книги из ГПНТБ / Пфлейдерер, Карл. Лопаточные машины для жидкостей и газов водяные насосы, вентиляторы, турбовоздуходувки, турбокомпрессоры

Благодаря хорошей теплопроводности соединений неподвижных лопаток со стенками корпуса, соприкасающихся с водой, их поверх­ ности также следует считать эффективно охлаждающими, в связи с тем, что переходное тепловое сопротивление для теплового потока от воздуха к охлаждаю­ щей поверхности во много раз больше, чем от стенки к воде и поэтому целесообразно увеличи­ вать охлаждающие поверхности, соприкасающиеся с воздухом.

Чтобы по возможности сделать большими охлаждающие по­ верхности, соприкасающиеся с воздухом, с одной стороны, применяют максимально воз­ можное число обратных направ­ ляющих лопаток и, с другой стороны, делают возможно боль­ шим диаметр корпуса. Увели­

в особенности в случае приме­ нения безлопаточных направляющих аппаратов улучшает преобразо­

вание скорости в давление, так что в целом достигается приемлемый

Фиг. 355. Внешний вид турбокомпрессора фиг. 353.

гидравлический к. п. д. На коэффициент теплопередачи <хд от воз­

духа к стенке положительно влияют большие скорости воздуха. Несмотря на это, переходное сопротивление для теплового потока

551

Фиг. 356. Подвод охлаждающей воды в турбокомпрессор фиг. 353:

/ —- отверстие для выпуска воздуха; 2 — отверстие для очистки; 3 — полость для охлаждающей воды; 4 — охладительные ребра; 5 — всасывающий патрубок; 6 — по­ дача охлаждающей воды; 7 — регулировка вручную с помощью маховичка; 8 — рас­ пределительная труба; 9 — направление потока охлаждающей воды можно реверсиро­ вать для промывки осажденного шлама: 10—встречное направление потока в соседних секциях компрессора; 11 — регулировочный шибер; 12 — четырехходовой кран для изменения направления потока воды в компрессоре; 13 — отвод охлаждающей воды.

552

остается большим, чем на стороне воды, так что решающим является размер охлаждающей поверхности, соприкасающейся с воздухом.

Водяные полости необходимо сделать доступными для очистки путем создания большого количества лючков, потому что в них осаждается накипь.

Эта доступность для очистки имеет особое значение тогда, когда для охлаждения применяется возвратная вода, потому что проис­ ходит обогащение солями в результате непрерывного испарения в градирнях.

Вследствие сложности отливок при применении внутреннего охлаждения, до сих пор используются прежде общепринятые кон­ струкции, когда корпус разделяется на такое же количество колец, сколько ступеней, т. е. несмотря на разъем в горизонтальной сред­ ней плоскости, корпус выполняется «кольцевого многосекционного типа». Отдельные секции стягиваются продольными болтами с крыш­ ками на всасывающей и на нагнетательной сторонах и покрываются листовым кожухом.

У осевых компрессоров невозможно разместить в корпусе доста­ точные для эффективного охлаждения охлаждающие поверхности.

Охлаждение воздуха в процессе сжатия часто также выпол­ няется [419], [420] путем вспрыскивания охлаждающей жидкости

вобратные направляющие каналы, где она распыляется и испаряется

впотоке протекающего воздуха. В качестве охлаждающей среды применяется при сжатии водяных паров (тепловые насосы), само собой понятно — вода, у холодильных лопаточных машин — жидкий охлаждающий раствор. Вспрыскивание воды применяется также при сжатии воздуха и газов. Большие затруднения возникают из-за того, что необходимо предварительно дистиллировать вспрыски­ ваемую воду. Экономия на мощности привода лишь немногим меньше, чем при поверхностном охлаждении. Основное требование, в случае применения указанной системы охлаждения состоит в том, что вся охлаждающая жидкость должна испаряться после вспрыскивания,

иследовательно, ни в коем случае из машины не должна выходить неиспарившаяся жидкость. При нагнетании химических газов можно

предотвратить или уменьшить образование отложений благодаря применению указанной системы охлаждения. Целесообразно комби­ нировать мокрое и поверхностное охлаждение.

При внешнем охлаждении значительно упрощается конструкция корпуса, так что его можно сделать из одной целой отливки с одним только горизонтальным разъемом по средней плоскости, как пока­ зано на фиг. 357, или же расположить отводы в корпусе, состоящем из немногих частей, как показано на фиг. 359. Количество обратных направляющих лопаток можно значительно уменьшить, благодаря чему снизится сопротивление потоку в корпусе. Зато добавляются промежуточные охладители с дорогостоящими охладительными труб­ ками из нержавеющего материала (см. фиг. 358, 360), которые вызывают дополнительную потерю давления воздушного потока. Ввиду того что здесь также необходимо регулярно очищать охла­ ждающие поверхности, в особенности на водяной стороне, пучки

553

Фиг. 357. Турбокомпрессор с наружным охлаждением и с рекуперационной турбиной, использующей перепускаемый воздух. Производи­ тельность 50 000—60 000 м3/час при 6 ати и 3260 об/мин. Корпус представляет чугунную., отливку.

