19 Осевые компрессоры

В холодильной технике осевые компрессоры применяют в газовых (воздушных) холодильных машинах. В паровых холодильных машинах осевые компрессоры пока не используют, однако по мере увеличения холодопроизводительности в одном агрегате свыше 10—15 тыс. кВт при применении рабочих веществ с малой удельной объемной холодопроизводительностью или при особо высоких требованиях к энергетической эффективности машин их использование может оказаться целесообразным.

Главными преимуществами осевых компрессоров являются:

меньшие радиальные размеры, чем у центробежных компрес­соров той же объемной производительности;

более высокие значения КПД, чем у центробежных компрес­соров, из-за лучшей организации потока в осевых лопаточных аппаратах и как следствие — меньших газодинамических потерь в них.

Использование этих преимуществ позволит повысить энерге­тическую эффективность и уменьшить размеры и металлоемкость холодильных компрессоров, что особенно актуально в современ­ных условиях хозяйствования. Именно они были главной причи­ной почти полного вытеснения из авиационной техники центро­бежных компрессоров и замены их осевыми. Эти же факторы обусловили применение осевых компрессоров в тех отраслях на­родного хозяйства, где требуются большие объемные производи­тельности в одном агрегате: в качестве доменных воздуходувок, в крупных стационарных газотурбинных двигателях и т. п.

Возможность получения больших объемных производительностей делает осевые компрессоры перспективным типом машин для пароводяных тепловых насосов, использующих в качестве источ­ника низкой температуры теплые водосбросы крупных промыш­ленных предприятий, в первую очередь целлюлозно-бумажных комбинатов, предприятий химической и нефтехимической промышленности.

Недостатки осевых компрессоров следующие:

крутые газодинамические характеристики малой протяженности по расходу;

повышенная чувствительность к помпажу, который может вы­звать поломку лопаток рабочих колес.

Однако эти недостатки можно отчасти устранить за счет при­менения эффективных методов регулирования, повышения уровня автоматизации и культуры эксплуатации машин с осевыми компрессорами.

П ри производстве осевых компрессоров предъявляются высокие требования к технологической культуре завода-изготовите­ля, обусловленные сложностями изготовления в первую очередь лопаточного аппарата.

Устройство осевого компрессора. Осевой компрессор (рис. 9.29) состоит из входного устройства 1, во многом подобного входному устройству центробежного компрессора, описанному выше, с по­мощью которого газ подводится к входному направляющему ап­парату (ВНА) 2. Входной направляющий аппарат организует по­ток и придает ему необходимое направление движения, после чего он поступает на рабочее колесо (РК) 3. Отметим, что в некото­рых конструкциях осевых компрессоров ВНА может отсутство­вать, и тогда поток поступает к лопаткам РК непосредственно из входного устройства. От лопаток РК к газу подводится механи­ческая энергия, причем характер изменения скорости и давления газа при его движении от входного до выходного сечения РК зависит от коэффициента реактивности ступени. В ступенях с ко­эффициентом реактивности П1_2 = 0 давление в РК не изменяется, а абсолютная ско­рость возрастает; в ступенях, у которых 0 < Пх_2 < 1, дав­ление в РК и абсолютная скорость газа увеличивают­ся; в ступенях с й1-2 = 1 давление в РК возрастает, а абсолютная скорость по мо­дулю остается постоянной, изменяясь только по направ­лению. Из РК газ поступает в направляющий аппарат (НА) б, в котором изменение его давления и скорости также за­висит от коэффициента реактивности. При Пх_2 = 0 скорость в НА уменьшается, а давление растет, причем давление увеличива­ется только в НА; при 0 < £212 < 1 скорость в НА также умень­шается, а давление возрастает; при С112 = 1 давление в НА неиз­менно, а скорость по модулю постоянна и изменяется только по направлению (см. рис. 9.33).

При выходе из последней ступени газ проходит спрямляющий аппарат (СА) 4, который придает выходной скорости осевое на­правление. Обычно СА выполняют совмещенным с НА последней ступени. Из СА сжатый газ поступает в выходное устройство 5, которое по конструкции представляет собой обращенное входное устройство, что принципиально отличает его от выходных уст­ройств центробежного компрессора.

Ступень осевого компрессора состоит из РК и расположенного за ним НА (рис. 9.30). Входной направляющий и выходной спрямляющий аппараты, если они предусмотрены в конструкции машины, являются самостоятельными элементами проточной части и в состав ступени не входят.

