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. 4.7.

Рис. 4.7 Одноступенчатые лопастные компрессоры

При неболь­ших выходных углах наклона лопастей β_2Л применяют 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_2л достаточно 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. 4.8, а). На эпюре показано изменение давления и скорости газа в рабочем колесе и в отводе между точками /, 2, 3 и 4.

Рис. 4.8 Схемы многоступенчатых центробежных компрессоров

Многоступенчатые нагнетатели выполняют в одном корпусе (рис. 4.8, б). На выходе из последней ступени газ поступает в улитку или сборную камеру, а затем направляется в нагнета­тельный патрубок.

Многоступенчатый компрессор (рис. 4.8, в) состоит из не­скольких секций (при показателе адиабаты k = 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 увеличении числа охладителей.

Сжатие с одним промежуточным охладителем выгодно при ε = 2,5 - б. С уменьшением значения показателя адиабаты k указанный верхний предел величины ε возрастает. 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. 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_2m сохраняется постоянной, последние колеса окажутся чрезмерно узкими (b₂/D₂ мало), что приведет к росту аэродинамических потерь и снижению КПД.

Если же диаметры при переходе от первой секции к последующим уменьшаются, то получают приемлемые значения b₂/D₂ и 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_2л и скорость c_2m постепенно уменьшаются от первой ступени к последней, что позволяет сохранить диаметры ступеней внутри одного корпуса равными или близкими.

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. об/мин) и возмож­ностью экономичного регулирования; паровые и воздушные (для холодильных компрессоров) турбины с высокой частотой вращения (до 100 тыс. об/мин)¹.

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).

Различают рабочие колеса насосного типа (β_2л = 15 - 30°, число лопастей z = 6 - 9) и колеса компрессорного типа (β_2л = 35 - 55°, z = 18 - 30).

В последнее время для начальных ступеней компрессора применяют также рабочие колеса с β_2л = 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. Способы крепления лопастей в закрытых рабочих колесах показаны на рис. 4.9, б. Применяют также сварные колеса.

Рабочее колесо - наиболее напряженная деталь центробежного компрес­сора. Рис. 14.9, 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. 4.9. Рабочие колёса центробежных компрессоров:

а – открытое с радиальными лопастями; б – крепление лопастей в закрытых колёсах; в – эпюры напряжений в дисках

1 – штампованное z –образной формы, с креплением заклёпками;

2 – фрезерованное с шипами; 3 – со сквозными отверстиями;