§ 13.3. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

Центробежные компрессоры по принципу действия и устройству подобны центробежным насосам, но имеют особенности, связанные со сжимаемостью перекачиваемой среды и высокими частотами вращения (десятки тысяч оборотов в минуту).

Так же как и насосы, центробежные компрессоры подразделяются на одноступенчатые (нагнетатели) и многоступенчатые (нагнетатели и собственно компрессоры), однопоточные и многопоточные.

Схемы одноступенчатых компрессоров показаны на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Одноступенчатые лопастные компрессоры

При небольших выходных углах наклона лопастей β_jприменяют простую схему а со спи­ральной камерой (улиткой). При окружных скоростях до 300 м/с используют закрытые рабочие колеса, обеспечивающие увеличение КПД на 2 -3% по сравнению с полуоткрытыми колесами. Если угол β_2liдостаточно велик (> 40°), то компрессоры выполняют с направляющими аппаратами, называемыми диффузорами (схемы б, в, г). Кольцевой без­лопастный диффузор, предшествующий лопастному направляющему аппарату, способствует выравниванию потока и уменьшению шума при работе машины. Полуоткрытые рабочие колеса (схемы в, г) позволяют достичь больших окружных скоростей (порядка 500 м/с). Рабочие колеса на схеме в - осерадиальные, а на схеме г - диагональные.

В многоступенчатом нагнетателе или компрессоре имеются все характерные элементы многоступенчатого насоса - направляющие аппараты НА, обратные направляющие аппараты ОНА, диафрагмы с уплотнениями Д (рис. 13.3, а). На эпюре показано изменение давления и скорости газа в рабочем колесе и в отводе между точками /, 2, 3и 4.

Рис. 13.3. Схемы многоступенчатых центробежных компрессоров

Многоступенчатые нагнетатели выполняют в одном корпусе (рис.

Многоступенчатый компрессор (рис. 13.3, в) состоит из нескольких секций (при показателе адиабаты к = 1,40 до трех ступеней в каждой) с промежуточным охладителем X. Промежу­точное охлаждение необходимо для экономии мощности путем приближения процесса ступенчатого сжатия к изотермическому (подробнее см. далее). Число промежуточных охлаждений устанавливают, сопоставляя экономию мощности компрессора с дополнитель­

ными затратами на охлаждение и усложнение компрессорной установки при увеличениичисла охладителей [18, с. 160].

Сжатие с одним промежуточным охладителем выгодно при ε= 2,5 - б. С уменьшением значения показателя адиабаты к указанный верхний предел величины εвозрастает. Сжатие в одном корпусе с двумя промежуточными охладителями эффективно при более высоких степенях повышения давления (до 10 при k = 1,4). С увеличением числа рабочих колес в одном корпусе и удлинением ротора снижаются критические частоты вращения вала, при которых возникают недопустимо большие вибрации отбалансированного ротора. Когда рабочая частота существенно отличается от критической, прогибы вала и вибрационные нагрузки резко снижаются. Рабочая частота может быть меньше или больше первой критической, при этом вал называют соответственно «жестким» или «гибким». Возможности повышения критических частот путем уменьшения массы роторов и увеличения их жесткости ограничены. В связи с этим, при ε> 10 приходится размещать рабочие колеса в двух корпусах.

Например, компрессор К-380-101-1 с объемным расходом газа на входе 500 м³/мин, предназначенный для сжатия нефтяного газа от 0,15 до 4,2 МПа (ε= 28), выполнен с двумя корпусами. В каждом корпусе расположено по пять рабочих колес. Частота вращения ротора в первом корпусе составляет 7 350 об/мин, во втором - 17 тыс. об/мин. Компрессор имеет только один охладитель между корпусами, что объясняется низким значением показателя адиабаты сжимаемого газа, а также возможностью выпадения жидкой фазы при его охлаждении.