Размеры элементов ступени многоступенчатого осевого компрессора зависят от выбора формы его меридианного сечения. В общем случае высота лопаток при входе и выходе РК и НА изменяется, уменьшаясь от входного сечения к выходному. Это объясняется тем, что по мере сжатия плотность газа растет, его объемный расход уменьшается, и при мало меняющейся осевой расходной составляющей скорости потока в ступени высота лопаток уменьшается.

В зависимости от формы меридианного сечения компрессора средний диаметр может увеличиваться или уменьшаться (при DBTi == const ). Здесь индексом «i» обозначены номера характерных сечений ступени. Традиционно входному сечению РК присваивают индекс «1» выходному сечению РК и входному сечению НА — индекс «2»; выходному сечению НА — индекс «3». При этом очевидно, что для промежуточной /-й ступени параметры потока в сечении 1 при входе в РК совпадают с параметрами потока в сечении 3 при выходе из НА предыдущей (J - 1)-й, а параметры потока в сечении 3 при выходе из НА у-й ступени есть не что иное, как параметры потока в сечении 1 при входе в РК последующей (/ + 1)-й ступени. На рис. 9.30 сечения соседних с рас­сматриваемой ступеней обозначены в скобках.

Элементарная ступень осевого компрессора располагается между двумя соосными цилиндрическими поверхностями радиусов гиг + dr (см. рис. 9.30). Развернув цилиндрическое сечение радиуса г на плоскость, получим бесконечную систему профилей, расположен­ных под одним и тем же углом к фронту решетки на одинаковых расстояниях друг от друга. Профили подвижного ряда, соответст­вующего РК и движущегося со скоростью, равной окружной скорос­ти на поверхности цилиндра радиуса г, могут отличаться от профилей неподвижного ряда, соответствующих НА.

Безразмерные параметры осевого компрессора. Характерным геометрическим размером ступени осевого компрессора считается наружный диаметр РК (см. рис. 9.30). Характерной переносной скоростью считают либо окружную скорость на среднем диаметре входного сечения РК, определяемом формулой

(9.170)

либо окружную скорость на наружном диаметре

Здесь индекс «1» указывает, что соответствующие геометрические и режимные параметры относятся к входному сечению РК, и в дальнейшем может опускаться для упрощения записи.

Связь между этими окружными скоростями устанавливается соотношением

Для элементарной ступени характерной переносной скоростью является окружная скорость и на диаметре D = 2r (см. рис. 9.30). В этих формулах

— безразмерный диаметр втулки (корня лопатки РК во входном его сечении).

В результате обобщения результатов экспериментальных ис­следований установлено, что среднее значение удельной работы ступени осевого компрессора примерно равно удельной работе элементарной ступени, расположенной на среднем радиусе, который делит высоту лопатки пополам. Поэтому при расчетах осевых компрессоров и отдельных ступеней по обобщенным эксперимен­тальным характеристикам плоских решеток, обычно выполняемых по среднему диаметру, в качестве характерной скорости используют среднюю окружную скорость .

При проектировании компрессора по характеристикам модельных ступеней в качестве характерной скорости принимают окружною скорость на наружном диаметре РК ин [12]. В любом случае необходимо следить за тем, чтобы все безразмерные режимные параметры, такие как коэффициенты расхода, мощности, теоретической, эффективной работ и другие, используемые в расчетах, были определены с применением той характерной скорости, которая была выбрана в качестве определяющей.

Безразмерные скорости условный коэффициент расхода Ф, условные числа Маха М_и В дальнейшем все параметры, полученные с использованием в качестве характерной окружной скорости на наружном диаметре РК , будут обозначаться теми же символами, что и найденные с использованием в качестве характерной средней окружной скорости Uср, со штрихом.

Коэффициент расхода определяют по осевой (расходной) составляющей скорости. Для элементарной ступени коэффициент расхода

В общем случае изменяется по радиусу, поэтому для ступени в целом используют условные коэффициенты расхода

или

Условные числа Маха по осевой скорости определяют и соотношениями

где скорость звука в заторможенном потоке при входе в компрессор или ступень находят по формулам, приведенным в табл. Условную осевую скорость определяют по плотности торможения при входе в ступень

Коэффициенты расхода Ф также различаются только значением характерной скорости

;

При этом

и

Связь между параметрами, зависящими от характерных скоростей, в первой ступени устанавливается такими соотношениями:

Коэффициенты теоретической, эффективной и изоэнтропной работ элементарной ступени определяют по формулам:

, ,

Для ступени в целом, в которой имеются потери на протечки и трение, к этим трем коэффициентам добавляется коэффициент мощности:

,

Если использовать в качестве характерной окружной скорости , эти параметры будут обозначаться теми же символами со штрихом: а связь между ними устанавливается на основе формулы такими соотношениями: