Центробежные компрессоры

  Основными элементами центробежного компрессора (рис. 59) являются: рабочее колесо 1 с лопатками 2 и диффузор (кольцевой отвод) 3. Газ, находящийся между лопатками при вращении колеса получает вращательное движение. Под действием центробежной силы газ перемещается к периферийной зоне колеса. Затем газ попадает в диффузор, площадь которого возрастает с увеличением радиуса, скорость газа снижается, а давление увеличивается. Для повышения эффективности работы диффузора по превращению кинетической энергии в потенциальную предназначены лопатки 4, упорядочивающие движение газа.

При вращении рабочего колеса в зонах, расположенных у оси вращения, давление газа уменьшается по сравнению с давлением во всасывающем трубопроводе за счет чего образуется непрерывный поток, перемещающийся через проточную часть колеса.

При работе одного колеса и диффузора, образующих ступень   центробежного   компрессора,   степень   сжатия   газа е= 1,6. ..2,0. Величина е зависит от размеров и формы колеса и диффузора, а также от частоты вращения.

Если необходимо получать более высокие степени сжатия, то используют несколько ступеней. Конструктивно это обеспечивается установкой на одном валу нескольких рабочих колес, располагаемых в одном корпусе. В этом случае газ поступает в следующую ступень по каналам, образованным лопатками 5 направляющего аппарата. Степень сжатия центробежного компрессора равна произведению его отдельных ступеней. При сжатии газ нагревается.

Для охлаждения газа предусмотрено внутреннее и внешнее охлаждение. При внешнем охлаждении газ, прежде чем попа дает в следующую ступень, проходит через холодильник, а при внутреннем охлаждении корпус холодильника имеет «рубашку», через которую прокачивается охлаждающая вода.

Большинство современных компрессоров имеет внешнее охлаждение. Промежуточные холодильники присоединяются к нижней части корпуса компрессора (рис. 160) или к обеим частям корпуса (рис. 161). Охлаждаемый газ протекает в меж трубном пространстве холодильника, в трубках протекает охлаждающая вода.

При присоединении холодильника к нижней части корпуса газ по улитке 1 (см. рис. 160) перемещается в холодильник 2 после прохождения трубного пучка 3. Охлаждающая вода под водится в трубный пучок через патрубок 5, а отводится через патрубок 4. Преимущества такой компоновки — удобство при монтаже и обслуживании холодильника, а недостаток—низкий КПД холодильника.

При присоединении холодильника к обеим частям корпуса газ из улитки 1 поступает в верхнюю часть трубного пучка 3,

меняет направление и через нижнюю часть пучка попадает во всасывающую камеру следующей ступени Недостаток этой компоновки холодильника - трудоемкость монтажа; преимущество -высокий КПД. По сравнению с внутренним охлаждением компрессоров основным преимуществом внешнего является более интенсивное охлаждение газа (поверхность охлаждения промежуточного холодильника значительно больше, чем водяной рубашки).

Смазывание центробежных компрессоров. В центробежных компрессорах масло подается во вкладыши подшипников ротора, подшипники редуктора и электродвигателя, в уплотнения вала, а также в систему регулирования и автоблокировки.

От надежности работы смазочной системы в значительной степени зависит безопасность работы компрессора. У компрессоров с приводом от паровых или газовых турбин главный мас ляный насос имеет привод от вала турбины. Компрессоры с приводом от электродвигателей, как правило, имеют три маслонасоса: главный, пусковой и резервный. Компрессоры небольшой мощности иногда имеют два маслонасоса — главный и резервный (пусковой). Такая система установки маслонасосов гарантирует от падения давления масла во время работы компрессора. При падении давления масла в смазочной системе датчики давления выдают импульс сначала на автоматическое включение пускового маслонасоса, а затем на включение резервного, а при дальнейшем падении — на остановку компрессора.

В комплект смазочной системы центробежного компрессора входят также масляные холодильники, редукционные, предо хранительные и обратные клапаны, смотровые фонари и трубопроводы.

Компрессоры, сжимающие опасные газы, имеют две независимые маслосистемы — герметичную и открытую. Герметичная система обеспечивает смазывание подшипников и уплотнений, работающих во взрывоопасной среде. Открытая система подает масло в системы управления и регулирования, а также в муфту и привод. Для повышения надежности в работе система имеет аккумулятор масла, установленный выше уровня подшипников и соединенный с основным масляным баком. Электропривод резервного насоса герметичной маслосистемы имеет независимый источник питания.

