Центробежные компрессоры
В центробежных компрессорах (турбокомпрессорах) давление газа повышается при непрерывном его движении через проточную часть машины в результате работы, которую совершают лопатки рабочего колеса компрессора. Центробежные компрессоры применяются для сжатия газов до давления 0,8 МПа (8 ат). По сравнению с поршневыми центробежные компрессоры имеют ряд преимуществ. Вследствие отсутствия возвратно-поступательного движения частей они не требуют тяжелого фундамента; ротор их вращается с постоянной угловой скоростью, а движущиеся детали соприкасаются с неподвижными деталями только в подшипниках, что позволяет использовать более дешевые быстроходные двигатели. Центробежные компрессоры более компактны. Основной недостаток центробежных компрессоров по сравнению с поршневыми заключается в том, что степень повышения давления в одной ступени компрессора зависит от физических свойств газа, в первую очередь от его плотности. При сжатии легких газов до значительных давлений требуется большое число ступеней. Поэтому для обеспечения требуемой жесткости вала необходимо иметь многокорпусную машину. Центробежные компрессоры, как правило, представляют собой многоступенчатую машину.
На рис. 43 показана в разрезе ступень центробежного компрессора. Находящемуся между лопатками газу при вращении рабочего колеса сообщается вращательное движение, в результате чего газ под действием центробежной силы движется к периферии колеса. Затем газ попадает в диффузор, площадь которого увеличивается с увеличением радиуса, скорость частичек газа при этом снижается, а давление возрастает. Для повышения эффективности работы диффузора по превращению кинетической энергии в потенциальную служат диффузорные лопатки, упорядочивающие движение газа.
При вращении рабочего колеса в зонах, расположенных у оси вращения, давление газа становится меньше, чем во всасывающем трубопроводе, вследствие чего образуется непрерывный поток газа через проточную часть колеса и диффузор. При работе одного колеса и диффузора, образующих ступень центробежного компрессора, где происходит одноступенчатое сжатие газа, степень сжатия невелика и составляет не более 1,2.
Для получения высокой степени сжатия газа e используют несколько ступеней компрессора. 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 направляющего аппарата.
Общая степень сжатия центробежного компрессора определяется степенью сжатия его отдельных ступеней и определяется отношением давленияна выходе из компрессора к давлениюна входе.
Известно, что при сжатии газ нагревается, поэтому при использовании многоступенчатых компрессоров необходимо решить проблему охлаждения. Существуют два способа охлаждения: внутренний и внешний. При внешнем охлаждении газ, прежде чем попадает в следующую ступень, проходит через холодильник, а при внутреннем охлаждении корпус холодильника имеет «рубашку», через которую прокачивается охлаждающаяся вода. Обычно корпус холодильника представляет собой органически связанную с кожухом турбокомпрессора часть конструкции.
Большинство современных машин имеет внешнее охлаждение. Промежуточные холодильники присоединяются либо к нижней части корпуса компрессора, либо к обеим частям корпуса. Охлаждаемый газ протекает в межтрубном пространстве холодильника, а в трубах протекает охлаждающая вода.
По сравнению с внутренним охлаждением компрессоров основным преимуществом внешнего охлаждения является более интенсивное охлаждение газа, так как площадь поверхности охлаждения промежуточного холодильника значительно больше, чем у водяной рубашки.
Наиболее простыми по конструкции являются одноступенчатые центробежные компрессоры, на которых холодильники не монтируются.
Одной из основных частей центробежных компрессоров с внешним охлаждением являются компрессоры, сжимающие воздух для пневматического оборудования и инструментов. Давление нагнетания в этих машинах составляет 0,6-0,9 МПа. В воздушном центробежном компрессоре подачей 5,5 м3/ч и давлением нагнетания 0,8 МПа воздух отводится в промежуточные холодильники, установленные после второй и четвертой ступеней через асимметричные спиральные отводы. Промежуточные холодильники расположены с одной стороны компрессора.
При эксплуатации центробежных компрессоров часто возникает необходимость изменения их подачи в весьма широких пределах. Помимо этих требований необходимо обеспечивать также определенную зависимость между давлением и подачей. Так, например, для работы пневматических инструментов необходимо поддерживать в сети определенное давление независимо от изменения подачи. Для компрессоров, нагнетающих воздух в доменные печи, требуется поддержание заданной подачи при изменении давления, которое зависит от сопротивления слоя шихты в печи, толщина которого изменяется в зависимости от хода технологического процесса.