554

Фиг. 359. Турбокомпрессор на 55 000 м^/час при 7 ата и 4450 об/мин с наружным охлаждением. Корпус со встроен­

ными отводами.

Фиг. 360. Поперечный разрез компрессора фиг. 359.

555

трубок делаются легко доступными, например, благодаря тому, что их можно, как целое, вынуть из охладительного корпуса с по­ мощью подъемного механизма. На фиг. 357—359 предусмотрено по четыре группы колес, т. е. трехкратное промежуточное охлажде­ ние. У первой конструкции согласно фиг. 358 промежуточный охла­ дитель с гладкими трубками укреплен наклонно на корпусе компрес­ сора. Нафиг. 360охладитель расположен вертикально. Охлаждающие поверхности здесь выполнены в виде ребристых труб. В обоих слу­ чаях на всем пути воздуха до входа в охладитель происходит пре­ вращение энергии скоростей в давление; эта мысль особенно ясно отражена на фиг. 360. Если на фиг. 357 были предусмотрены напра­ вляющие лопатки на выходе из рабочих колес, потому что параллель­ ное выполнение стенок рабочих колес создает малый угол а3, то в конструкции, изображенной на фиг. 359, применены безлопаточные направляющие аппараты, хорошо себя оправдавшие на практике. Введение в конструкцию разъемных секций имеет то преимущество, что изменение направления между безлопаточным направляющим аппаратом и обратными лопатками выполнено с большим радиусом кривизны, следовательно, очень благоприятно в гидравлическом отношении. Благодаря тому, что промежуточные вставки имеют двой­ ные стенки, удается значительно облегчить теплопередачу между отдельными ступенями, которая приобретает особенно большое зна­ чение в местах поступления воздуха из промежуточных охладителей.

В первое время для центробежных компрессоров применялось исключительно внутреннее охлаждение, но затем оно потеряло свое прежнее значение. Объясняется это тем, что за последние 30 лет окружная скорость компрессоров почти удвоилась. Следовательно, число ступеней можно было снизить до одной четвертой части, так что в настоящее время не осталось больше места для расположения внутри корпуса охлаждающей поверхности. При этом необходимо принять во внимание еще то обстоятельство, что при внешнем охла­ ждении влага из воздуха осаждается в промежуточных охладите­ лях, в то время как при внутреннем охлаждении она накапливается в нагнетательном трубопроводе.

Внутреннее охлаждение позволяет осуществить более простой фундамент и оно не требует большой площади, благодаря чему при электроприводе может отпасть необходимость в подвальных поме­ щениях, а также стоимость поставки может оказаться значительно меньшей; несмотря на это, внутреннее охлаждение по вышеизло­ женным соображениям должно было уступить внешнему по крайней мере в случае большой производительности машин.

У описанных до сих пор конструктивных форм внешнего охла­ ждения применялось до трех промежуточных охладителей, так что на один промежуточный охладитель приходилось от двух до трех неохлаждаемых ступеней. Причина такого решения лежала в потере давления воздуха в промежуточном охладителе. С прогрессивным уменьшением числа ступеней заметна тенденция делать промежу­ точные охладители после каждой ступени, тем более, что можно за счет этого ожидать заметного улучшения к п. д. и что за это время

556

научились делать охладители с малым сопротивлением воздушному потоку. Первая конструкция (которая стала известна еще в 1935 г.) такого рода была применена в турбокомпрессоре «Изотерм» фирмы ВВС [421 ] (фиг. 361). У этой конструкции, несмотря на наличие девяти ступеней, после каждой ступени, начиная со второй и вплоть до предпоследней ступени, воздух пропускается через охладители, расположенные сверху и снизу корпуса. Эти частые отводы воздуха

Фиг. 361. Турбокомпрессор типа «Изотерм» фирмы ВВС с наружным охлаждением после второй и до предпоследней ступени и с рекуперационной турбиной.

требуют также тщательного выполнения соединительных каналов. Хороший к. п. д. достигается еще и благодаря тому, что уравнове­ шивание осевого давления осуществляется благодаря двухсторон­ нему расположению рабочих колес; это позволяет избежать приме­ нения уравновешивающих поршней с их потерями на утечки через зазоры.

