Совместными
усилиями
к общему успеху...
с_1997 года
"ИНТЕХ ГмбХ"
Компрессоры лопастного типа представляют собой машины динамического действия, рабочие органы которых – лопатки, усиливают давление газа в непрерывном потоке. При вращении лопатки передают газу кинетическую энергию, которая затем переходит в потенциальную. Приращение энергий, кинетической и потенциальной, перекачиваемого газа происходит следующим образом: газ, взаимодействуя с вращающейся решеткой, в которой размещены лопатки рабочего колеса (одна из них вращается, а другая находится в неподвижном положении), создаёт соответствующее постоянное давление, не создавая при этом пульсаций. Это есть характерная особенность в работе компрессоров данного типа. Покидая рабочее колесо, газ уходит в отводящее устройство. Увеличение энергии потока газа в проточной части компрессора влечет за собой сжатие газа, не изменяя термодинамическое состояние.
Существуют следующие виды лопастных компрессоров или, как их ещё называют, турбокомпрессоров:
Существует функциональная зависимость между всеми элементами проточной части компрессора. Это означает, что если, например, рабочее колесо имеет хорошие аэродинамические характеристики, то не обязательно будет обеспечен необходимый КПД установки.
Ступень компрессора данного типа включает:
Представим себе работу промежуточной ступени на примере центробежного компрессора. В роли подводящего устройства ступени выступает обратный направляющий аппарат и входной направляющий аппарат, которые и создают необходимую турбулентность потока на входе в рабочее колесо. Рабочее колесо (в данном случае закрытого типа) неподвижно закреплено на валу. Покидая колесо, газ поступает в безлопаточный кольцевой диффузор, затем проходит в обратный направляющий аппарат следующей ступени.
Чтобы минимизировать перетекания газа между вращающимся колесом и неподвижной системой статора, между ступенями используют лабиринтные уплотнения. Это помогает создать высокий КПД ступени и влияет на энергетические характеристики самой ступени.
Составные части ступени можно условно разграничить с помощью контрольных сечений и их газодинамические параметры будут отражать процесс протекания газовой среды в проточной части ступени компрессора. Воронка на входе рабочего колеса имеет радиальное сечение, которое определяет параметры потока при его попадании в рабочее колесо. Попадание потока газа на лопатки также характеризуется определенным сечением, расположенным параллельно входной кромке лопасти. На входе и выходе отвода также выбираются сечения, которые размещаются параллельно оси вращения ротора. Для компрессоров центробежного типа отвод может быть выполнен в виде спиральной камеры кольцевого безлопаточного диффузора или отвода с лопатками. В месте соединения вала и корпуса компрессора монтируются концевые уплотнения.
Лопастные компрессоры наряду с другими объёмными компрессорами наиболее широко используют в ДВС для наддува.
Лопастные компрессоры представляют собой устройства, в которых газ перемещается из зоны низкого давления в зону высокого давления при непрерывном воздействии лопаток на поток, вызывая тем самым сжатие и повышение кинетической энергии газа. Полученная газом кинетическая энергия превращается в давление в диффузоре, находящимся следующим, после рабочего колеса.
Лопастные компрессоры были выбраны для своего применения в сферах промышленности с низким или средним давлениями и высокой производительностью. Через колесо в компрессоре проходят не жидкости, а газы, и из-за изменения плотности газа при изменениях его давлений процесс сжатия усложняется. Однако, так как разница давлений внутри колеса невелика, то все расчеты компрессора ведутся, исходя из удельной плотности газа. Чем с большей окружной скоростью выходит газ из колеса, тем больший напор создает компрессор и тем прочнее должен быть материал рабочего колеса. Колесо из легированной стали может обеспечить степень сжатия ξ = 1,25...1,5.
При необходимости получения более высоких степеней сжатия сжимать газ нужно последовательно в нескольких колесах. Скорость газа на выходе из рабочих колес очень высокая – может достигать 160...170 метров в секунду, что говорит о высокой кинетической энергии газа.
Если газовая среда в рабочем колесе перемещается под действием центробежных сил радиально, то это центробежный компрессор лопастного типа (радиальный). Если же движение газовой среды идет вдоль или параллельно оси рабочего колеса, то это осевой компрессор лопастного типа. Оба вида лопастных компрессоров напоминают по принципу устройства насосы одноименных типов, однако у компрессоров имеются конструктивные особенности, которые связаны с сильным уменьшением объема газа и повышением температуры.
1) Центробежный компрессор. Основным узлом данного компрессора является набор лопастей, имеющих сложную форму и расположенных на равном расстоянии друг от друга на ободе диска. Лопасти (см. рисунок ниже) засасывают поступающий воздух, разгоняя его к выходной трубе. Под действием центробежной силы происходит сжатие воздуха. Перед выходом воздух можно прогонять дополнительно через диффузор, предназначенный для снижения потерь давления.
