2631

либо штампуются. Соединение отштампованных лопаток с дисками осуществляется с помощью заклепок, сварки, пайки.

Рис. 10. Ступень центробежного компрессора с рабочим колесом закрытого типа

При окружных скоростях более 300 м/с применяются полуоткрытые рабочие колеса, у которых отсутствует передний покрывающий диск (рис. 12). Лопасти и ведущий диск получают фрезерованием либо электроэрозионной обработкой из одной поковки.

Отводящее устройство предназначено для преобразования кинетической энергии потока в потенциальную энергию (давления) и подачи потока в следующую ступень через обратный направляющий аппарат либо в нагнетательный трубопровод.

50

Рис. 11. Рабочее колесо закрытого типа: 1 — задний (внутренний) диск; 2 — лопатка; 3 — передний (внешний) диск; 4 — ступица

Рис. 12. Рабочее колесо полуоткрытого типа

Совершенствование конструкций центробежных машин привело к использованию их там, где традиционно применя-

51

лись другие типы компрессоров - в области средних и малых производительностей вплоть до 20 кг/мин.

В последние годы на смену громоздким центробежным компрессорам, занимающим вместе со вспомогательными системами большие производственные площади, приходят гораздо более компактные многовальные (иногда называемые мультипликаторными) компрессоры.

Характерной особенностью компрессоров многовального типа является жёсткий литой корпус, в котором установлено ведущее зубчатое колесо, а на его периферии несколько ведомых шестерён. Приводной электродвигатель вращает центральный вал с зубчатым колесом, которое, в свою очередь, приводит во вращение шестерёнки, выполненные на валах с консолями, на которых установлены центробежные рабочие колёса. Такая схема позволяет оптимальным образом выбирать требуемые частоты вращения каждого рабочего колеса, добиваясь максимального к. п. д. Кроме того, такие компрессоры оснащены эффективной системой регулирования для обеспечения экономичной работы компрессора в широком диапазоне рабочих режимов.

Наличие зубчатого зацепления, высокая частота вращения рабочих колёс (до 30 тыс. об/мин), быстроходные подшипники и уплотнения требуют высокой технологической культуры производства, современных материалов, высокой точности изготовления и сборки, а также надлежащего обслуживания.

Конструктивная схема машины позволяет получить компактную компоновку, не требующую установки отдельных вспомогательных систем и устройств, таких, как, например, для традиционных центробежных компрессоров: промежуточного охлаждения воздуха, маслосистемы, повышающего редуктора и др. Промежуточные воздухоохладители устанавливаются непосредственно во всасывающих патрубках ступеней, маслобаком служит полая рама. Благодаря таким конструктив-

52

ным решениям удалось получить блочную компрессорную установку (т. е. всё оборудование смонтировано на одной общей раме), что значительно упрощает транспортировку компрессора и намного сокращает капитальные затраты на её установку.

Современные осевые компрессоры газотурбинных установок имеют степень повышения давления до 25-35 и выше. В зависимости от скорости газового потока в рабочих органах различают дозвуковые и сверхзвуковые осевые компрессоры с турбоили электроприводом с частотой вращения 500 об/мин и более. В настоящее время осевые компрессоры стали использоваться в отраслях промышленности, где ранее применялись только центробежные компрессоры.

Существенные конструктивные и технологические усложнения многовальных компрессоров с лихвой окупаются экономичностью их эксплуатации.

Стационарные и транспортные компрессорные машины производительностью более 1000 м3/мин и с относительно небольшой степенью повышения давления (ε = 10-15) - это осевые компрессоры. В большинстве случаев – это многоступенчатые машины, применяемые в авиационной, криогенной технике, в машиностроительной, газовой, химической, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности.