     Характеристики центробежных компрессоров

Характеристиками компрессоров являются графики зависимости конечного давления р_к (или степени сжатия), мощности на валу и КПД от подачи компрессора. На одном графике мо гут быть даны характеристики для одной   или   нескольких   частот вращения. Подачу компрессора обычно выражают в единицах объема.

Характеристики получают обычно испытанием моделей и натурных конструкций при постоянной частоте вращения вала привода (п=const). Пересчет характеристик на другую часто ту вращения или при переходе на другой газ осуществляют по формулам (92), (94) и (96).

В качестве примера рассмотрим характеристики компрессора К-3250-41-1 (рис. 162) с паротурбинным приводом. Такие характеристики позволяют судить о совершенстве конструкции компрессора, работающего при различных частотах вращения в разных режимах нагрузки.

На рис. 163 приведена характеристика компрессора К-250-61-1, позволяющая выяснить влияние давления всасывания на рабочие параметры компрессора.

Характеристики лопастных компрессоров обладают некоторыми особенностями, главные из которых следующие.

1.     Наклон характеристик p=f(Q), определяемый отношением р_к/Q (см. рис. 162), тем круче, чем выше частота вращения вала компрессора. Это объясняется тем, что отношение Рк/Q пропорционально плотности газа, значение которой воз растает с увеличением частоты вращения (при повышении частоты вращения возрастает степень сжатия газа).

2.     При больших подачах и частоте вращения напорные характеристики приближаются к вертикальной линии. Это означает, что в некоторых режимах подача компрессора сохраняется постоянной при изменении давления, что обусловлено тем, что высокие п и Q В межлопастных каналах достигают критически значений, равных скорости звука.

3. На работу центробежных компрессоров оказывает существенное влияние пульсация давления и помпаж.

Возникновение пульсации в проточной части компрессоров объясняется периодическим, быстро повторяющимся отрывом вихрей с рабочих и направляющих лопастей. Снижение пульсаций давления часто обеспечивается при уменьшении подачи путем дросселирования. Однако уменьшение подачи может при вести к помпажу компрессора.

     Динамика центробежных компрессоров. Наиболее важной частью центробежного компрессора является ротор, состоящий из вала, на котором установлены рабочие колеса, разгрузочный поршень, муфта, лабиринтные уплотнения. Ротор вращается в подшипниках, установленных в корпусе. В корпусе размещены также диффузоры, обратные направляющие аппараты и другие узлы. Роторы компрессоров вращаются с частотой вращения, равной нескольким тысячам мин^-1 а скорости в периферийной зоне рабочих колес достигают 300м/с Поэтому к точности изготовления и монтажа ротора предъявляются очень высокие требования.

      Теоретически центр тяжести вращающихся масс ротора должен находится на его оси вращения. Практически обеспечить это невозможно. Смещение центра тяжести относительно оси вращения называют эксцентриситетом. Центробежная сила, возникающая при вращении ротора с эксцентрично расположенным центром тяжести, тем больше, чем больше эксцентриситет и масса ротора. Для оценки степени уравновешенности ротора используют понятие остаточный дисбаланс, который равен произведению массы ротора на эксцентриситет. Допустимые значения остаточного дисбаланса устанавливают в зависимости от массы и частоты вращения ротора. Нагрузки на опоры вращающихся роторов от центробежной силы, вызываемой остаточным дисбалансом, даже у наиболее уравновешенных роторов в несколько раз превышают нагрузки от их массы. Операцию по уравновешиванию ротора называют балансировкой.

    Так как идеально отбалансированных роторов не бывает, то наличие остаточного дисбаланса неизбежно вызывает нежелательные резонансные явления при так называемых критических частотах вращения. Ротор компрессора как любая физическая система имеет характерную ей собственную частоту колебаний. Когда частоты собственных колебаний и вращения ротора совпадают, то наступает явление резонанса. под действием возмущающей силы от неуравновешенных масс амплитуда колебаний системы стремится к бесконечности, ротор может разрушиться.