Мощность компрессора не полностью расходуется на сжатие газа – как и в любом механизме, компрессор имеет потери энергии. При движении газа в проточной части газодинамические потери влекут за собой снижение напора, это означает, что фактический напор у компрессора всегда меньше расчетного. На преодоление этих потерь идёт часть мощности компрессора. По аналогии – полезная производительность рабочих колёс всегда меньше расчетной.
В процессе работы компрессора вращающиеся детали (рабочее колесо, валы) трутся о перекачиваемый газ и немного изнашиваются. Также трению подвергаются подшипники и концевые уплотнения компрессора. Чтобы преодолевать это трение, требуются дополнительные затраты мощности, поэтому, чтобы рассчитать полезную мощность, необходимо из потребляемой мощности вычесть затраты, идущие на преодоление потерь. Сложное конструктивное исполнение проточной части компрессора затрудняет оценку потерь, однако использование компьютера позволяет довольно точно подсчитать потери, связанные с затратами мощности на трение в компрессоре. Все потери в ступенях компрессора суммируют.
В ступенях компрессора имеют место:
а) газодинамические потери, связанные с изменением скорости потока и направления его в проточной части;
б) дополнительные потери, связанные с ударным натеканием потока на лопатки, с отрывами потока и вихреобразованием газового потока;
в) потери в рабочем колесе;
г) объемные потери (протечки газа);
д) механические потери: внутренние механические потери от трения наружных вращающихся элементов о перекачиваемый газ и внешние механические потери вследствие трения в подшипниках и концевых уплотнениях компрессора.
Для компрессоров центробежного типа справедливо будет принять следующее уравнение:
Ws = u2CΘ2 – u2CΘ2,
где
Ws — входная мощность на валу,
u — скорость конца лопастей,
Cθ — касательные составляющие скоростей потока, который отскакивает от лопастей, на входе и выходе, соответственно.
В качестве привода для компрессорных машин центробежного типа используются:
К главным недостаткам центробежного компрессора следует отнести то, что для работы ему необходима очень высокая скорость вращения крыльчатки. Создаваемое компрессором давление равняется квадрату скорости крыльчатки, в связи с этим, базовая скорость компрессора составляет минимум 40 000 об /мин., однако может достичь и 200 000 об/мин. Это приводит к очень высокой скорости вращения ремня приводного механизма, что вызывает сильный шум при работе, и быстрый износ деталей компрессора. Проблему шума устраняют иногда с помощью установки дополнительного устройства, мультипликатора, теряя при этом часть КПД компрессора.
На малых оборотах эффективность такого компрессора очень мала, однако при увеличении числа оборотов происходит довольно быстрое увеличение мощности. По этой причине центробежный компрессор устанавливают на машины, где необходима высокая мощность и скорость и не принимается во внимание низкая интенсивность разгона.
Плюсы компрессоров центробежного типа: низкая цена, простота установки. Благодаря этому центробежные компрессоры стали популярны в автомобилестроении.
В случае уменьшения расхода центробежного компрессора и размера лопаток снижение КПД этих компрессоров не так значительно, поэтому основной областью применения центробежных компрессоров можно считать газотурбинные установки с незначительными расходами рабочей среды и параметрами степеней сжатия. В этой области применения центробежные компрессорные установки превосходят осевые по КПД и массе, имея одинаковую степень сжатия.
К явным достоинствам центробежных компрессоров относятся простота конструкции, небольшое количество комплектующих деталей, лучшие характеристики процесса перекачивания, невысокая чувствительность к эксплуатационным условиям.
Недостатком этого типа компрессоров считается меньший уровень КПД, по сравнению с осевыми, из-за сложности исполнения многоступенчатого сжатия. При простом конструктивном исполнении центробежного компрессора его размеры растут в прямо пропорциональной зависимости от расхода воздуха, проходящего через него. К недостаткам также можно отнести и пониженную лобовую производительность.
Главное достоинство центробежного компрессора по сравнению с осевым состоит в его возможности получать более высокие показания по степени сжатия за одну ступень – она превышает 5…6, а в перспективных авиационных компрессорах может достигать и 12. КПД у ступени центробежного компрессора может достигать 0,85, что меньше, чем у осевого компрессора. Значения КПД, близкие к выше названной величине, типичны для компрессоров авиационных газотурбинных двигателей, имеющих относительно высокую производительность.
2) Роторный или роторно-лопастной компрессор. В данном компрессоре процесс сжатия осуществляется при помощи массивного круглого ротора, который эксцентрично вращается в специальном круглом корпусе. В роторе имеются пазы или прорези, в которые вставляются лопасти прямоугольной формы. За счет центробежной силы лопасти при вращении отжимаются к стенками.
