книги из ГПНТБ / Хушпулян, М. М. Технико-экономические показатели современных компрессоров и установок
.pdfот 153 до 339 м 3/м и н . Корпуса компрессоров рассчитаны для работы на давление 422 кгс/см2. Мощность установок, состоя щих из нескольких последовательно работающих центробежных компрессоров, достигает 20 000 л. с.
Расчеты роторов центробежных компрессоров осуществля ются фирмой с применением электронно-вычислительных ма шин. Рабочие колеса выполняются литыми (под давлением), клепанными, коваными и сварными. Корпус компрессора из готовляется из кованой или легированной стали, в который вставляется сегментированный ротор, состоящий из рабочих колес и направляющих аппаратов.
Компрессорная установка для закачки газа в пласт состоит из двух вертикально-разъемных компрессоров. Производитель ность каждого из них равна 339 м3/мин, давление нагнетания —
175 кгс/см2 при давлении всасывания 10-кгс/см2. |
Приводом этих |
|||||||
компрессоров является газовая турбина. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Таблица 35 |
|
|
|
Т ехническая харак тери сти ка |
центробеж ны х ком прессоров |
|
|
||||
|
|
фирмы « И н гер сол л -Р эн д » |
|
|
|
|
||
|
Пропзво- |
|
Частота |
Вес ком- |
Габариты, |
мм |
|
|
|
Число |
|
|
|
|
|||
Марка |
дитель- |
враш,е- |
|
|
|
|
||
иость. |
ступеней |
пня вала, |
ра, кг |
|
ширина |
высота |
|
|
|
м3/мии |
|
об/мин |
|
|
|||
|
|
Г о р и з о н т а л ь н о-p а з ъ е м и ы е |
|
|
|
|||
24 |
153 |
9 |
10 000 |
1814 |
1270 |
1080 |
610 |
|
33 |
212 |
9 |
10 000 |
3 720 |
1676 |
1346 |
1118 |
|
42 |
339 |
9 |
7 900 |
5 900 |
1905 |
1625 |
1244 |
|
52 |
651 |
8 |
7 000 |
4710 |
1651 |
1624 |
1575 |
|
65 |
850 |
7 |
5 170 |
8 165 |
2082 |
2335 |
1700 |
' |
77 |
1190 |
7 |
4 650 |
14514 |
2364 |
2389 |
1980 |
|
87 |
1610 |
7 |
3 800 |
23 133 |
2719 |
2548 |
2210 |
|
100 |
2120 |
7 |
3 320 |
34 473 |
3185 |
3150 |
2388 |
|
112 |
3120 |
6 |
3 100 |
36 287 |
4267 |
3657 |
2108 |
|
124 |
3960 |
6 |
2 865 |
49 895 |
4292 |
3657 |
2515 |
|
|
|
В е р т н к а л ь н о-p а з ъ е н н ы е |
|
|
|
|||
24 |
153 |
9 |
158 |
3810 |
1270 |
1244 |
1295 |
|
33 |
212 |
9 |
212 |
5 805 |
1689 |
1524 |
1498 |
|
42 |
339 |
9 |
339 |
7711 |
1905 |
1676 |
1879 |
|
В табл. 35 приведены данные по горизонтально- и вертикаль но-разъемным компрессорам фирмы «Ингерсолл-Рэнд».
Стремление к всемерному снижению капитальных и эксплу атационных затрат компрессорных установок, резкому сокра щению сроков ввода в эксплуатацию настойчиво требовали со здания новых видов компрессорных установок с максимально эффективным использованием как принципа ротации, так и кон кретных условий их применения.
На рис. 41,а, б показана компрессорная установка, состоя-
119
Использование таких компрессорных установок в системах 'Сбора, транспорта нефтяного газа, его закачки в пласт способ ствует существенному уменьшению капитальных и эксплуата ционных затрат. Важной особенностью этих установок является то, что ввиду их 100%-ной сборности они включаются в рабо ту, как только они присоединены к трубопроводной обвязке и к ним подведена электроэнергия. Тем самым резко сокращаются сроки обустройства промысла, исключается возможность потери нефтяного газа.