    Обычно рабочие частоты вращения роторов выше критических. Безопасность прохождения критических частот обеспечивается за счет упругих свойств вала ротора и скорости разгона

Одним из параметров, определяющих критические частоты вращения, является длина ротора. В некоторых случаях при большом числе рабочих колес последние не удается расположить на одном валу. Поэтому сжатие газа осуществляют последовательно в нескольких последовательно расположенных компрессорах.

На рис. 164 приведена схема двухкорпусных центробежных компрессоров с индивидуальными двигателями для корпусов низкого и высокого давления.

Основные узлы центробежных компрессоров

Рабочие колеса и валы. Тип конструкции рабочего колеса центробежного компрессора определяется напряжениями, которые зависят от скорости вращения колеса.

Большинство колес (рис. 165) состоит из основного 1 и дополнительных дисков 2 и 4, а также лопаток 3. Колеса выполняют цельноковаными при окружных скоростях 200—300 м/с (рис. 165, а). При меньших скоростях применяют комбинированные колеса, у которых основной диск — цельнокованый, а покрывающий — штампованный с усиленной ступицей (рис. 165, б). В некоторых случаях колеса (рис. 165, в), имеют два составных диска. Такие колеса используются при скоростях менее 150 м/с.

 На рис. 166 приведены различные типы конструкций лопаток. Для колес со значительной шириной применяют U-образные заклепки, а для колес с малой шириной — Z-образные. Вы бор того или другого типа заклепок обусловлен технологичностью изготовления.

Для высокооборотных колес в целях снижения гидравлического сопротивления применяют лопатки с заклепками, выфрезерованными на их торцах. При сборке заклепки можно расклепать. Получили распространение также колеса с лопатками соединенными с дисками сваркой. В этих случаях можно использовать лопатки сложных профилей. Следует отметить, что у сварных колес лопатки занимают большую часть длины канала между дисками, чем у клепаных.

При высоких скоростях (более 300 м/с) применяют колеса без покрывающих дисков.

Посадку рабочих колес на вал производят с натягом. При максимальной частоте вращения в условиях упругих деформаций ступицы основного диска необходимо обеспечивать гарантированный натяг.

От проворачивания колесо фиксируется штифтом или шпонкой (рис. 167). Штифт 1 предохраняется от выпадания при вращении пробкой 2, которая вворачивается в ступицу основного диска. Обычно каждое колесо фиксируют четырьмя штифтами. 

Размеры валов центробежных компрессоров определяют из соображений прочности, а также в зависимости от критических частот вращения. Коэффициент запаса прочности материала должен быть не менее двух. Рабочие частоты вращения должны отличаться от критических не менее чем на 20%.

Как правило, валы изготавливают из высококачественных поковок. Лопатки рабочего колеса имеют сложную форму. Для создания оптимальных условий протекания газа они имеют на входе в колесо каплевидный профиль или закругление, а на выходе —клинообразный. Число лопаток обычно составляет 18—30, они уменьшают проходное сечение рабочего колеса.

 

Рис. 167. Рабочее колесо и вал, скрепленные штифтом

Уплотнения. Уплотнения в центробежном компрессоре необходимы для изоляции внутреннего пространства от атмосферы (внешние уплотнения) и разделения отдельных участков с различным давлением внутри компрессора (внутренние уплотнения). Внутренние уплотнения обычно выполняют лабиринтными. Они состоят из гребней, которые разделяют зазор между вращающейся и неподвижной деталями, на ряд последовательно расположенных камер. Из области более высокого давления через зазор над гребнем протекает газ. При этом происходит его расширение с падением давления и температуры (адиабатное расширение). В пространстве между гребнями скорость газа практически полностью гасится, а температура повышается до первоначальной. Такой процесс повторяется в каждой после дующей камере, поэтому давление газа становится все меньше и меньше. Чем меньше зазор между гребнем уплотнения и чем меньше угол кромки гребня, тем незначительнее утечки через лабиринтное уплотнение (рис. 168). Общие потери газа через лабиринтные уплотнения составляют 2—6% массы всасываемого газа и зависят от конструкции и размеров машины.

В зависимости от формы уплотнения подразделяют на глад кие (рис. 168, г) и ступенчатые (рис. 168, а—в). Гладкие уплотнения просты в изготовлении и эксплуатации, но утечки через них в 1,5—1,8 раза выше, чем через ступенчатые.