При работе компрессоров с двух-, трехлопастными роторами газ засасывается полостью, поступает в зону между лопастями и корпусом, поступает в нагнетательную полость и затем полностью вытесняется через нагнетательный патрубок. Образующие лопастей, как правило, выполняются в виде винта, что обеспечивает непрерывную подачу газа и является одним из достоинств данного компрессора. Эти компрессоры обычно компактные, однако сложность кинематической системы данного вида компрессоров является недостатком и усложняет конструктивное исполнение в целом, что ограничивает широкое их применение. По этой причине существует задача расширить функциональные возможности для практического использования. Данная задача может быть решена за счет того, что в корпусе роторно-лопастного компрессора устанавливаются на одной оси вращения две лопасти и связываются кинематически с помощью центральных шестерен, соединенных с венцами сателлита. Сателлит оснащается водилом, содержащим дополнительную планетарную передачу, оснащенную центральной шестернёй и неподвижным центральным колесом. Водило при наличии фиксатора или стопора имеет возможность торможения, сам же сателлит связан зубчатой передачей со стойкой. Характерно то, что и венцы сателлита, и центральные шестерни имеют не круглую форму, а, например, форму эллипса.
Использование в описываемом компрессоре некруглых венцов сателлитов и центральных шестерен неслучайно, поскольку оно исключает осевое воздействие на стенки корпуса и позволяет тем самым использовать бесконтактные уплотнения, отказавшись от применения множества подшипников, клапанов на входе и выходе и уплотнений. Это позволяет расширить функциональные возможности применения компрессоров роторно-лопастного типа, например, использовать их в холодильных машинах.
Рабочие процессы роторно-лопастного компрессора протекают аналогично процессам в поршневых компрессорах, что позволяет вести расчёты, опираясь на теоретические расчетные данные, используемые для классического расчета поршневых компрессоров. При этом не следует забывать об особенных конструктивных характеристиках компрессора роторно-лопастного типа. Особого изучения здесь требуют потери, возникающие из-за перетекания рабочей среды в самом компрессоре, которые влияют на его производительность. Они обусловлены перепадом давления между близкорасположенными рабочими камерами в роторно-лопастном компрессоре, разделёнными подвижными лопастями.
Говоря о преимуществах компрессоров данного типа, следует упомянуть следующее:
Мощные компрессоры, широко используемые благодаря низкой стоимости и очень высокой надежности. Низкая стоимость обусловлена простотой изготовления, а высокая надежность – особенностями конструктивного исполнения: роторы не контактируют друг с другом, а их синхронизация достигается синхронизирующими шестернями, передаточное отношение которых равно единице. Это обеспечивает низкую загруженность устройства, что даёт экономичность: ресурс шестерён определяет рабочий ресурс компрессора. Подобные компрессоры используются в сферах промышленности с большими расходами, и малыми давлениями, обеспечивая при этом длительный срок службы и очень надежный режим работы, почти не чувствуют запыленности всасываемого воздуха в отличие от компрессоров, в камере сжатия которых имеются пары трения. Роторно-лопастные компрессоры обладают довольно широким диапазоном производительности, в них исключены потери масла (в случае масляного компрессора) благодаря системе возврата масла. Выпускаемый газ фильтруется установленным на выходе фильтром, исключается попадание масла обратно в систему благодаря оснащению воздухозаборника обратным клапаном.
Разнообразие использования компрессоров данного типа велико: они применимы для аэрации очистных сооружений и водоёмов; в пищевой промышленности; при производстве вакуумных упаковок; в текстильной промышленности; в автомобилестроении; в системах центрального отопления; в химии, лазерном производстве и фармацевтике; в металлургическом производстве и машиностроении, а также в областях научных исследований.
3) Осевые компрессоры. Они представляют собой одну из разновидностей турбокомпрессоров. По принципу действия компрессор осевого типа напоминает осевой насос – газ движется, в основном, вдоль оси вращения, и в отличие от турбокомпрессоров или динамических компрессоров, сжатие воздуха в осевом компрессоре происходит, как и движение самой газовой среды, вдоль оси вала. Частицы газового потока имеют траектории, близкие к цилиндрическим или коническим плоскостям.
Конструктивно осевые компрессоры подразделяют на одно- и многоступенчатые.