Фирмой «Ингерсолл-Рэнд» выпускаются также центробеж ные компрессорные установки применительно к условиям экс плуатации магистральных газопроводов (рис. 42). Компрессор и электродвигатель смонтированы вместе в цельнометаллическом корпусе. Всасывающий и нагнетательный фланцевые патрубки расположены на одной горизонтальной осевой линии, что поз воляет вмонтировать компрессорную установку непосредствен но в магистральный газопровод. Мощность такой компрессор ной установки, по данным фирмы, равна 5000 л. с. Здесь также газ под давлением поступает в межжелезное пространство электродвигателя и охлаждает его, затем направляется в про точную часть центробежного компрессора и после сжатия до обусловленного давления идет непосредственно в газопровод. Эти компрессорные установки используются в качестве бустерных на магистральных газопроводах с дистанционным авто матическим управлением, обеспечивая их максимальную загруз ку. Благодаря дистанционному управлению и непосредственно му подсоединению их к газопроводу без каких-либо сооружений представляется реальная возможность удаления основных ста ционарных станций от их расчетных месторасположений, что за частую необходимо осуществлять из-за неблагоприятных усло вий местности и др.
Г Л А В А 6
ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ
Осевые компрессоры принадлежат к машинам, в которых ■повышение давления создается в результате преобразования кинетической энергии, полученной при принудительном осевом движении газа через лопатки рабочих колес. Если в центро бежном компрессоре газ в процессе сжатия движется в рабочих колесах от центра вращения в радиальной плоскости к пери ферии, то в осевом направление движения компримируемого газа происходит параллельно оси вращения; траектория отдель ных частиц газового потока лежит на цилиндрических поверх ностях, оси которых совпадают с осью вращения ротора. На рис. 43 представлен продольный разрез десятиступенчатого осе вого компрессора с уменьшающимся наружным диаметром.
Рис. 43. Продольный разрез десятиступеичатого осевого компрессора с уменьшающимся наружным диаметром.
123
Как видно из рисунка, осевой компрессор состоит из ротора с закрепленными на нем рабочими лопатками и корпуса, к ко торому крепятся направляющие лопатки.
1. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
При вращении ротора двигателем энергия передается пото ку воздуха (газа) путем воздействия на рабочие лопатки.
Направляющие лопатки предназначены |
для осуществления |
||
поворота компримируемого |
газового |
потока, |
при этом |
может совершаться частичное |
преобразование |
кинетической |
энергии в потенциальную. Совокупность одного ряда рабочих лопаток и одного ряда последующих направляющих лопаток принято называть ступенью компрессора. Как рабочие, так и направляющие лопатки образуют диффузорные каналы, по скольку в межлопаточных каналах рабочих (в относительном движении) и направляющих лопаток происходит уменьшение скорости при одновременном повышении давления. Осевой ком прессор является обращенной машиной по отношению к осевой турбине. Течение в межлопаточных каналах компрессоров яв ляется диффузорным и криволинейным. А, как известно, диф фузорные криволинейные течения значительно менее устойчивы
с точки зрения |
возможности отрыва потока, чем конфузорные |
в турбинах. |
этого к профилированию и обработке лопаток |
Вследствие |
компрессора предъявляются более жесткие требования, чем к профилированию турбинных лопаток.