В отличие от насосов рабочие колеса в компрессоре могут быть неодинаковыми по диаметру и по форме. Обычно наружный диаметр колеса уменьшается с увеличением порядкового номера секции; внутри секции колеса имеют, как правило, одинаковый диаметр, но могут отличаться шириной каналов в меридиональном сечении (в частности, отношением b₂/D₂) ^[XXI].Это объясняется следующими причинами. Если диаметры и тип лопастного аппарата у всех колес в одном корпусе выполнять одинаковыми, что удобно технологически и удешевляет изготовление машины, то, поскольку объем протекающего газа уменьшается, а меридиональная скорость c_2mсохраняется постоянной, последние колеса окажутся чрезмерно узкими (b₂/D₂мало), что приведет к росту аэродинамических потерь и снижению КПД.

Если же диаметры при переходе от первой секции к последующим уменьшаются, тополучают приемлемые значения b₂∕D₂и в последних ступенях.

С уменьшением диаметра колес снижается окружная скорость u₂,и, следовательно, требуется больше колес для заданной степени повышения давления ε.

А это приводит к увеличению осевого габарита машины, и к снижению критических частот вращения ротора, вследствие чего появляется опасность сближения рабочей частоты вращения со второй критической. Поэтому в одном и том же компрессоре иногда применяют лопастные аппараты различного типа. При этом выходной угол наклона лопастей β_2Λи скорость c_2mпостепенно уменьшаются от первой ступени к последней, что позволяет сохранить диаметры ступеней внутри одного корпуса равными или близкими [18, с. 164].

Для привода центробежных компрессоров применяют: стандартные электродвигатели, достоинствами которых являются простота запуска и удобства в эксплуатации; газовые турбины, обладающие автономностью, более высокой, нежели стандартные электродвигатели, частотой вращения (5,5 - 6,0 тыс.

В зависимости от вида привода возможны различные варианты компоновки двухкорпусных машин. При самостоятельном приводе каждого корпуса K₁и K₂ непосредственно от турбины Т (рис. 13.3, г) или через мультипликатор М от электродвигателя Д (рис. 13.3, д) возможно сообщить каждому ротору различную ча­стоту вращения, но компрессорный агрегат состоит из большого числа отдельных машин. Это усложняет обслуживание и увеличивает эксплуатационные расходы. Более выгодны схемы с одним двигателем, но разными частотами вращения ротора в каждом корпусе компрессора. От высокооборотного двигателя (турбины) первый корпус K₁ низкого давления принимает мощность непосредственно, а второй K₂высокого давления - через мультипликатор М (рис. 13.3, е). При электроприводе требуется повышение частоты вращения вала также и в первом корпусе (рис. 13.3, ж, з).

Ротор

Рабочие колеса центробежных компрессоров различают в зависимости от типа лопастей: 1) с лопастями, загнутыми назад и 2) с радиальными лопастями, имеющими входную часть пространственной формы (рис. 13.4, а).

Первый тип используют в стационарных нагнетателях и компрессорах. Различаютрабочие колеса насосного типа (β_2jl = 15 - 30°, число лопастей z = 6 - 9) и колеса компрессорного типа (β_2jl = 35 - 55°, z = 18 - 30).

В последнее время для начальных ступеней компрессора применяют также рабочие колеса с β_2jl = 55 - 90° (колеса авиационного типа). Эффективность лопастного аппарата такого типа несколько снижена, но степень повышения давления в ступени получается большей.

Лопасти изготовляют постоянной толщины (2 - 8 мм), с округлённой входной и скошенной выходной кромками. Наиболее распространена форма лопасти в виде дуги окружности.

Рабочее колесо - наиболее напряженная деталь центробежного компрессора. Рис. 13.4, в даёт представление о напряжениях радиальном σ_r,кольцевом σ_t,и расчетном (3σ_t- σ_r) в несущем и покрывающем дисках колеса при окружной скорости на выходе u₂ = 293 м/с, а также о профиле дисков, обеспечивающем равнопрочность [6]. Диски изготовляют из кованой углеродистой или легированной стали, а при низких окружных скоростях - отлитыми из стали или из алюминиевых сплавов. Рабочие колеса небольших размеров изготовляют фрезерованием или электроэрозией. С целью уменьшения потерь внутренняя поверхность рабочих колес выполняется гладкой; с наружной стороны диски полируют.

