книги из ГПНТБ / Хушпулян, М. М. Технико-экономические показатели современных компрессоров и установок

гнетания ступени в кгс/см2; рв— давление всасывания ступени

вкгс/см2.

Витоге вышеперечисленные факторы приводят к непроизво­ дительному увеличению размеров первой ступени, повышенному расходу мощности и увеличению поршневых и инерционных сил. Поэтому возможность дифференцирования цилиндра первой ступени большего диаметра на цилиндры меньших диаметров, их повторение в двух рядах при оппозитном расположении ком­ прессорных цилиндров является важным техническим достиже­ нием современного поршневого компрессоростроения, обеспечи­ вающим увеличение экономических показателей первых ступе­ ней и поршневого компрессора в целом. При относительно

коротком ходе поршня оппозитных баз сохранение клапанов и каналов к ним, принятых в старых машинах с большим ходом поршня, привело бы к увеличению вредных пространств обрат­ но пропорционально уменьшению хода поршня и оказалось бы недопустимо большим.

Вместе с тем, учитывая необходимость повышения эконо­ мичности компрессоров, в оппозитных компрессорах предусмат­ риваются меры, направленные на уменьшение потерь: примене­ ние клапанов увеличенного проходного сечения, круглых разборных прямоточных клапанов, установка перед всасываю­ щими и нагнетательными клапанами дополнительных емкостей.

Благодаря таким конструктивным решениям потери энергии в клапанах сократились до 10—18%, что важно с точки зрения как повышения экономичности поршневых компрессоров, так и эффективного использования высокой частоты вращения в свя­ зи с переходом на оппозитиые базы.

Ввиду значительной эффективности использования оппозит­ ных баз в настоящее время почти все зарубежные фирмы перешли на выпуск поршневых компрессорных машин на оппо­ зитных базах, причем применение оппозитных баз распростра­ няется на компрессоры не только с относительно большой про­ изводительностью, но также и средней и малой.

Силовая часть газомотокомпрессора, агрегированная с оппозитной компрессорной частью общим валом и рамой, с увеличе­ нием частоты вращения вала компрессора позволила повысить и частоту вращения вала двигателя. Таким образом, с ростом частоты вращения вала газомотокомпрессора в целом дости­ гается существенное уменьшение его веса и габаритов по сравнению с газомотокомпрессорами, не имеющими оппозитного расположения цилиндров.

Кроме того, применение наддува к силовым цилиндрам газомотокомпрессоров дало дополнительное уменьшение их веса и габаритов.

Внедрение этих усовершенствований в конструкцию газомотокомпрессоров обеспечило благоприятные технические условия для создания высокоэффективных передвижных и полупере-

движных компрессорных установок на базе газомотокомпрессорных агрегатов с относительно малой металлоемкостью, не­ большими габаритами и высокой транспортабельностью.

3.ХАРАКТЕРИСТИКИ ОППОЗИТНЫХ КОМПРЕССОРОВ

ИГАЗОМОТОКОМПРЕССОРОВ

ВЕвропе оппозитные компрессоры выпускают фирмы «Демаг», «Маннесманн-Меер», «Борзиг», «Хильберг», «Эсслинген», «Зюрт» (ФРГ), «Нуове-Пиньонэ», «Термомеканика» (Италия), «Аллей» (Англия) и др.

Среди фирм США, производящих оппозитные компрессоры и газомотокомпрессоры, наиболее известны фирмы «Кларк», «Ингерсолл-Рэнд», «Уортингтон», «Купер-Бессемер» и «Дэой».

Фирмой «Кларк» оппозитные компрессорные машины выпу­ скаются с приводом как от газового двигателя, так и от элек­ трического. Привод от газового двигателя может быть в виде обособленного агрегата, соединенного с валом оппознтного ком­ прессора напрямую через соответствующую соединительную муфту, а также в виде газомотокомпрессорной машины, где га­ зовый двигатель агрегирован с общим коленчатым валом и об­ щей рамой оппознтного компрессора.