На рис. 13 приведена схема многоступенчатого осевого компрессора. Лопатки 2 рабочего колеса компрессора представляют собой профили, изготовленные таким образом, что воздух, входящий при вращении этих лопаток с большой относительной скоростью, у выхода теряет часть этой скорости, вследствие чего происходит приращение напора. В направляющих аппаратах 1, 3 и 4 воздух или газ только меняет свое направление для входа на лопатки следующего ряда, или одновременно теряет значительную часть абсолютной (по отношению к неподвижным направляющим аппаратам) скорости и получает дополнительное давление.

53

Осевые компрессоры стационарных установок имеют преимущество перед центробежными - более высокие значения КПД, масса и габариты для стационарных установок большого значения не имеют. Стоимости крупных стационарных установок центробежных и осевых компрессоров примерно одинаковы.

С другой стороны, осевые компрессоры имеют ограниченный диапазон рабочих режимов из-за помпажа, чувствительности к коррозии и эрозии (коррозия - это разрушение материала, вызванное химическими процессами на поверхности, а эрозия - это разрушение металла от механического воздействия частиц абразива и жидкостей, находящихся в сжимаемом газе или воздухе). Поэтому в промышленности воздушные осевые компрессоры используются в основном как технологические: для компрессорных станций общего назначения их не применяют.

В отличие от поршневых компрессоров турбокомпрессоры обладают свойством работать при различных режимах их эксплуатации. Каждый турбокомпрессор имеет индивидуальную характеристику, зависящую от конструкции машины.

Режим работы турбокомпрессора характеризуется производительностью (подачей) Q, конечным давлением Р, а также числом оборотов я, потребляемой мощностью N и коэффициентом полезного действия η.

Зависимость между перечисленными параметрами при постоянном числе оборотов изображена кривыми на рис. 14. Характеристика «подача — давление» является нормальной характеристикой турбокомпрессора.

Точка К на кривой нормальной характеристики показывает, что при производительности турбокомпрессора Qк достигается наибольшее давление Pк. Эти производительность и давление называются критическими, а точка К — критической точкой. Влево от точки К турбокомпрессор работает неустойчиво, а вправо от точки К имеется некоторое равновесие, т. е.

54

при возрастании потребления сжатого воздуха давление в сети трубопроводов снижается, и турбокомпрессор подает в сеть больший объем воздуха, а при уменьшении расхода воздуха давление в трубопроводе увеличивается, вследствие чего подача турбокомпрессора уменьшится.

Рис. 13. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1 – входной направляющий аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – спрямляющий аппарат; 5 – подшипник; 6 – уплотнение; 7 – диффузор; 8 – ротор; 9 – корпус (цилиндр); 10 – конфузор

55

В случае продолжающегося уменьшения расхода воздуха в сети и возрастания давления в трубопроводе влево от точки К турбокомпрессор перестает поддерживать наибольшую величину давления Рк и прекращает подачу воздуха. В это время воздух из сети устремляется в турбокомпрессор, вызывая резкое сотрясение трубопровода и машины.

56

Как только давление в напорном трубопроводе снижается до Ро, действие турбокомпрессора восстанавливается; он начинает подавать в сеть сжатый воздух в количестве, большем, чем требуется потребителям. Давление в сети опять повышается до Рк, подача турбокомпрессора опять снижается до нулевого значения. Это явление ритмически повторяется и носит название «помпаж». При этом турбокомпрессор работает ненормально, шумно, толчками и действует обратный клапан.

Помпаж вызывается рядом причин, основная из которых - срыв потока с лопастей (или запирание потока газа в межлопаточных каналах колеса) при предельном снижении производительности и одновременном повышении давления нагнетания. В помпажной точке производительность компрессора падает до нуля и компрессор начинает работать на холостом ходу. Но в дальнейшем давление в сети снижается в связи с разбором воздуха и компрессор возобновляет свою работу на сеть. Цикл помпажа «нагрузка-разгрузка» может протекать очень быстро - от нескольких секунд до минут и сопровождается повышенной вибрацией всей компрессорной установки, бросками тока в электроприводе и т. д., в результате чего компрессорная установка выходит из строя.

