2. Центробежные компрессоры

Общие сведения и параметры компрессоров. Компрессорами на­зываются машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов.

По назначению компрессоры подразделяются на воздушные и газовые (кислородные) машины. Наибольшее распространение по­лучили воздушные компрессоры, или компрессоры общего назначения. Эти машины вырабатывают сжатый воздух давлением до 5,0 МПа, который широко применяется в промышленности. Например, в металлургии сжатый воздух используется для дутья в доменных и мартеновских печах, вагранках, нагревательных и термических печах, в энергетике — для нагнетания в топки котлов и камеры сгорания ГТУ и ДВС.

Сжатый воздух как энергоноситель используется для привода различных пневмомеханизмов, молотов, трамбовок, вибраторов, обрубных молотов, патронов для зажима деталей в станках, пневмоподьемников и т.д.

Воздух широко используется для транспортирования и переме­шивания сыпучих материалов, сепарации пыли и для многих процессов.

Рост сети газопроводов и увеличение их протяженности способствовали развитию газовых компрессоров на высокие дав­ления — до 40 МПа и выше. Для достатке природного газа в пункт потребления через каждые 100... 150 км газопроводов необходимо устанавливать компрессорные станции, перекачивающие до ; скольких миллионов кубометров газа в сутки.

По принципу действия различают поршневые (объемные) ком­прессоры и турбокомпрессоры.

В поршневых машинах повышение давления происходит из-за уменьшения объема замкнутого пространства, в котором нахо­дится газ, за счет перемещения стенки (например поршня в цилиндре). При сжатии газ практически неподвижен, силы инерции в нем не проявляются (статическое сжатие) Характерной особен­ностью этих машин является периодичность рабочего процесса.

В турбокомпрессорах сжатие происходит вследствие и пользования сил инерции потока газа Преобразование энергии таких машинах можно условно разделить на два э этапе газу сообщается кинетическая энергия (например вращающимся лопаточным аппаратом), а на втором — поток газа тормозится и его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Оба этапа могут совершаться одновременно. Характерной особенностью этих машин является непрерывность рабочего процесса.

Следует заметить, что получение сжатых газов является весьма энергоемким производством. Например, на многих машиностроительных заводах для привода компрессоров расходуется около 30 % общих затрат энергии, а на предприятиях горнорудной промышленности еще больше.

Конструктивная схема центробежного компрессора представлена на рис. 52, а Центробежный компрессор действует аналогично центробежному насосу.

Отметим, что компрессорная машина представляет собой открытую термодинамическую систему, и теория этой машины с достаточно приемлемой точностью основывается на термодинамике идеального газа. При этом погрешность составляет 2…3 %

Реальный компрессорный процесс сжатия считается политропным.

Входной и Выходной патрубки

Рис. 52. Трехступенчатый цен­тробежный компрессор:

а — общий вид; б — часть рабочего колеса с лопаточным диффузором; 1 — вал; 2 — диффузор; 3 — не­подвижные направляющие лопат­ки; 4 — лабиринтовые уплотнения; 5 — концевые уплотнения; 6 — рабочее колесо; 7 — рабочие ло­патки; 8 — корпус компрессора

Очевидно, что работа l_к, совершаемая над потоком в реальном компрессоре, расходуется на сжатие и перемещение газа, изме­нение его кинетической энергии и на внутренние потери.

При наличии потерь в зависимости от интенсивности внешне­го охлаждения процесс сжатия в компрессоре может протекать с показателем политропы п = 1,2...1,7, меньшим или большим по­казателем адиабаты.

К основным параметрам компрессора относятся подача, ко­нечное давление, мощность на валу и КПД (относительный), так как совершенство компрессорного процесса оценивают при помощи относительных термодинамических КПД — изотермического η_из и изоэнотропного η_а

Если действительный политропный процесс в компрессоре про­исходит с показателем п при удельной энергии L, то изотерми­ческий и изоэнтропный КПД определяют по формулам

η_из=L_из/L; η_а=L_a/L

где L_из и L_a — удельные энергии изотермического и изоэнтропного процессов.

Центробежные и осевые компрессоры (с неинтенсивным охлаждением) оцениваются при помощи изоэнтропного КПД η_а. Это объясняется тем, что для компрессоров этого типа изоэнтропный процесс является эталонным и наиболее совершенным.