Полная герметизация компрессора возможна не во всех случаях. Например, на воздушных компрессорах в качестве внешних используют лабиринтные уплотнения (утечки через них отводятся во всасывающий патрубок или в атмосферу).

Часто возникают ситуации, когда необходима изоляция внутренних полостей компрессора. При этом возможны два случая — когда попадание воздуха или другого газа внутрь компрессора допустимо и когда смешение сжимаемого газа с другим газом недопустимо.

В первом   случае   в подводящем трубопроводе постоянно поддерживается давление ниже атмосферного, а на стороне нагнетания устанавливают специальное уплотнение (рис. 169). В этом уплотнении пространство А со единено с линией всасывания трубопроводом большого сечения. Поэтому в пространстве А поддерживается давление ниже атмосферного. Через лабиринт внешнего уплотнения происходит подсасывание некоторого количества атмосферного воздуха. Та ким образом, утечки газа из компрессора в окружающую среду полностью исключаются.

Схема уплотнения для второго случая приведена на рис. 170. Уплотнение осуществляется так называемым воздушным затвором. Из компрессора газ через лабиринт попадает в пространство а. Установленное на валу компрессора колесо 1 вентилятора нагнетает атмосферный воздух в пространство а. Смесь, состоящая из перекачиваемого газа и воздуха, при давлении, близком к атмосферному, выводится через трубопровод 2 в вытяжную систему.

    В некоторых случаях необходима полная герметизация машины. Наиболее простое решение — размещение компрессора вместе с приводом в герметизированном боксе. Такое решение возможно только с малогабаритными компрессорами.

При больших размерах компрессоров для их герметизации используют манжетные уплотнения (рис. 171). В камеру 3 под давлением подается масло, прижимающее манжеты 2 к валу 1. Таким образом достигается эффект самоуплотнения.

На рис. 172 изображено герметичное уплотнение, используемое в тех случаях, когда необходима герметизация при остановке компрессора. В этом случае масляный насос, нагнетающий масло в манжетные уплотнения, не работает. При работе компрессора от его масляного насоса через отверстие в корпусе 7 в камеру 5 нагнетается масло. Поршень 4 с уплотнительным кольцом 3 отжимается от зазора между корпусом компрессора / и ротором 2.

При остановке компрессора и масляного насоса давление в камере 5 падает. Под действием пружины 6 стержень 4 перекрывает уплотнительным кольцом 3 зазор между ротором и корпусом.

Разгрузочный поршень. При одностороннем расположении линии всасывания из-за разности давлений на рабочее колесо компрессора со стороны всасывания и нагнетания возникает осевое усилие, действующее на ротор в направлении, противоположном движению потока газа при всасывании. Это усилие может вызвать смещение ротора, что приведет к задеванию его торцовых поверхностей о корпус.

Для уменьшения осевого усилия на валу ротора за рабочим колесом 2 с напорной стороны устанавливают разгрузочный поршень (рис. 173). Обозначим давление в колесе со стороны всасывания через p₁, а со стороны нагнетания — через р₂. Осевое усилие, действующее на колесо, обозначим через Ri. Считаем, что р₁<р₂, а также, что р_н<р₂ (р_н — наружное давление).

      Следовательно, на разгрузочный поршень будет действовать сила R_П, противоположная по направлению силе R_i. Таким образом, на ротор в осевом направлении будет действовать результирующая сила,   равная Ri-Rп

Разгрузочный поршень уравновешивает около 75% осевого усилия. Для уравновешивания остаточного усилия вал компрессора устанавливают в радиально-упорных подшипниках.

Разгрузочный поршень для снижения утечек снабжен лабиринтным уплотнением с большим числом гребней (до 40). Уравновешивание осевой силы осуществляют также за счет конструкции компрессора (часть колес имеет всасывание с одной стороны, а часть колес — с другой).                                                        

Корпус и мембрана. Большинство центробежных компрессоров имеет корпус с горизонтальным разъемом. В верхнюю и нижнюю части корпуса вмонтированы мембраны, выполняющие функции диффузора и обратного направляющего аппарата. Обе части корпуса имеют фланцы, которые стягиваются болтами для обеспечения герметизации.