Рис. 13.4. Рабочие колёса центробежных компрессоров:

а - открытое с радиальными лопастями; б - крепление лопастей в закрытых колёсах;

1- штампованное z-образной формы, с креплением заклёпками; 2- фрезерованное

с шипами; 3- со сквозными отверстиями; в - эпюры напряжений в дисках

Так же как и в некоторых насосах, на валу многоступенчатого компрессора установлеїразгрузочный поршень (думмис). Этот поршень обычно уравновешивает примерно 3/4 осевого усилия, остальная часть усилия воспринимается упорным подшипником.

В результате предотвращаются возвратные осевые перемещения ротора при изменении режима работы компрессора.

При больших частотах вращения вала, применяемых в компрессорах, сравнительно небольшая неуравновешенность ротора вызывает вибрацию машины, что в некоторых случаях приводит к поломке уплотнений.

Перед посадкой на вал каждое колесо проходит статическую балансировку, а затем ротор в сборе - динамическую балансировку. Дебаланс устраняется снятием металла с обода крайних колес. Рабочие колеса насаживают на вал с натягом, гарантирующим сборку ротора от дебаланса и от расслабления при вращении.

Осевой сдвиг ротора, вызванный износом упорного подшипника, контролируется реле, останавливающим машину при недопустимом сдвиге.

Уплотнения

Для разделения отдельных участков проточной части с различным давлением газа и уменьшения перетеканий газа служат лабиринтные уплотнения. Они состоят из гребней, разделяющих кольцевой зазор между вращающейся и неподвижной деталями на ряд камер (рис. 13.5, а - г). Лабиринтные гребни толщиной менее 1 мм укрепляются в корпусе (а, б) или на роторе (в, г). Гладкие уплотнения (г) проще в изготовлении, но менее эффективны, нежели ступенчатые (а, б, в). Радиальный зазор под гребнями выполняют минимальным (менее 1 мм) в зависимости от диаметра уплотнения и возможного прогиба вала.

Лабиринтные уплотнения устанавливают также в местах выхода вала из корпуса компрессора. Если утечка сжимаемого газа из машины недопустима (вредные и взрывоопасные газы), применяют следующие средства герметизации [6].

1. В месте выхода вала постоянно поддерживают давление ниже атмосферного, поэтому через лабиринтное уплотнение в машину извне проникает небольшое количество воздуха.

2. В месте выхода вала давление поддерживают немного выше атмосферного, но ниже, чем в машине, для чего на валу устанавливают простейший вентилятор 1(рис. 13.5, д).

В пространстве а воздух из окружающей среды смешивается с газом, и образующаяс.

смесь удаляется через отверстие б.

Рис. 13.5. Уплотнения в компрессорах

3. Из внутреннего фонаря лабиринтного уплотнения по схеме рис. 13.5, е безопасная смесь кислорода и азота, подаваемого во внешний фонарь, отводится в окружающую среду.

4. Для уплотнения вала нагнетателя природного газа обеспечивают подачу масла в опорный подшипник. При этом давление масла поддерживается с помощью регулятора несколько большим, чем давление газа в нагнетателе.

5. Применяют торцовые уплотнения, при необходимости герметизируемые циркулирующим маслом (рис. 13.5, ж).

6. Используют сильфонное уплотнение (рис. 13.5, з). Кольца торцовых уплотнений 1 прижимаются друг к другу двумя концентрично расположенными сильфонами 2,сжатыми между вращающимся диском 3и стенкой корпуса. В кольцевое пространство между сильфонами под давлением подается масло, полностью герметизирующее выход вала.

Виды и некоторые примеры конструкций центробежных компрессоров

Центробежные компрессоры подразделяют по конструктивным признакам на:

1) одно- и многоступенчатые;

2) одно- и многокорпусные;

3) консольные, с выносными опорами (по расположению рабочих органов и опор);

4) с осевым, боковым и двусторонним входом (по расположению входа в компрессор

5) с торцовым разъемом, с осевым разъемом, с двойным корпусом (по виду разъема корпуса).