Подачей называется количество газа (воздуха), подаваемого компрессором в единицу времени. Различиют массовую т (кг/с) и объемную Q₀(м³/с) подачу. В характеристиках машины обычно указывается объемная подача, отнесенная к условиям всасыва­ния либо к нормальным условиям по ГОСТ 2939—63 (t_н = 20 ^оС, p_H= 101,325 кПа). Давление р, развиваемое компрессором, мож­но рассматривать как энергию, сообщаемую одному кубическому метру газа (1 Дж/м¹ = 1 Н *м/м³ = 1 Па).

Мощность на валу центробежного компрессора для одной ступени

N_B=ρQ₀L_a/1000η_мехη_а

где ρ— плотность газа (воздуха), кг/м³; Q₀— объемная подача, м³/с; L_a — удельная энергия изоэнтропного процесса сжатия, Дж/кг; η_а—относительный изоэнтропный КПД, равный 0,8...0,9;

η_мех— механический КПД, равный 0,96 ...0,98.

Мощность многоступенчатого компрессора представляет собой сумму мощностей отдельных ступеней.

Характеристиками центробежных компрессоров называются графически изображенные зависимости р =f₁(Q₀), N_B=f₂(Q₀) и η_к=f(Q₀). Наиболее важной из них является зависимость между давлением (удельной работой) и подачей p=f₁(Q₀)

На рис. 53 перечислены размерные характеристики цент­робежного компрессора К-5500-42-1 при следующих начальных условиях: Т_Н= 293 К, Т_ъ = 298 К, р_н - 0,1 МПа; ∆N_мех= 50 кВт при n = 3000 об/мин, m_B = 166,6 кг/с. На кривых давления и мощ­ности указаны соответствующие частоты вращения. На графике показаны также линии равных КПД (η_из ).

Характеристики компрессоров имеют особенности, обуслов­ленные сжимаемостью газа (воздуха). Важнейшей из них является граница помпажа, при котором подача машины уменьшается до нуля, а затем резко переходит в рабочий режим. Явление помпажа вызывает сильную вибрацию установки и связанных с ней напор­ных патрубков, что может вызвать выход машины 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 0_min

Рис. 53. Харакеристики компрессора К-5500-42-1 при различной час­тоте вращения

Размерные характеристики компрессора справедливы только для определенной температуры газа на входе в компрессор. В зим­них условиях компрессоры могут иметь больший массовый расход газа т, чем летом, при одинаковых степенях повышения давле­ния ε_р , так как плотность газа с понижением температуры повы­шается.

Конструкции центробежных компрессоров. Центробежные ком­прессоры предназначены для сжатия и транспортирования при­родного газа, а также для обеспечения работы агломерационных машин и сталеплавильных конвертеров, коксохимического производства, доменных печей, воздухоразделительных установок, холодильных машин

и др.

Рис. 54. Схема трехсекционного шестиступенчатого центробежного компрессора:

/ — компрессор; 2 — редуктор; 3 — привод; 4 - охладитель II секции; 5 -охладитель I секции

Центробежные компрессоры выполняются с большим разно­образием схем и конструкций проточной части, отдельных узлов деталей. Их изготовляют одноступенчатыми и многоступенчаты­ми. Повышение давления, создаваемого одной ступенью центро­бежного компрессора, ограничивается аэродинамической проч­ностью рабочего колеса. Поэтому для достижения требуемого ко­нечного давления применяются многоступенчатые компрессоры. В современных центробежных компрессорах в зависимости от тре­буемого конечного давления в одном корпусе размещают 6 пеней. Многоступенчатые центробежные компрессоры могут иметь промежуточные теплообменники (охладители). После сжатия в сек­ции, состоящей из 1...3 неохлаждаемых ступеней, газ охлаждает­ся в теплообменнике (рис. 54).

Центробежные компрессоры общего назначения выпускаются с подачей 1,66; 4,166 и 8,33 м³/с, для кислородных блоков 15 M³/c и выше, для доменных печей — от 50 до 200 м³/с. В отдельных слу­чаях производят машины с малой подачей 1,0—1,5 м³/с (компрес­соры для нефтехимии и др.). Компрессоры с подачей более 50 м³/с имеют в основном паротурбинный привод.