Регулирование центробежного компрессора по существу является изменением положения рабочей точки. Это изменение можно осуществлять изменением либо характеристики компрессора, либо характеристики сети.
| |||
Рис. 43. Схема ступени центробежного компрессора: 1 - рабочее колесо; 2 - лопатки; 3 - кольцевой отвод; 4 - диффузорные лопатки |
Наиболее распространенными способами регулирования работы компрессоров являются: изменение частоты вращения ротора, изменение проточной части и дросселирование.
Если посмотреть на напорную характеристику 4центробежного компрессора (рис. 44), то можно увидеть, что с уменьшением подач и происходит постепенное сжатие газа до давления . Дальнейшее уменьшение подачи приводит к уменьшению давления. Теоретически оно должно падать вдоль пунктирной линии. На практике этого не происходит. Как только давление достигает значения , периодически происходит возврат газа из области нагнетания в область всасывания, сопровождающийся интенсивными ударами, частота которых зависит от давления сжатия, плотности газов, емкости сети и т. д. Это явление называется помпажем в компрессоре. Точка на характеристике, в которой начинается помпаж, называется границей помпажа. При большом сжатии газа при помпаже возникают такие удары, что эксплуатация турбокомпрессора становится невозможной.
| |||
Рис. 44. Напорная характеристика центробежного компрессора и линии регулирования: 1 - для p = const; 2 - для p = f(Q); 3 – для Q = const |
При отборе потребителем небольших количеств газа, когда подача компрессора меньше критической и лежит в помпажной зоне, необходимо применять антипомпажное регулирование, сущность которого состоит в следующем. Если требуемая подача компрессора меньше , то компрессор настраивают на подачу , которая больше и лежит в устойчивой зоне. Разность расхода, равная - перепускается из линии нагнетания в линию всасывания или выбрасывается в атмосферу. Антипомпажное регулирование осуществляется только в автоматическом режиме специальными антипомпажными регуляторами. Основное отличие регулирования турбокомпрессоров от регулирования поршневых компрессоров заключается в том, что изменение давления, под влиянием которого должен переставляться регулятор, сравнительно невелико. Поэтому в большинстве случаев приходится прибегать к вспомогательным устройствам. Обычно такими вспомогательными устройствами являются либо масляные сервомоторы, либо мультипликаторы, когда регулирование связано с изменением подачи.
Случаю, когда компрессор должен обеспечивать постоянное давление независимо от расхода, будет отвечать характеристика, соответствующая на рис. 44 прямой 1; а случаю, когда расход при изменяющемся давлении постоянен, - прямая 3.
Помимо отмеченных основных случаев возможен и третий, когда требуется регулирование давления нагнетания в зависимости от подачи. В этом случае для поддержания определенного давления у потребителя необходимо регулировать давление газа за компрессором. Требуемая 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 позволяет регулировать частоту вращения ротора компрессора. При повышении частоты вращения ротора конечное давление и мощность увеличиваются, при ее уменьшении давление и мощность снижаются. Регулирование изменением частоты вращения ротора является наиболее точным и экономичным.
Для центробежных компрессоров, имеющих в качестве привода асинхронный двигатель, чаще всего применяют регулирование дросселированием газа на всасывании. При этом способе регулирования с помощью дроссельной заслонки снижается давление всасывания в компрессор, в результате чего достигается снижение давления нагнетания до требуемого значения. Давление во всасывающем трубопроводе перед дроссельной заслонкой остается постоянным.
Регулирование изменениями в проточной части центробежного компрессора заключается в установке перед входом газа в рабочее колесо лопаток, снабженных механизмом поворота, и повороте лопаток диффузора. Этот способ регулирования основан на том, что если поток газа направляющими лопатками перед входом в рабочее колесо предварительно поворачивается в направлении вращения колеса, то степень сжатия будет ниже, чем при радиальном входе, и наоборот. Этот способ не получил до настоящего времени широкого распространения из-за значительного усложнения конструкции компрессора.