Центробежные компрессоры в большинстве случаев имеют несколько ступеней. При небольшой подаче они изготовляются секционными с разделением ступеней на отдельные секции с разъемом в плоскостях, нормальных к оси машины.

Компрессоры средней и высокой подач, как правило, изготовляются с разъемом корпуса в горизонтальной плоскости аналогично современным паровым турбинам. В этом случае прямой и обратный направляющие аппараты составляют одно целое с половинами корпуса или же, что встречается чаще, размещаются на диафрагмах, плотно вставленных в корпус. Диафрагмы имеют разъем в горизонтальной плоскости.

Охлаждение корпуса компрессора, желательное с энергетической точки зрения, усложняет конструкцию корпуса. Поэтому компрессоры строят с подразделением ступеней на группы в отдельных корпусах и расположением промежуточных охладителей между корпусами. Таким образом, возможны компрессоры одно-, двух- и трехкорпусные.

Промежуточные охладители могут располагаться и между группами ступеней, заключенных в одном корпусе.

На рис. 13.6 представлен продольный разрез второго корпуса шестиколесного турбокомпрессора с подачей 9000 м³/ч при давлении 0,7 МПа, частота вращения составляет 10 200 об/мин при мощности на валу 1200 кВт. Первый корпус этого компрессора имеет одно колесо с двусторонним подводом. Воздух, сжатый в первой ступени, проходит через трубчатый охладитель и поступает в приемный парубок второго корпуса, в котором размещены пять колёс составляющих ступень конечного сжатия. Воздух проходит последовательно через колесо 2 и диффузор и поступает в колесо 3. Затем, пройдя через прямой и обратный направляющие аппараты, он попадает в колесо 4, откуда направляется через промежуточный охладитель и канал в пятую 5и шестую 6 ступени. Основными элементами конструкции здесь являются: литой чугунный корпус 7, замыкающие крышки 8и 9корпуса, несущие патрубки 1и 1и коробки подшипников (на рисунке не показаны).

Внутри корпуса располагаются диафрагмы, несущие лопасти обратного направляющего аппарата.

Уравновешивание осевой силы достигается обратным расположением пятой и шестой ступеней и упорным сегментным подшипником, находящимся между корпусами компрессора.

Рис. 13.6. Продольный разрез второго корпуса турбокомпрессора

Между ступенями располагаются гребенчатые уплотнения. Вал в крышках имеет графитоугольные уплотнения.

Колеса всех ступеней выполнены из стальных поковок; контур лопастей осуществляется фрезерованием. Лопасти консольные, крепящиеся только на ступице; они не имеют ни основного, ни покрывного диска. Крепление рабочих колес на валу достигается шпонками и затяжными гайками.

Подшипники - скользящего трения с принудительной подачей масла от роторного насоса, приводимого в движение от валика шестерни редуктора.

Привод компрессора осуществляется электродвигателем с n = 3000 об/мин; повышение частоты вращения до 10 200 об/мин достигается зубчатым вариатором. Оба корпуса компрессора и вариатор устанавливаются на массивной чугунной раме, крепящейся к фундаментным балкам. Электродвигатель устанавливается на раме, жестко сопряженной с рамой компрессора, и фундаментом.

Рис. 13.7. Доменный компрессор К - 3250 - 41 - 2

На рис. 13.7 дан продольный разрез четырехступенчатого компрессора типа

К-3250-41-2, применяемого в доменном процессе.

Рис.13.8. Компрессор К - 100 - 61 - 2 со встроенными охладителями

Подача такого компрессора V = 2840 - 3250 м³/ч при конечном давлении р= 0,36 - 0,42 МПа. Привод компрессора происходит от паровой турбины АКВ -12 - IV с частотой вращения 2500 - 3400 об/мин. Охлаждение производится выносным охладителем между третьей и четвертой ступенями.