Возможность достижения больших значений к. п. д. в осе вых компрессорах по сравнению с к. п. д. в центробежных обусловлена прямоточностью течения сжимаемого газа, т. е. преимущественно осевым (точнее, винтовым) движением пото ка и вследствие этого отсутствием дополнительных его поворо тов при переходе к последующим ступеням, что является источ ником потерь в центробежном компрессоре. В создании осевых компрессоров с высоким к. п. д. за последнее время достигнуты большие успехи; к. п. д. современных многоступенчатых осевых компрессоров достигает 0,91—0,95, в то время как к. п. д. цент робежных компрессоров обычно не превышает 0,8—0,86. Созда ние высокоэкономичных многоступенчатых осевых компрессоров оказалось возможным лишь после того, как трудами гениаль ных русских ученых Н. Е. Жуковского и А. С. Чаплыгина были заложены основы современной аэродинамики, теории подъемной силы крыла. Благодаря планомерной научно-иссле довательской работе удалось достигнуть высоких значений изотермического к. п. д. Немаловажную роль при этом сыграло также тщательное профилирование лопаточных аппаратов, диф фузора и патрубков. Осевые компрессоры в настоящее время являются наиболее экономичными из всех известных типов ком прессорных машин.
124
Значения окружных скоростей у компрессоров стационарных установок находятся в пределах 160—250 м/с, а у компрессоров транспортных установок — до 300 м/с и более. Число ступеней в современных осевых компрессорах колеблется от 5 до 20. Степень сжатия в ступени осевого компрессора лежит в пре делах от 1,1 до 1,3. Скорости движения компримируемого воз духа в осевых компрессорах приближаются к скорости звука, а иногда и превосходят ее, что сопровождается существенными количественным и качественным изменениями в газодинамике потока в проточной части компрессора.
В достаточной степени изученность явлений, происходящих при обтекании лопаток потоком компримируемого газа с боль шими скоростями, является необходимым условием для созда ния высокоэффективных и махостойких профилей, обладающих высокими аэродинамическими качествами при больших скоро стях. Это обусловлено тем, что в каждом сечении тело лопатки осевого компрессора имеет свой аэродинамический профиль. Работа лопатки основана на теории подъемных сил. Примени тельно к лопатке осевого компрессора под подъемной силой необходимо подразумевать усилие, которое действует на обтека емую лопатку в направлении, перпендикулярном к направлению движения среды.
Если в воздухе, движущемся поступательно со скоростью w, поместить крыло с аэродинамичным профилем сечения, то те чение воздуха вокруг крыла изменится. В этом случае поток воздуха при натекании на крыло образует за ним вихрь, вско ре отделяющийся от крыла, вокруг которого появляется кру говое движение обтекания (рис. 44). При сложении этих двух
Рис. 44. Возникновение подъемной силы крыла с аэродинамическим профилем.
движений на верхней стороне возникнут большие скорости, в то время как на нижней стороне, где скорости потоков проти воположны, следовательно, вычитаются и будут меньше. Раз ность давлений создает подъемную силу, которая в осевом ком прессоре обеспечивает необходимое давление нагнетания.
Из рис. 44 видно, что суммарная подъемная сила образуется
125
главным образом за счет пониженного давления на верхней поверхности крыла.
Теоретическая формула, определяющая суммарную подъем ную силу А (в кгс), впервые была дана проф. Н. Е. Жуков ским:
JL |
Lb, |
8 |
|
где Су — коэффициент подъемной силы; — — плотность сре-
г ё
ды; L — длина профиля крыла; b — длина крыла в направле нии, перпендикулярном плоскости чертежа; со» — скорость поступательного движения воздуха на бесконечно большом рас стоянии от профиля крыла в потоке.
Подъемная сила направлена перпендикулярно к направле нию скорости со» (см. рис. 44). Наряду с подъемной силой А вследствие вязкости среды возникает сила лобового сопротив ления крыла W, действующая в направлении потока. Ее вели-* на определяется по формуле
2
W = Ct -Z-----— Lb,
' g 2
где Сх — коэффициент лобового сопротивления.
Величины Су и Сх зависят от формы профиля, его положе ния относительно направления скорости сото или угла атаки а
(см. рис. 44) и размаха крыла Я= — .