На рис. 3 представлен разрез газомотокомпрессора модели TCV фирмы «Кларк». Он выпускается трех типов: TCV-10, TCV-12 и TCV-16, основные технические данные которых пред­ ставлены в табл. 2. В этих моделях, отличающихся между со­ бой величиной агрегатной мощности, весом, габаритами и чис­ лом компрессорных цилиндров, рамы имеют корытообразную форму. С двух противоположных сторон к соответствующим от­ строганным приливам на вертикальных плоскостях рамы кре­ пятся компрессорные цилиндры. Приливы выполнены так, что к ним могут присоединяться компрессорные цилиндры с раз­ личными диаметрами в зависимости от параметров производи­ тельности и давления нагнетания. Блок газомотокомпрессора — цельнолитой конструкции с V-образным расположением расто­ чек под охлаждаемые цилиндровые втулки, которые вследствие монолитности всего цилиндрового блока — вставные, и в про­ цессе их выработки могут быть заменены новыми. Поршни од­ ного ряда цилиндров двигателя при помощи главных шатунов связаны с кривошипными шейками коленчатого вала, поршни второго ряда — с кривошипом коленчатого вала через прицеп­ ные шатуны. Шатуны оппозитно расположенных компрессорных цилиндров соединяются с кривошипной шейкой коленчатого ва­ ла рядом с подшипником шатунов (рис. А, а, б).

М а с л о с и с т е м а к о м п р е с с о р о в TCV. Компрессо­ ры марок TCV-10 и TCV-12 оснащены масляным насосом с при­ водом от коленчатого вала. Газомотокомпрессор марки TCV-16 имеет два масляных насоса, соединенных вместе. Охлаждающее

20

ливку из мелкозернистого сталистого чугуна. Для обеспечения точной центровки подшипников и соблюдения соосности ее мас­ сивные поперечные элементы, на которые опираются коренные подшипники, усилены ребрами. С этой целью опоры коренных подшипников прецезионно сверлятся за один раз. В коренных подшипниках предусматривается достаточный зазор, обеспечи­ вающий валу нормальную работу при его нагреве. Маховик имеет дополнительный коренной подшипник. Большие крышки с маслонепроницаемым уплотнением коренных подшипников для обеспечения максимальной безопасности снабжены предохраиительными клапана ми.

Коленчатый вал изготовлен из цельнокованой стальной бол­ ванки с высоким пределом прочности на растяжение и макси­ мальным сопротивлением на скручивание. Расчет коленчатого вала осуществляется фирмой с помощью электронно-вычисли­ тельной машины. В процессе изготовления вал подвергается прецезионной механической обработке с соблюдением расчет­ ных допусков, обеспечивающих точную посадку и взаимозаме­ няемость подшипников.

Блок силовых цилиндров усилен ребрами жесткости, кото­ рые обеспечивают максимальную жесткость и постоянную со­ осность цилиндров. Отлитый из мелкозернистого сталистого чугуна блок оснащен съемными гильзами силовых цилиндров. При прогреве двигателя до рабочей температуры гильзы могут свободно расширяться без образования термических напря­ жений.

Рабочие поршни отлиты из мелкозернистого сталистого чу­ гуна. Цапфа шатуна закрепляется в подвеске, прикрепленной к телу силового поршня, болтами. Поршневой палец подверга­ ется индукционной закалке и суперфинишированию. Втулка пальца выполнена из твердой бронзы и покрыта слоем бабби­ та; на образующей внутренней поверхности ее имеются спи­ ральные канавки, обеспечивающие как эффективную смазку, так и охлаждение. В верхней части внутренней полости днища поршня (по бокам) расположены ребра, сообщающие днищу дополнительную прочность и увеличивающие поверхность теп­ лоотдачи охлаждающему маслу.