Осевые вентиляторы
Осевым вентилятором называется вентилятор, в котором воздух (или газ) перемещается вдоль оси рабочего колеса, вращаемого двигателем (рис. 45). Как и у радиальных вентиляторов, характеристики осевых вентиляторов показывают зависимость давления и мощности на валу и КПД от подачи.
Полную характеристику обычно получают экспериментальным путем при постоянной частоте вращения рабочего колеса. Пересчет параметров работы на другие частоты вращения производится по зависимостям. Форма характеристики определяется конструкцией и аэродинамическими свойствами вентилятора. В отличие от радиальных характеристика давления осевых нагнетателей часто имеет седлообразную форму.
На основе полных характеристик (рис. 46), используя формулы пересчета, получают универсальные характеристики осевых вентиляторов - индивидуальные, совмещенные и безразмерные.
Безразмерные параметры (коэффициенты), характеризующие вентилятор, относятся к его внешнему диаметру или к окружной скорости на внешнем диаметре. Эти параметры меняются вдоль радиуса. Например, коэффициент давления yб изменяется обратно пропорционально радиусу.
Аэродинамические схемы.Под аэродинамической схемой осевого вентилятора подразумевается совокупность признаков и параметров, однозначно характеризующих проточную часть машины: число ступеней, равное числу рабочих колес; тип схемы, зависящей от наличия аппаратов, и их расположение по отношению к рабочему колесу; относительный диаметр втулки; число лопаток колеса и аппаратов, их углы установки.
| |||
Рис. 45. Схема осевого вентилятора: 1 - корпус; 2 – рабочее колесо; 3 - обтекатель |
В тех случаях, когда по условиям компоновки вентилятора перед ним образуется неравномерный по сечению входа поток, входной направляющий аппарат будет уменьшать эту неравномерность и ее неблагоприятное влияние на работу вентилятора.
| |||
Рис. 46. Полная аэродинамическая характеристика осевого вентилятора |
К многоступенчатым вентиляторам относятся также вентиляторы встречного вращения, у которых рабочие колеса вращаются в противоположных направлениях, а аппарат между ними отсутствует. Получив энергию в первом колесе, закрученный поток поступает во второе колесо, которое закручивает его в противоположном направлении, продолжая передавать ему энергию. Эти вентиляторы могут иметь входной и выходной аппараты.
По назначению осевые вентиляторы делят на вентиляторы общего назначения и специальные. Вентиляторы общего назначения предназначены для перемещения чистого или мало запыленного воздуха, не содержащего взрывоопасных веществ, липкой, волокнистой и цементирующей пыли и агрессивных веществ при температуре до 40°С. Температурный предел принят из тех соображений, что при более высоких температурах значительно ухудшаются условия теплоотдачи обмоток электродвигателя, находящегося обычно в потоке перемещаемого газа.
К специальным вентиляторам относят вентиляторы, не используемые в обычных системах общеобменной вентиляции гражданских и промышленных зданий. Это вентиляторы, используемые для перемещения взрывоопасных и агрессивных примесей, шахтные вентиляторы и вентиляторы тоннельной вентиляции, потолочные вентиляторы, вентиляторы градирен, вентиляторы, встроенные в технологическое оборудование, и т. д.
Для перемещения взрывоопасных примесей применяют вентиляторы, выполненные из разнородных металлов: проточная часть выполнена из стали (рабочее колесо) и латуни (в корпусе имеется обечайка в зоне расположения рабочего колеса). При этом перемещаемая среда не должна иметь температуру выше 40°С, вызывать ускоренную коррозию материалов проточной части вентиляторов, содержать пыль и другие твердые примеси в количестве более 10 мг/м3, а также взрывоопасную пыль, липкие и волокнистые материалы.
Шахтные осевые вентиляторы используют в системах вентиляции подземных выработок. Вентиляторы местного проветривания предназначены для установки под землей в шахтах и рудниках и служат для проветривания тупиковых выработок, а также шахтных стволов и околоствольных выработок при их проходке. К местным вентиляторам предъявляют требования взрыво-безопасности, компактности, минимальной массы, устойчивости работы в широком диапазоне расходов воздуха, простоты обслуживания и транспортабельности. Вентиляторы главного проветривания предназначены для обеспечения свежим воздухом шахт горнодобывающей промышленности. Их располагают на поверхности и они перемещают все количество воздуха, проходящего по вентиляционной сети шахты. Шахтные вентиляторные установки работают в основном на всасывание.