Вал опирается на третий подшипник, расположенный в середине корпуса; это позволяет уменьшить диаметр вала и тем самым улуч­ шить вход в колеса. В случае снижения расхода ниже границы пом­ пажа установленный на левом конце корпуса перепускной клапан отводит избыточный воздух к утилизационной турбине, располо­ женной на том же конце.

Отмеченное направление развития конструкций наиболее наглядно видно на изображенной на фиг. 362 конструкции фирмы Эрликон, у которой количество ступеней доведено до трех [4221. Эта кон­ струкция может считаться ведущей еще и потому, что в четырех

557

Разрез по 55

Фиг. 362. Трехступенчатый центробежный компрессор с четырьмя направ­ ляющими каналами на каждой ступени. Каждый канал присоединен непо­ средственно к охладителю. Подача охлажденного воздуха к следующей сту­ пени через трубопровод L.

558

направляющих каналах удалось избежать изменения направления и воздушный путь укорочен за счет того, что каждый из этих воздуш­ ных каналов имеет свой собственный промежуточный охладитель. Несмотря на высокую окружную скорость, приблизительно 300 м/сек, по-видимому, был достигнут хороший к. п. д.

Объединение внутреннего и внешнего охлаждения имеет то тео­ ретическое преимущество, что кривая состояния больше прибли­ жается к изотерме, чем при каждом из двух упомянутых способов охлаждения в отдельности. Но с этим связано также объединение всех требований к производству и обслуживанию машин обеих схем и поэтому оно входит в рассмотрение только в особых случаях.

113. РАСЧЕТ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА С ОХЛАЖДЕНИЕМ

До сих пор расчет колеса производился, исходя из адиабати­ ческой высоты напора ДЯ как высоты напора ступени, т. е. исходя из удельной работы компрессора без потерь. Теперь спрашивается, можно ли также в случае охлаждения рассчитать величину ДЯ на основе адиабаты по соотношению

(14-19)

Процесс сжатия в рабочих и направляющих каналах при внеш­ нем охлаждении одинаков с процессом у неохлаждаемого компрес­ сора, так что нет оснований для изменения расчетных формул. Но и при внутреннем охлаждении практически ничто не изменяется в рабочем колесе, потому что последнее не может эффективно охла­ ждаться и только в направляющем аппарате заметно влияние охла­ ждения, так как оно способствует превращению скорости в давление. Главным образом, однако, это происходит после достижения конеч­ ного давления, тем более, что обычная степень реакции лежит зна­ чительно выше 0,5 в соответствии с разделом 24. Процесс без потерь, с которым производится сравнение действительного рабочего про­ цесса, будет тем самым мало отклоняться от адиабаты, следовательно, мы можем, как и раньше, определить ДЯ по выражению (14. 19). На основании изложенных выше соображений казалось бы более правильно выбирать гидравлический к. п. д. несколько большим при внутреннем охлаждении, чем раньше и чем при внешнем охлажде­ нии, чтобы тем самым принять в расчет влияние охлаждения в про­ цессе сжатия. Но и это является излишним, потому что путь трения и сопротивление трения между ступенями, как было изложено в пре­ дыдущем разделе, больше, чем при внешнем охлаждении, где эти

скую высоту напора ступени при различных способах охлаждения.

а) Внешнее охлаждение. Рассмотрим сперва этот случай из-за его большей простоты.

1) Полное охлаждение между неохлаждаемыми группами ступеней. Экономия энергии благодаря

559

охлаждению достигает своего максимального значения, когда на каждую группу ступеней приходится одинаковая работа на сжатие, что можно легко определить по диаграмме TS (фиг. 363). При при­ менении двух промежуточных охладителей необходимо разделить

на три части участок изотермы ДЕ" между точками Zj и Z2. Ввиду того что изобары промежуточных давлений pzl и pz2, также конеч­ ного давления получаются простым смещением параллельно самим себе в горизонтальном направлении изобары начального давления рх (предполагая постоянство ср); можно видеть, что адиабатические

деле 111. При этом необходимо только принять во внимание, что объемная подача уменьшается от группы к группе и поэтому умень­ шается также диаметр колес, причем можно вновь использовать уравнение (14. 14). Идеальный случай получился бы, если бы колеса при этом уменьшились в размерах, сохраняя геометрическое подо­ бие. В действительности, однако, для уменьшения числа ступеней

значительно число Маха. Таким образом, создается аналогия с паро­

охладителей и ограничения расхода воды температуру газа в про­ межуточном охладителе неполностью снижают до начального зна­ чения, тем более, что это было бы возможно только при достаточно холодной воде. Превышение температуры на выходе из охладителя над температурой на всасывании большей частью допускают при­ близительно 10° при проточной охлаждающей воде и до 20° при

560