Поршни сначала подвергаются прецезионной шлифовке, за­ тем — электроплеиочной обработке для обеспечения быстрой и тщательной приработки к цилиндру. На каждый поршень при­ ходится по пять компрессионных и по три маслосъемных порш­ невых кольца.

Головки силовых цилиндров отлиты из стали и охлаждают­ ся водой. Проходя через каналы, она полностью опоясывает газовпускной клапан, клапан пускового воздуха и свечи зажи­ гания.

Выхлопные каналы и каналы для продувочного воздуха имеют обтекаемую поверхность и проходят в теле литого блока,

23

в результате чего создаются условия для минимальной сопро­ тивляемости протекающих по ним воздуха и выхлопных газов, поступающих к газотурбинному нагнетателю. Гильзы почти пол­ ностью омываются водой, тем самым обеспечивая почти одина­ ковый температурный режим по всей образующей поверхности гильзы. Охлаждающая вода, поступая снизу гильзы, выходит из верхней ее части через ниппели, которые входят в головку силовых цилиндров. Четырехточечная смазка гильзы силового цилиндра гарантирует нм длительный срок работы.

Шатуны силовых цилиндров — главного и прицепного (см. рис. 4, а, б), а также компрессорных цилиндров изготовле­ ны из прочной стали методом горячей штамповки. С целью уменьшения до минимума бокового давления как на поршень, так и на гильзу рабочих цилиндров шатуны несколько удлине­ ны. Конструкция шатунной группы силовых цилиндров состоит из трех основных частей: главного шатуна с вертикально раз­ резанным кривошипным подшипником, второй половины криво­

с помощью соответствующих шпоночных пазов н выступов для равномерного распределения нагрузки на подшипник; крепятся они между собой шестью болтами. Прицепной шатун монти­ руется ко второй половине — скрышке» подшипника с помощью специального шарнирного соединения. Головные подшипники шатунов представляют собой бронзовые втулки, на внутренней образующей поверхности которых нанесен слой баббита тол­ щиной 0,013 мм. Вкладыши подшипников кривошипных шату­ нов изготовлены из твердой бронзы и залиты баббитом.

Для удовлетворения потребностей нефтегазодобывающей и нефтехимической промышленности фирмой выпускаются ком­ прессорные цилиндры различных типов, размеров и назначений. Кроме того, нормальные ряды цилиндров рассчитываются с учетом возможности использования избыточного давления неф­ тяного газа. В соответствии со значениями давлений нагнетания компрессорные цилиндры отливаются из сталистого чугуна, из чугуна с шаровидным графитом в литой структуре; для высо­ ких давлений нагнетания цилиндры изготовляются из кованой стали. В зависимости от конкретных требований охлаждение цилиндров предусмотрено как водяное, так и воздушное.

Для уменьшения потерь давления в клапанах компрессор­ ных цилиндров, повышения к. п. д. газомотокомпрессора и уст­ ранения вибрации трубопроводной обвязки в компрессорные цилиндры перед всасывающими и нагнетательными клапанами . встроены дополнительные емкости, представляющие моноблоч­ ную конструкцию, которые в некоторых типах компрессорных цилиндров отлиты заодно с корпусами компрессорных цилинд­ ров. Эти дополнительные емкости, соединенные между собой последовательно, образуют общий коллектор увеличенного объ-

24

'4 — то же с емкостями.

ема с общим выходом во всасывающие и нагнетательные трубопроводы и обеспечивают гашение высокочастотных акустиче­ ских пульсаций компримируемого газа. На основе исследований с применением аналого-вычислительных устройств фирмой оп­ ределяются геометрические размеры дополнительных емкостей для каждого компрессорного цилиндра. Таким образом, вход, и выход компримируемого газа непосредственно в полость кол­ лектора с увеличенным объемом снижает потери давления во всасывающих и нагнетательных клапанах, повышает к. п. д. компрессора, уменьшает амплитуду колебаний компримируемо­ го газа и как следствие устраняет возможную вибрацию трубо­ проводной обвязки.