Компрессоры со средней и высокой подачей большей частью выпускаются с разъемом корпуса в горизонтальной плоскости по аналогии с современными паровыми турбинами. Диффузоры и обратные направляющие аппараты составляют одно целое с кор­пусом или же, что встречается чаще, размещаются на диафраг­мах, плотно вставленных в корпус. Диафрагмы также имеют разъем в горизонтальной плоскости.

Все центробежные компрессоры, как правило, многоступен­чатые. Охлаждение корпуса компрессора улучшает его энергетические характеристики, но усложняет конструкцию корпуса, по­этому примеры таких машин единичны.

Рис. 55. Воздушный компрессор К-250-61-1:

/ — рабочее колесо I секции; 2 — диффузор канального типа первого колеса; 3 — рабочее колесо II секции; 4 - рабочее колесо III секции; 5 — думмис

На рис. 55 представлен разрез широко распространенного в промышленности воздушного компрессора К-250-61-1. Компрес­сор шестйступенчатый, трехсекционный, имеет корпус с гори­зонтальным разъемом. Все подводящие и отводящие патрубки от­литы как одно целое с нижней половиной корпуса. Диффузоры компрессора канального типа имеют горизонтальный разъем и плотно вставлены в корпус. Привод компрессора электрический и соединен с компрессором через повышающий редуктор.

На рис. 56 дан продольный разрез четырехступенчатого комп­рессора типа К-3250-41-2, применяемого в доменном процессе. По­дача такого компрессора Q = 2840... 3250 м³/ч при конечном давле­нии р = 0,36 ...0,42 МПа. Привод компрессора происходит от паро­вой турбины AKB-12-IV с частотой вращения 2500...3400 об/мин. Охлаждение производится выносным охладителем между второй и третьей ступенями.

Регулирование подачи компрессора. Регулирование парамет­ров компрессора производят следующими способами:

• измене­нием частоты вращения вала;

• закруткой потока перед рабочим колесом;

• дросселированием потока на всасывании или нагнетании.

Приводным двигателем мощных компрессоров (мощнос­тью более 3 МВт) является паровая или газовая турбина. Из­менение частоты вращения достигается здесь без особых затруд­нений регулированием турбины.

Рис. 56. Доменный компрессор К.-3250-41-2'

1 — рабочее колесо I ступени; 2 — рабочее колесо II ступени; 3 — патрубок

отвода газов в промежуточный холодильник; 4— рабочее колесо III ступени; 5-

рабочее колесо IV ступени

Регулирование закруткой потока перед рабочим ко­лесом осуществляется с помощью специального лопастного ап­парата (рис. 57). При радиальном входе потока на колесо окруж­ная составляющая абсолютной скорости С_1u= 0. При повороте лопатки изменяется угол входа потока на колесо ( α = var), что влечет за собой появление составляющей С_1u = var и связанное с ней изменение характеристики машины:

H_T= (u₂c_2u – u₁c_1u)/g

вызванное дополнительными потерями напора (u₁c_1u/g). Такое регулирование достаточно эффективно, хотя и усложняет конструк­цию машины.

Рис. 57. Поворотный лопастный аппарат для закручивания потока перед рабочим колесом при регу­лировании центробежного компрессора.

Регулирование дрос­селированием потока — весьма простой, но самый не­экономичный способ изменения параметров. Дроссель (задвижку, шибер) устанавливают за ком­прессором или перед ним на раз­личных расстояниях. Если дрос­сель находится на значительном расстоянии от компрессора, то его следует считать элементом сети, а изменение параметров машины — результатом работы ее на сеть с более крутой харак­теристикой. Падение давления на дросселе вызывает потери мощности, снижая экономичность ра­боты машины.

Если дроссель находится вблизи машины, то его можно рас­сматривать либо как элемент сети, либо как элемент машины, влияющей на кинематику потока. В последнем случае изменение параметров будет являться результатом повышения гидравличес­ких потерь в машине. Для обоих случаев характерны дополнитель­ные потери энергии.

Заводы—изготовители центробежных компрессоров не придер­живаются единой маркировки. Как правило, буквой К обознача­ется компрессор с промежуточным охлаждением, первая цифра означает расчетную подачу (м³/мин), следующие цифры означа­ют число ступеней, тип проточной части и особенность конст­рукции газоохладителя. Например, маркировка воздушного комп­рессора К-250-61-1 означает компрессор с подачей 250 м³/мин, с числом ступеней 6, типом проточной части 1 и типом охладителя 1.