Вентиляторы тоннельной вентиляции служат для удаления выделяющихся в процессе эксплуатации теплоты, влаги, пыли и газов, а также поддержания в транспортных тоннелях требуемых метеорологических условий и химического состава воздуха. Работа вентиляторных установок тоннельной вентиляции сопровождается поршневым воздействием транспортных средств (поездов метрополитена и железнодорожных поездов, автомобильного транспорта).
Потолочные вентиляторы (фены) обычно применяют для турбулизации воздушной среды в помещениях, но иногда их используют для создания локального душирующего эффекта (в тех случаях, когда обеспечить требуемую подвижность воздуха вследствие его перемешивания невозможно).
По направлению вращения лопастного колеса вентиляторы могут быть правыми и левыми. Если смотреть со стороны входа воздуха, то у вентиляторов правого вращения колесо вращается по часовой стрелке.
Номер вентилятора определяет его размер, т. е. диаметр рабочего колеса, выраженный в дециметрах.
Номенклатура осевых вентиляторов, выпускаемых нашей промышленностью для использования в промышленных и гражданских зданиях, довольно ограничена и включает вентиляторы типа В-06-300 (№ 4; 5; 6,3; 8; 10 и 12,5) и В-2, 3-130 (№ 8; 10 и 12,5). Из разнородных металлов выпускаются вентиляторы лишь типа В-06-300 (№ 5; 6,3; 8; 10 и 12,5). В крышной модификации выпускается осевой вентилятор с колесом Ц3-04 (№ 4; 5 и 6,3), При этом рабочее колесо вращается в горизонтальной плоскости; приводом служит вертикально расположенный электродвигатель.
Номенклатура шахтных вентиляторов и вентиляторов тоннельной вентиляции довольно обширна и приведена в специальных справочных руководствах. Отличительной особенностью этих вентиляторов (по сравнению с вентиляторами общего назначения) является высокая подача. Например, вентилятор типа ВОМД-24 (осевой двухступенчатый реверсивный с диаметром рабочих колес 2400 мм), применяемый для реверсивной вентиляции метрополитена, имеет подачу: при прямом ходе - 70 000-250 000 м3/ч, при реверсивном - 60000-200000 м3/ч.
В связи с осевым направлением потока непосредственное присоединение нагнетателя к трубопроводу является самым простым конструктивным решением. При входе в корпус чаще всего устанавливается очерченный плавной кривой коллектор. Если же перед нагнетателем имеется достаточно длинный трубопровод (такого же диаметра, что и корпус), то коллектор, естественно, становится ненужным. Следует заметить, что при очень длинных трубопроводах ( >5d) наличие пограничного слоя на стенках трубы может привести к значительному вытягиванию профиля скоростей и нарушению работы нагнетателя. В связи с этим желательно цилиндрические участки на подводах к нагнетателю делать больших, чем у нагнетателя, диаметров.
Для вентиляторных установок, работающих на всасывание, присоединительными элементами к сети могут быть:
- входная коробка или входное колено для присоединения вентилятора к каналу, идущему от устья вентиляционной шахты;
- выходная часть, состоящая из примыкающего к вентилятору диффузора и поворотного участка за ним. Иногда за диффузором устанавливается шумоглушитель.
Насосы с диаметром лопастей более 1 м имеют подвод в виде колена, небольшие насосы - камерный подвод.
При построении эффективной рабочей характеристики нагнетателя следует учитывать наличие различных колен и коробок, с помощью которых нагнетатель присоединяется к сети.
В зависимости от схемы вентиляторов, угла установки лопастей их рабочих колес и относительного диаметра втулки их характеристики могут иметь различную форму (рис. 47). При малых углах установки лопастей (10-15°) характеристики давления обычно монотонны (кривая 1).
| |||
Рис. 47. Различные виды характеристик давления осевых вентиляторов |
При увеличении угла установки характерно появление максимума давления и седловины (кривая 2),отчего вся характеристика делится на левую - нерабочую и правую - рабочую ветви. При работе на левой ветви могут образовываться вращающиеся срывные зоны, угловая скорость которых отличается от скорости вращения рабочего колеса, что приводит к возникновению переменных нагрузок на лопасти и вибрации. При еще больших углах установки происходит разрыв характеристики давления (кривая 3).