На рис. 5 представлены осциллограммы колебаний давлений компримируемого газа на линии всасывания и нагнетания в за­ висимости от угла поворота коленчатого вала, снятые при ра­ боте компрессора с применением дополнительных емкостей и без них. Осциллограммы подтверждают, что как на всасыва­ нии, так и на нагнетании при наличии подключенных дополни­ тельных емкостей потери давлений сведены к минимуму (сплошной линией на рис. 5 показаны идеальные условия рабо-

' ты компрессора).

При отсутствии указанных дополнительных емкостей потери давления составляют 10—12% давления всасывания и нагнета­ ния. Таким образом, с применением в конструкции обвязки ком­ прессорных цилиндров дополнительных емкостей повышается к. п. д. газомотокомпрессора и доводится до минимума вибра­ ция трубопроводной обвязки.

Новым достижением фирмы «Кларк» является применение клапанов, тарелки которых изготовлены из нейлона. Эти кла-

25-

паны применяются в компрессорных цилиндрах, работающих с

.низкими и средними давлениями нагнетания. Так как нейлоно­ вые клапанные тарелки эластичны, их применение в компрес­ сорных цилиндрах первой и второй ступеней, по данным фир­ мы, обеспечивает их плотное прилегание к седлу клапана и препятствует образованию наклепа на поверхности седла. Кро­ ме того, исключается возможность эрозии как тарелки, так и ■седла клапана, что является существенным преимуществом при компримировании нефтяного газа. Испытания на одной из ком­ прессорных станций, перекачивающей нефтяной газ, показали, что клапаны оставались работоспособны после 40 000 ч эксплуа­ тации. Для цилиндров высокого давления, работающих в пре­ делах давлений нагнетания до 105 кгс/см2 и выше, фирмой применяются многокольцевые клапаны, изготовленные из леги­ рованной и хромомолибденовой сталей. Для достижения макси­ мальной прочности и износостойкости клапаны подвергаются индукционной закалке.

Газомотокомпрессорные агрегаты моделей TCV оснащены газотурбонагнетателями постоянного давления. Продувочный воздух давлением 0,562 кгс/см2 после прохождения через охла­ дитель с ребристыми латунными трубками поступает в силовые цилиндры газомотокомпрессора, обеспечивая высокую мощ­ ность на единицу объема силовых цилиндров агрегата. Эксплуатационные характеристики двигателя и газотурбонагнетателя в пределах широкого диапазона .изменения мощности двигателя хорошо согласованы друг с другом.

Каждый блок силовых цилиндров имеет самостоятельный выход в общий хорошо обтекаемый газовыхлопной коллектор. Коллекторы правого и левого рядов силовых цилиндров соеди­ няются между собой в конце двигателя со стороны маховика; в противоположной от маховика части двигателя находится газотурбоиагнетатель. Такое расположение газотурбонагнетателя и хорошо обтекаемая форма газовыхлопного коллектора обес­ печивают равномерное распределение и выравнивание давления выхлопных газов перед их поступлением на рабочие колеса га­ зовой турбины. Модель TCV-10 оснащена одним газотурбона-

мотокомпрессора. В этом случае, хотя газотурбонагиетатели ра­ ботают независимо друг от друга, система регулирования дав­ ления и подачи продувочного воздуха является общей для ■обоих. Промежуточные охладители продувочного воздуха спро­ ектированы так, что его температура выше температуры охлаж­ дающей воды не более чем на 5° С. Так, при температуре ох­ лаждающей воды 48,9° С температура продувочного воздуха, выходящего из охладителя, составляет 52,2° С. Такая эффектив­ ность охлаждения обеспечивает надежную и экономичную экс­ плуатацию газомотокомпрессорных агрегатов при высокой тем-

.26

Рис. 6. Рабочие характеристики газомотокомпрессора TCV-16 в зависи­ мости от частоты вращения вала (а) и эффективной мощности (б):

1 —давление продувочного воздуха; 2 —давление на входе турбины нагнетателя.