Точность взаимного расположения обеих половин корпуса обеспечивается установкой штифтов. Для удобства монтажа половив корпуса предусмотрены специальные монтажные штифты (свечи), длина которых больше, чем максимальный радиус рабочего колеса. Для разборки корпуса в его верхней половине предусмотрены отжимные болты, которые обеспечивают первоначальный отрыв в подъем верхней половины корпуса.

В специальных расточках верхней и нижней частей корпуса устанавливают мембраны. Нижнюю часть мембраны устанавливают свободно, а верхнюю часть 1 (рис. 174) крепят к верхней часта 2 корпуса кольцами 3 с помощью винтов.

Диффузор относится к числу наиболее важных узлов центробежного компрессора, определяющих его экономичность. Поверхности диффузора, соприкасающиеся со сжимаемым газом, тщательно обрабатывают.

На рас. 175 показан один из способов крепления лопаток диффузора к мембране. Вставку 1 приваривают к лопатке 2 и вставляют в отверстие диафрагмы. Для предотвращения проворачивания лопатки предназначен винт 3. Штифт 4 предохраняет конец лопатки от вибрации. Такой способ крепления лопаток позволяет при разборке изменять угол наклона лопатки, что в определенных   пределах   позволяет   изменять   характеристики компрессора.

Подшипники, муфты, фундаментные рамы. В центробежных компрессорах используют подшипники качения (шариковые и роликовые), а также подшипники скольжения. Вкладыши подшипников скольжения изготавливают из стали и заливают баб битом. Для удобства монтажа подшипники имеют разъем. Смазывание подшипников осуществляется маслом, которое под давлением подводится к нижнему вкладышу, чтобы при разборке исключить отсоединение масляных коммуникаций.

Подшипники воспринимают усилия, действующие как в радиальном, так и в осевом направлениях. Несмотря на то, что разгрузочный поршень проектируют с таким расчетом, чтобы результирующая осевого усилия всегда действовала в одном направлении, тем не менее подшипники в центробежных компрессорах устанавливают так, что они воспринимают осевое усилие в двух противоположных направлениях. Это объясняется тем, что при помпаже осевое усилие изменяет направление, Обычно применяют самоустанавливающие подшипники.

Подшипники являются чрезвычайно ответственными узлами компрессора, от их состояния зависит безопасность эксплуатации. Поэтому на трубопроводах, отводящих масло от подшипника, необходим визуальный контроль и контроль температуры.

Каждый подшипник имеет термометр на верхней половине вкладыша. Температура вкладыша при эксплуатации не должна превышать 75°С. Крупные компрессоры снабжены также автоматической системой, отключающей компрессор при недопустимом осевом сдвиге ротора.

Для присоединения вала компрессора к приводу предназначены муфты. Так как обеспечить тщательную центровку обоих валов при монтаже очень сложно и необходимо учитывать возможные осевые и радиальные смещения, вызванные температурным расширением, износом подшипников, перекосом фундамента и т. п., то для быстроходных компрессоров применяют упругие муфты. Такие муфты передают только крутящий момент и разгружают вал компрессора от возможных изгибающих моментов. Кроме того, упругие муфты препятствуют распространению вибраций. Наиболее распространенными являются зубчатые муфты, а для передачи небольших мощностей — муфты с рези новыми пальцами.

Фундаментные рамы, на которых устанавливаются компрессоры, должны быть достаточно массивными и жесткими. Наиболее полно отвечают этим требованиям чугунные литые рамы, но такие рамы имеют высокую стоимость. Обычно фундаментные рамы выполняют сварными. Раму крепят к фундаменту болтами и заливают бетоном. Для соединения с корпусом компрессора рама имеет обработанные поверхности. Наиболее   распространенным способом соединения рамы с корпусом является соединение с помощью штифтов и шпонок. Приливы корпуса располагают в горизонтальной плоскости. С одной стороны приливы корпуса соединены с рамой штифтами, допускающими перемещения корпуса в направлении, перпендикулярном оси рамы. С другой стороны корпус соединяют с рамой шпонкой. Шпоночная канавка расположена по оси компрессора, что обеспечивает возможность перемещений в этом направлении.

Так как перемещения корпуса относительно фундаментной рамы в основном вызваны температурными расширениями, то затяжку болтов не следует производить с чрезмерным усилием.