Если на характеристике имеется глубокая седловина или разрыв, то режим работы при соответствующих подачах становится неустойчивым и возникает вероятность помпажных явлений, связанных с сильными колебаниями подачи и давления, что в некоторых случаях может вывести вентилятор из строя.
При использовании нагнетателей, имеющих характеристику с разрывом, наименьшая допустимая подача обусловливается положением точки разрыва, в то время как наибольшая - выбирается из условия обеспечения минимально допустимого значения КПД. Это обстоятельство приводит к уменьшению диапазона подач, который возможен для данного вентилятора. Работа вентилятора в области, расположенной правее максимума давления, исключает опасность как появления вращающихся срывных зон, так и возникновения помпажа.
В условиях эксплуатации часто требуется, чтобы установка обеспечивала такой диапазон режимов работы, который невозможно получить с помощью характеристики, соответствующей фиксированным углам установки лопастей вентилятора и принятой частоте вращения рабочего колеса. В этих условиях выполняется регулирование вентилятора одним из следующих способов: 1) изменение частоты вращения лопастного колеса; 2) поворот лопастей рабочего колеса; 3) поворот лопаток входного направляющего аппарата; 4) дросселирование.
Последний способ регулирования, как и для радиальных вентиляторов, самый неэкономичный, так как затраты мощности мало изменяются при уменьшении подачи.
Применение способа регулирования поворотом лопастей рабочего колеса определяется двумя факторами: безопасностью работы и экономичностью (при параллельном включении учитывается также устойчивость работы).
Осевые вентиляторы с поворотными лопастями колес обладают способностью значительной (до 50 %) регулировки подачи, с сохранением при этом оптимального значения КПД. Однако при этом способе регулирования требуется вентилятор особой конструкции, позволяющей изменять в известных пределах угол установки лопастей его рабочего колеса. Практически изменение угла поворота происходит в диапазоне от 15 до 45°.
Регулирование изменением частоты вращения лопастного колеса, хотя и является самым экономичным способом регулирования, применяется очень редко из-за сложности практического осуществления приводного устройства.
Наиболее рациональный способ регулирования в каждом конкретном случае выбирается с учетом всех показателей.
Осевые насосы
Современная тепловая электростанция потребляет большое количество воды, подаваемой циркуляционными насосами и используемой для охлаждения оборудования и других технических целей.
Широкое применение получили осевые насосы.
В осевых насосах рабочее колесо выполняется, как правило, погружного типа, т. е. располагается ниже уровня жидкости в приемном резервуаре, а приводной двигатель устанавливается выше этого уровня для исключения его затопления. Поэтому чаще всего осевые насосы бывают вертикального исполнения.
Рис. 48. Схема осевого насоса |
На рис. 48 приведена схема рабочего органа осевого насоса. В корпусе 1, представляющем собой проточную часть насоса, находится рабочее колесо, состоящее из ступицы 2 с установленными на ней лопастями 3. Число лопастей осевого насоса обычно не превышает шести. Энергия движущейся жидкости в рабочем колесе насоса передается по тому же принципу, что и у центробежного.
Осевые насосы могут быть жестколопастными, в которых лопасти рабочего колеса жестко закреплены относительно ступицы и угол их установки не может быть изменен, и поворотно-лопастными, в которых положение лопастей может регулироваться.
Проходя через рабочее колесо, жидкость участвует одновременно в двух движениях: переносном (вращательном) и относительном (поступательном). Для установления вращения жидкости в рабочем колесе с целью уменьшения ее напора за вращающимся рабочим колесом устанавливают неподвижный вращающийся аппарат 4, состоящий из ряда лопастей. Ступица рабочего колеса насажена на вал 5, соединенный с электродвигателем. Из проточной части насоса жидкость попадает в напорный трубопровод.
Коэффициент удельной быстроходности осевых насосов >600, т. е. это насос, обладающий большой подачей и малым напором. Достоинством этих насосов является простота и компактность конструкции, а также возможность перекачивания загрязненных жидкостей.