В эксплуатационных условиях помпаж предотвращается при помощи автоматического антипомпажного клапана, установленного после компрессора. Клапан настраивается на предельное давление, несколько меньшее допустимого давления по условиям помпажа, и сбрасывает воздух в атмосферу, искусственно повышая производительность компрессора и ограничивая подачу воздуха в сеть.

Турбокомпрессор имеет следующие преимущества перед поршневым и роторным компрессорами:

-повышенное число оборотов;

-сжимает большие объемы воздуха;

-имеет меньшие габаритные размеры;

-обладает меньшим весом и большей компактностью;

57

-требует меньшего фундамента из-за малых габаритов машины и хорошо сбалансированного ротора;

-не имеет клапанов;

-имеет более равномерную подачу воздуха;

-прост и удобен в обслуживании;

-надежен в эксплуатации;

-обладает саморегулируемостью;

-сжатый воздух не загрязнен парами масла;

-температура воздуха на выходе из компрессора не превышает 80 0С.

Недостатки турбокомпрессора в сравнении с поршневыми машинами следующие:

-меньший к. п. д.;

-ограниченное давление, в основном до 1 МПа;

-неустойчивость при параллельной работе;

-из-за наличия промежуточных охладителей очень часто возникает необходимость в устройстве подвала в машинном зале.

Турбокомпрессоры имеют также меньшие расходы на смазку, ремонт и обслуживание.

Первоначальные затраты на устройство компрессорной станции с поршневыми компрессорами значительно выше, чем с турбокомпрессорами.

Однако необходимость в применении турбокомпрессоров возникает только на крупных промышленных предприятиях и в опытных исследовательских установках, где сжатый воздух расходуется в больших количествах для ведения производственных процессов или в качестве технологического сырья.

Центробежные компрессоры выполняются по разнообразным схемам и конструкциям проточной части, отдельных узлов и деталей. Их изготовляют одноступенчатыми и многоступенчатыми. В центробежных компрессорах в зависимости от требуемого конечного давления в одном корпусе размеща-

58

ют до восьми ступеней. После сжатия в секции, состоящей из одной-трех неохлаждаемых ступеней, газ охлаждается в промежуточных теплообменниках.

Основные отечественные производители воздушных центробежных компрессоров - ОАО «Казанькомпрессормаш» (г. Казань) и ОАО «Дальэнерго» (г. Хабаровск). ОАО «Казанькомпрессормаш» - одно из ведущих российских производителей компрессорного оборудования выпускает центробежные компрессоры (ЦК) на основе унифицированных рядов корпусов с горизонтальным и вертикальным разъемом производительностью 15-800 м3/мин и давлением до 4,5 МПа, а также многовальные мультипликаторные ЦК для воздуха и других газов производительностью 30-800 м’/мин И давлением до 5 МПа.

В конструктивном исполнении центробежных компрессоров общего назначения зарубежных производителей имеются лишь небольшие отличия. Все компрессоры поставляются как моноблочная и полностью протестированная установка, которой требуется только подключение для воздуха, охлаждающей воды и электроэнергии. Моноблок занимает минимум площади и не требует фундамента и дополнительной защиты от вибрации. Система управления и защиты обеспечивает работу компрессора без обслуживающего персонала.

Компания «Atlas Copco» в настоящее время поставляет центробежные компрессоры модели ZH двухступенчатые производительностью 73-360 м3/мин на давление 0,45-0,56 МПа и трехступенчатые на давление 0,8-1,14 МПа. Стандартный модельный ряд ТА (Turbo Air) центробежных компрессоров фирмы «Turbo cooper» включает установки производительностью 15-315 м3/мин на давление 0,45-1,6 МПа. Фирма «Alup» выпускает компрессоры производительностью 9,7-65,5 м3/мин на давление 0,4-0,9 МПа.

59