздух двух давлений.

 

 

Рис. 13.24. Осевой компрессор:

1 – опорный подшипник; 2 – барабан; 3 – корпус; 4 – патрубок промежуточного

отбора; 5 – диффузор; 6 – переходные патрубки; 7 – опорно – упорный подшип-

ник; 8 – фланец жёсткой муфты

 

Компрессор выполнен с постоянным внутренним диаметром корпуса (см. рис. 13.21, б). Корпус имеет разъём в горизонтальной плоскости. Подвод и вывод воздуха – в осевом направлении. Ротор массивный, большой массы.

Подшипники скользящего трения. Восприятие осевой силы – упорным подшипником, расположенным со стороны двигателя.

Для облегчения технологии корпуса входная и выходная крышки его выполнены отъёмными.

Уплотнения вала на входе и выходе гребёнчатые.

Конструкция в целом типична для стационарных компрессоров.

Рисунок 13.25 даёт представление о конструкции стационарного осевого компрессора. Компрессор выполнен по схеме с постоянным диаметром ротора и коническим корпусом. Подвод и отвод воздуха в поперечном направлении снизу через патрубки, составляющие одно целое с левой и правой половинами корпуса.

Ввиду большой длины корпуса он выполнен из двух половин, стыкующихся в плоскости, нормальной к оси вала.

 

Рис. 13.25. Осевой компрессор с постоянным диаметром ротора

 

Ротор облегчённый, оригинальной конструкции, выполнен из двух основных частей: цилиндра, несущего венцы рабочих лопастей, и торцовых вставок, жёстко посаженных в цилиндр, составляющих одно целое с валами. Подшипники скользящего трения. Подпятник гидродинамический, сегментного типа. Концевые уплотнения гребёнчатые с защитой шеек валов специальными втулками. Соединение с двигателем жёсткой муфтой. Подача компрессора около 70000 м³ / ч при степени повышения давления 3,4.