Регулирование центробежных компрессоров. В условиях эксплуатация центробежных компрессоров часто возникает необходимость изменять их подачу в широких пределах. Необходимо также обеспечивать определенную зависимость между давлением и подачей. Например, для работы пневматических инструментов необходимо поддерживать в сети определенное давление независимо от изменения подачи. Для компрессоров, нагнетающих воздух в доменные печи, надо поддерживать заданную подачу при изменении давления, которое зависит от сопротивления слоя шихты в печи, изменяющегося в зависимости от хода технологического процесса.

Регулирование центробежного компрессора сводится к изменению положения рабочей точки. Это изменение можно производить изменением характеристик компрессора или сети.

Наиболее распространенными способами регулирования работы компрессора являются изменение частоты вращения ротора и дросселирование. Центробежный компрессор не может работать при помпаже.

На рис. 176 приведена напорная характеристика центробежного компрессора, которая определяет зависимость подачи по всасыванию от конечного давления (кривая 1). При максимальной подаче Q_мaкс давление нагнетания р равно начальному давлению р_н.

При повышении давления в сети нагнетания до р_кр подача компрессора понижается до Q_Kp. Кривая 2 представляет собой характеристику сети.

Случаю, когда компрессор дол жен обеспечить постоянное давление независимо от расхода, отвечает характеристика, соответствующая кривой 4, а случаю, когда компрессор должен обеспечить постоянство расхода при изменяющемся давлении,— кривой 3.

Кроме отмеченных случаев возможен и третий случай, когда необходимо регулирование давления нагнетания при изменении подачи. В этом случае для поддержания определенного давления у потребителя необходимо регулировать давление газа за компрессором. Заданная характеристика компрессора соответствует кривой 2.

На практике выбор способа регулирования зависит от конструкции компрессора и типа привода. Если компрессор имеет привод с регулируемой частотой вращения, то это дает возможность регулировать частоту вращения ротора компрессора. При повышении частоты вращения ротора конечное давление и мощность увеличиваются, при уменьшении — давление и мощность снижаются.

Регулирование изменением частоты вращения ротора является наиболее точным и экономичным способом регулирования.

Для центробежных компрессоров, имеющих в качестве при вода асинхронный двигатель, обычно применяют регулирование дросселированием газа на всасывании. При таком способе регулирования с помощью дроссельной заслонки снижается давление всасывания в компрессор. Таким образом обеспечивается снижение давления нагнетания до заданного. Давление во всасывающем трубопроводе перед дроссельной заслонкой остается постоянным.

Одной из разновидностей способа регулирования центробежных компрессоров является отключение одной стороны у компрессоров с двухсторонним всасыванием. При отборе потребителем наибольших количеств газа, когда подача компрессора меньше критической и лежит в помпажной зоне, необходимо применять антипомпажное регулирование.

Если заданная подача компрессора Q₁ меньше Q_КР, то компрессор настраивают на подачу Q₂, превышающую Q_KP и рас положенную в устойчивой зоне. Разность расхода Q₂— Q₁ пере пускается из линии нагнетания в линию всасывания или выбрасывается в атмосферу. Антипомпажное регулирование осуществляется только в автоматическом режиме специальными анти помпажными регуляторами.

Наиболее простыми по конструкции являются одноступенчатые центробежные компрессоры, не имеющие охлаждения (рис. 177). Подача компрессора не превышает 5 м³/с, а давление нагнетания — 0,1 МПа. Вал компрессора установлен в двух подшипниках скольжения, один из которых радиальный, а другой комбинированный. Корпус компрессора имеет горизонтальный разъем и крепится к корпусу подшипников посредством фланца.

Рабочее колесо компрессора установлено консольно. Со стороны нагнетания рабочее колесо имеет два лабиринтных уплотнения. Пространство между этими уплотнениями соединено отверстием с полостью всасывания, в которую постоянно подсасывается незначительное количество воздуха, так как давление в ней ниже атмосферного. Благодаря этому утечки перекачиваемого газа из компрессора исключаются. Частичная разгрузка от осевой силы происходит за счет того, что одно из лабиринтных уплотнений расположено на большом диаметре несущего диска.

Большинство конструкций центробежных компрессоров предусматривает охлаждение сжимаемого газа. Наиболее простым способом охлаждения является впрыскивание жидкости в сжимаемый газ. Двухступенчатый центробежный компрессор с охлаждением газа   впрыскиванием   жидкости   изображен   на рис 178.