Значения Су и Сх определены экспериментально для мно жества профилей путем их продувки в аэродинамических тру бах при конечном значении Ь, а следовательно, и величины Я,- Применяемый профиль лопатки является тем более эконо мичным, чем меньше его коэффициент скольжения, который представляет собой отношение силы лобового сопротивления,
крыла W к подъемной силе А:
tga = |
W |
Сх_ |
|
А |
~Су ' |
||
|
Лопатки осевых компрессоров конструируются так, что’ каждый их элемент по радиусу создает один и тот же напор. Рабочие лопатки осевого компрессора, закрепленные на роторе, являются как бы частью винтовой поверхности, а окружающий газ служит как бы гайкой. При вращении такого винта (рото ра) в направлении, указанном стрелкой, будет поступательно перемещаться «гайка», т. е. газ вдоль оси вала слева направо. Двигаясь поступательно, газ одновременно участвует и во вра щательном движении вместе с ротором. При этом лопатки ротора передают вращающийся момент от вала к комприми руемому газу, который поступает к ним из всасывающей каме-
126
120
Рис. 45. Характеристика осевого и центробеж ного компрессоров.
ры. Таким образом, по выходе из рабочих лопаток газ посту пательно движется вдоль оси и имеет вокруг нее вращательное движение. Для устранения последнего газ заставляют пройти через направляющие лопатки, закрепленные на образующей по верхности корпуса; по выходе из направляющей лопатки газ вновь поступает в следующую ступень.
Характеристические кривые осевого компрессора, получае мые при испытании, несколько отличаются от кривых центро бежных компрессоров. Кривая V—р для осевого компрессора обычно более круто падает и в большинстве случаев при пере ходе за критическую точку имеет резкий срыв. На рис. 45 при ведены характеристические кривые осевого 1 и центробежного2' компрессоров.
Приводом осевого компрессора может быть электродвига тель, газовая или паровая турбины.
Ротор обычно лежит на двух опорных подшипниках преиму щественно скользящего типа у стационарных машин. Для ма шин специального назначения или с большой частотой враще ния для опор применяются подшипники качения.
Статор компрессора несет все венцы направляющих лопа ток. Они должны наилучшим способом направлять поток газа из предшествующего рабочего венца в последующий.
Статор имеет еще две важные части: входной и выходной, патрубки, которые в зависимости от условий всасывания и нагнетания выполняются различно.
Область применения осевых компрессоров весьма много образна. Высокий к. п. д., большая производительность, кото рыми не обладает ни одна из современных компрессорных ма шин, предопределили возросшее использование осевых ком прессоров во многих отраслях промышленности, например, в: металлургической для осуществления дутья в доменных печах*
127
Рис. 46. Разрез комбинированного осе вого компрессора.
транспортных установках для охлаждения и наддува двига- к’лей, вентилирования и охлаждения железнодорожных ваго нов, подачи больших количеств воздуха и газа в судовых уста новках для атомных электростанций, аэродинамических уста новок и др. Особый интерес представляют осевые компрессоры для стационарных и транспортных газовых турбин, оснащен ных лопатками из жаропрочных сплавов.
За последнее время в связи с необходимостью компримиро вания больших количеств нефтяного газа осевые компрессоры стали с успехом применяться и в нефтяной промышленности. Преимущества осевых компрессоров обеспечили им условия для их широкого использования в качестве первых ступеней центро бежных компрессоров. При таком сочетании двух типов газо динамических компрессорных машин устраняются недостатки каждого из них и достигается высокий технико-экономический эффект.
Комбинированный осевой компрессор, в котором последние несколько ступеней заменены колесом центробежного компрес сора, приведен на рис. 46. При такой комбинации обеспечивает ся увеличение общей степени сжатия компрессора.
Применение рабочего колеса центробежного компрессора исключает установку лопаток малой высоты. Кроме того, в свя зи с этим осевые размеры компрессора существенно уменьша ются, поскольку последняя ступень центробежного компрессо ра заменяет три-четыре ступени осевого типа.
При комбинированном исполнении осевого компрессора со храняется высокий к. п. д., так как ступень центробежного ком
прессора |
при |
малых |
высотах |
лопаток имеет |
более |
высокий |
к. п. д., |
чем |
ступень |
осевого |
типа с лопатками |
малой |
высоты. |
128