дературе окружающей среды, а также в районах, находящихся высоко над уровнем моря. 'Применение промежуточного охлаж­ дения продувочного воздуха позволяет газомотокомпрессорам моделей TCV работать при высоких степенях сжатия, обеспечи­ вая максимальное значение к. п. д. Для поддержания макси­ мального значения к. п. д. при различных условиях изменения нагрузки газомотокомпрессора в примененной системе автома­ тического регулирования имеется устройство для автоматиче­ ского регулирования опережения зажигания рабочей смеси. Та­ кое устройство обеспечивает экономичную работу двигателя в широком диапазоне изменения его нагрузки.

Применяемые газотурбонагнетателн на газомотокомпрессорах моделей TCV подают продувочный воздух, объем которого на 65% больше необходимого для работы двигателя. Тем са­ мым обеспечиваются эффективные продувка камеры горения, ее очистка от продуктов сгорания, а также охлаждение сило­ вых цилиндров и поршня при существенном снижении их теплонапряженности. На рис. 6, а, б представлена характеристика за­ кономерностей изменения основных параметров рабочего про­ цесса двигателя газомотокомпрессора TCV-16 в зависимости от частоты вращения вала и эффективной мощности газомотоком­ прессора. Из диаграммы (см. рис. 6, а) следует, что минималь­ ное значение удельного расхода топлива и продувочного воз­ духа достигается при работе газомотокомпрессора на номнналь-

27

мой частоте вращения. 'При этом обеспечиваются максимальноедавление продувочного воздуха, поступающего в рабочие ци­ линдры, и высокая температура выхлопных газов. Из диаграм­ мы (см. рис. 6, б) следует, что с увеличением мощности газомотокомпрессора удельный расход топлива и продувочного воз­ духа уменьшается (две нижние кривые).

специальные устройства, обеспечивающие подачу нужного ко­ личества газовоздушпон смеси в силовые цилиндры при изме­ нении нагрузки, частоты вращения двигателя и температуры окружающего воздуха. При этом в связи с изменением нагрузки автоматически регулируется также угол опережения зажи­ гания.

Таким образом, примененная комплексная автоматизирован­ ная система газотурбоиагнетателей обеспечивает работу газомотокомпрессоров с высоким к. п. д. при различных условиях эксплуатации: изменении нагрузки, частоты вращения, темпера­ туры и давления окружающей среды.

Принимая во внимание двухтактность рассматриваемых газомотокомпрессоров и необходимость подачи продувочного воз­ духа в рабочие цилиндры в период запуска агрегата, запуск и непродолжительная работа газотурбоиагнетателей осуществля­ ются струей воздуха от постороннего источника воздухоподачи, независимо от вращения коленчатого вала, т. е. без громоздко­ го и довольно сложного механического привода. Как только силовые цилиндры начинают подавать выхлопные газы в газотурбонагнетатель и обеспечивается устойчивая работа газотурбоиагнетателя, специальная автоматическая система отключает струю воздуха, подаваемого на лопатки газовой турбины, и тур­ бина полностью начинает работать от выхлопных газов.

Таким образом, при воздухоструйной системе запуска газо­ турбинного агрегата для наддува газовая турбина на короткий период используется в качестве турбодетандера. Применение такого способа подачи энергии для вращения турбоиагнетательного агрегата исключает из конструкции газомотокомпрессорного агрегата сложную механическую трансмиссионную си­ стему от коленчатого вала к газотурбонагнетателю вместе с системой шестеренчатых передач. Кроме конструктивных пре­ имуществ такая система запуска газотурбонагнетателя обеспе­ чивает высокую надежность и быстрый выход газового двига­ теля на номинальный режим, поскольку подаваемый объем про­ дувочного воздуха и его давление не зависят от частоты вращения коленчатого вала.

В установках, где на компрессорной станции работают одно-

28 .