6. Центробежные компрессоры

Устройство центробежного ком­прессора. Центробежные компрес­соры, как правило, выполняются многоступенчатыми. Две или три последовательно включенные ступе­ни составляют секцию (рис. 11), после которой газ обычно направля­ется в охладитель. Центробежные компрессоры выполняются двухсек­ционными с одним и трехсекцион­ными с двумя охладителями газа.

Схема многоступенчатого ком­прессора с двумя охладителями по­казана на рис. 12. Вал с наса­женными на него рабочими колеса­ми составляет ротор компрессора: все неподвижные элементы-диффузоры, обратные направляющие ап­параты, подводящий и отводящий патрубки заключены в корпус.

Многоступенчатые компрессоры с большой степенью повышения дав­ления (_к>10) имеют несколько корпусов. Ротор каждого корпуса имеет, как правило, свою частоту вращения, для чего между ними устанавливается промежуточный ре­дуктор.

Рабочее колесо состоит из переднего и заднего дисков и разме­щенных между ними лопаток посто­янной толщины (см. рис. 9). Та­кое рабочее колесо называется закрытым в отличие от полуот­крытого колеса без переднего диска, у которого лопатки отлиты или выфрезерованы за одно целое с основным диском. Рабочее колесо закрытого типа применяется при умеренных окружных скоростях (и₂<300 м/с), что обеспечивает степень повышения давления _к не более 1,5—1,7. Полуоткрытые коле­са ввиду сложности их изготовления применяются лишь в специальных компрессорах (авиационных нагне­тателях). Они позволяют работать при больших и₂=400—500 м/с, по­этому в них _к =4,0—4,5.

Лопатки рабочих колес в зависимости от угла выхода пото­ка _ подразделяются на радиаль­ные (_=90°), загнутые назад (_<90°) и загнутые вперед (_>90°). Все они, как правило, имеют безударный вход с радиаль­ным направлением потока (рис. 13).

Если c_1и=0, то выражение удельной работы (25) получит вид:

(30)

Из параллелограмма скоростей на выходе имеем:

и, следовательно,

(31)

Отсюда видно, что удельная рабо­та колеса существенно зависит от угла _, особенно при его малых и больших значениях.

При конструировании компрессо­ров стремятся достичь максимально возможного статического напора (удельной статической работы). Способность лопаток создавать ста­тический напор характеризуется степенью реактивности

(33)

(34)

Если принять, как это обычно бывает, с₁=с_1r=с_2r, то выражение (34) преобразуется к виду

(35)

Наибольший теоретический на­пор создают лопатки, загнутые впе­ред, наименьший—загнутые назад. Но лопатки, загнутые вперед, имея малую степень реактивности, созда­ют в основном скоростной напор и высокую скорость потока на выходе. Для преобразования скоростного напора в статический машины с та­кими лопатками должны иметь раз­витые диффузорные устройства, которые обладают низким КПД. Таким образом, чем ниже степень реактивности машины, тем обычно ниже ее КПД. Лопатки, загнутые вперед, применяют в рабочих коле­сах вентиляторов низкого и средне­го давления, где необходимо пере­мещать большие массы газа, а ста­тический напор не играет роли. Для высоконапорных машин (компрессоры, газодувки) выгоднее применять рабочие колеса с лопатками, загну­тыми назад; такие колеса создают наибольший статический напор.

­

Ра­диальные лопатки применяют в ра­бочих колесах машин упрощенного типа или в некоторых высоконапор­ных компрессорах с литыми колеса­ми (преимущественно в авиацион­ных нагнетателях).

Характеристики центробежных компрессоров. Характеристи­ками центробежной машины называются графически изобра­женные зависимости. Наиболее важной из них является зависи­мость между удельной работой (давлением) и подачей.

Для выходного сечения рабочего колеса с размерами D₂ и b₂ (см. рис.9) можно записать:

(36)

Подставляя значение c_2r из (36) в (32), получаем:

(37)

Из последнего соотношения получается уравнение характеристики цен тробежной машины при n₀=const:

(38)

Изменение подачи машины рез­ко влияет на гидравлическое сопро­тивление ее проточной части, про­порциональное квадрату средней скорости потока. Если сюда доба­вить потери напора из-за вихревых явлений в межлопаточных каналах и перетечек газа в проточной части, то действительный напор окажется ниже теоретического. Форма дейст­вительной характеристики l=f(V) в значительной степени зависит от формы теоретической характеристи­ки, приближаясь, к ней в области режимов малой производительности (рис.14). Действительные харак­теристики получают путем стендо­вых испытаний головного образца машин.

В отличие от поршневых ком­прессоров режим работы центро­бежных существенно зависит от формы их характеристики и характеристики сети (рис. 15). Если потребление газа в сети V_с станет меньше подачи машины V_a, то давленне в сети начнет повышаться. Рабочая точка А в этом случае нач­нет смещаться вверх по характери­стике (например, в точку A'), что в свою очередь вызовет снижение подачи машины до тех пор, пока не наступит равенство V_с=V_a. Для машины, имеющей пологую форму характеристики, подобные переход­ные режимы не влияют на устойчи­вость ее работы на сеть.

Иначе работает машина, имею­щая характеристику с максимумом. Здесь снижение подачи возможно лишь до критической точки K, в ко­торой р=р_макс и V=V_мин. Дальней­ший рост давления в сети машина преодолеть не в состоянии и станет работать на холостом ходу. Если при этом из сети будет расходовать­ся газ, то давление в ней постепенно упадет до р_мин, рабочая точка пере­местится по горизонтали в исходную позицию (точку А), а машина вновь станет работать на сеть.

Рассмотренный процесс перехода режима машины от нулевой подачи до рабочей и далее до V_мин носит название помпажа; он обычно имеет циклический характер, если V_мин> V_c. Явление помпажа опасно для высоконапорных машин (ком­прессоров, газодувок), поскольку толчкообразная подача газа вызы­вает сильную вибрацию установки и связанных с ней напорных трубо­проводов. В конечном счете машина может выйти из строя. Для предот­вращения помпажа применяют противопомпажные клапаны, устанавливаемые на нагнетательном трубопроводе непосредственно за компрессором. При достижении дав­ления, близкого к максимальному клапан открывается и выпускает газ наружу или перепускает его на вход машины, не позволяя тем самым снизить подачу ниже V_мин.