В осевом насосе жидкость движется в осевом направлении вдоль цилиндрических поверхностей. Следовательно, радиусы входа и выхода жидкости из рабочего колеса одинаковы: .
Для ориентировочных подсчетов напор, развиваемый осевым насосом, можно определить по выражению
H=(1/ )( /2g),
где - коэффициент напора, равный 0,0244 ; u - окружная скорость на внешнем диаметре рабочего колеса.
Теоретическую подачу осевого насоса можно определить по формуле
,
где Q - внешний диаметр рабочего колеса; d- диаметр ступицы (может быть принят равным 0,5D); - осевая скорость.
Коэффициент полезного действия h большинства осевых насосов равен 0,75-0,90.
| |||
Рис. 49. Характеристика осевого насоса |
Регулирование подачи жестколопастных насосов производится изменением частоты вращения рабочего колеса а поворотно-лопастных насосов - изменением угла наклона лопастей. Регулирование подачи задвижкой невыгодно, так как связано с резким уменьшением КПД. Отечественная промышленность выпускает осевые насосы типов О и ОП. Это одноступенчатые насосы с жестким креплением лопастей (тип О) и поворотно-лопастные насосы (тип ОП), позволяющие менять угол установки лопасти во время остановки насоса. На рис. 49 приведена рабочая характеристика осевого насоса. На малых подачах кривая H=f(Q) круто падает вниз, имея характерный перегиб в точке А. В отличие от центробежных насосов мощность осевых насосов понижается при увеличении подачи и имеет наибольшее значение при подаче, равной нулю.
Осевые насосы типа О служат для подачи пресной, морской и загрязненной воды температурой до 35 оС. Осевые насосы типа ОП предназначены для подачи технически чистой воды температурой до 50 оС, а также пресной и морской воды температурой до 45 оС.
Осевые компрессоры
Осевые компрессоры предназначены для сжатия любых газов. Они получили широкое распространение в энергомашиностроении благодаря высокой быстроходности (и следовательно, большей компактности) и большим КПД по сравнению с турбокомпрессорами.
Осевые компрессоры являются многоступенчатыми машинами, принцип работы которых состоит в следующем. Лопатки bрабочего колеса а образуют поверхность, которая, взаимодействуя во время вращения рабочего колеса с окружающим газом, перемещает его в направлении действия подъемной силы. Двигаясь поступательно, газ одновременно с колесом участвует и во вращательном движении. Для устранения вращательного движения газ проходит через направляющий аппарат, снабженный лопатками с, после чего поступает в следующую ступень или отводится в напорный патрубок. Часто перед поступлением в первую ступень потоку газа сообщают предварительную подкрутку с помощью лопаток и направляющего аппарата, установленного перед рабочим колесом.
| |||
Рис. 50. Схема установки осевого компрессора с газовой турбиной |
Степень сжатия в одной ступени осевого компрессора обычно невелика и составляет e = 1,15-1,35. Поэтому для получения высокого давления компрессор имеет большое число ступеней.
Сопоставление характеристик осевых и центробежных компрессоров показывает, что в осевых компрессорах с изменением подачи резче меняется КПД и степень сжатия. Диапазоны устойчивых режимов у осевых компрессоров меньше, однако в расчетных режимах осевые компрессоры позволяют получить большие КПД, чем центробежные.
Регулирование осевых компрессоров может осуществляться по тем же схемам, что и турбокомпрессоров. Однако наряду с ними в осевых компрессорах возможно регулирование поворотными направляющими, а иногда и рабочими лопатками одной или нескольких ступеней.
Для работы в силовых и энергетических установках осевые компрессоры применяются, как правило, в соединении с газовыми турбинами. В этом случае мощность газовой турбины расходуется частично на привод компрессора, питающего воздухом камеру сгорания, а частично передается на вал электрогенератора. На рис. 50 приведена простейшая схема установки осевого компрессора с газовой турбиной. Сжатый осевым компрессором 1 воздух подается для сжигания топлива в камеру сгорания 4, откуда смесь горячих газов и воздуха поступает в газовую турбину 5. Излишек мощности турбины через редуктор 2 передается на вал электрогенератора 3.
Дата добавления: 2019-02-08; просмотров: 1110;