Осевой компрессор состоит из ротора с чередующимися подвижными решетками с лопатками, которые закрепляются на валу и называются рабочими колёсами, и статора с неподвижными лопаточными решётками, называемыми направляющими аппаратами. Роторный вал соединяется с валом турбины и опирается на шариковые и роликовые подшипники. Цилиндрический блок корпуса представляет собой множество цилиндрических секций, которые состыкованы между собой по оси с помощью болтовых соединений. Корпус может состоять из двух элементов, также соединенных по оси болтами. Такое исполнение обеспечивает расположение корпуса компрессора вокруг ротора.
Ступень компрессора состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата.
Свободное место между соседними лопатками рабочего колеса и направляющим аппаратом занимает так называемый межлопаточный канал. Межлопаточный канал увеличивается при увеличении диаметра рабочей окружности.
При прохождении рабочего колеса воздух совершает сложное движение, состоящее из нескольких движений разного вида:
а) абсолютное движение, то есть частицы воздуха движутся относительно оси двигателя;
б) относительное движение, то есть частицы воздуха движутся относительно лопаток рабочего колеса;
в) переносное движение представляет собой вращение колеса относительно оси двигателя.
При попадании частиц воздуха с определенной скоростью в рабочее колесо, лопатки воздействуют на них, передавая им переносную скорость. Так как межлопаточный канал расширяется, то при прохождении потока через рабочее колесо на выходе из него происходит уменьшение переносной скорости.
При выходе из рабочего колеса частицы воздуха по-прежнему находятся под действием лопаток – лопатки придают им переносную скорость. Покидая рабочее колесо, в котором растет полное давление воздуха, воздух попадает в направляющий аппарат. Расширение межлопаточного канала способствует торможению потока, и соответственно, росту статического давления. Кривизна межлопаточного канала способствует повороту потока воздуха, необходимого для достижения более эффективного угла при входе воздушного потока в следующее рабочее колесо. Так, ступень за ступенью, давление воздуха повышается, скорость потока в рабочем колесе увеличивается, а в направляющем аппарате снижается, однако ступени компрессора и весь компрессор в целом конструктивно выполняют таким образом, чтобы конструкция способствовала уменьшению скорости потока. При прохождении через компрессор увеличивается и температура воздуха, что считается отрицательным побочным эффектом.
Газодинамическая характеристика лопастных компрессоров обладает чрезмерной инертностью, из-за того, что компрессор достаточно медленно набирает обороты в процессе работы. Лопастные компрессоры обычно приводят в движение турбины. Сами турбины довольно медленно снижают свои обороты, поэтому турбокомпрессорам нужно немало времени для перехода на другой режим работы. Проблему удалось решить с помощью деления компрессоров на:
а) компрессор низкого давления, оснащенный своей отдельной турбиной, которая устанавливается на валу,
б) компрессор высокого давления со своей отдельной турбиной.
Такие устройства называют двухвальными. Такое решение проблемы улучшило работу компрессоров при переходе с режима на режим, а также повысило их газодинамическую характеристику и обеспечило её устойчивость.
Компрессоры осевого типа отличаются друг от друга по типу лопаток, и находят широкое применение в авиастроении; в промышленных процессах, где нужны очень большие производительности и небольшие давления; в составе комбинированного компрессора в качестве начальной ступени.
Как правило, осевые компрессоры проектируются многоступенчатыми. Конструктивная возможность создания многоступенчатых осевых компрессоров, скоростью потока воздуха в которых можно управлять, снижает потери компрессора и увеличивает КПД, а значит, уменьшает расход топлива. В этом состоит преимущество перед центробежными компрессорами, в работе которых таких условий почти невозможно добиться.
Ступень компрессора осевого типа конструктивно отличается от ступени центробежного своим менее сложным исполнением. Лопатки можно закреплять на рабочем колесе неподвижно, или возможен их разворот на определенный угол, но только при остановленном компрессоре. Лопатки на направляющем аппарате также можно смонтировать неподвижными или же с возможностью их разворота как на остановленном, так и на функционирующем компрессоре.
Ниже см. внешний вид лопатки осевого компрессора:
Достоинства осевых компрессоров:
К недостаткам осевых компрессоров стоит отнести сложности изготовления большого количества лопаток, склонность к их загрязнению, выход из строя лопаток, при попадании взвешенных частиц, воды и других инородных тел в проточную часть.
Осевые компрессоры используются, как правило, в воздушно-реактивных двигателях для самолётов и вертолётов.
Из производителей осевых компрессоров можно выделить таких, как Siemens, Elliott.
4) Осецентробежные компрессоры. Иногда в газотурбинных аппаратах, где расходы рабочей среды не так велики, в целях увеличения КПД компрессора могут использоваться осецентробежные многоступенчатые компрессоры. Они являются комбинацией из осевых и центробежных ступеней, причем центробежная ступень всегда последняя. Она устанавливается вместо нескольких осевых ступеней, рабочие лопатки которых имеют очень малую высоту. Такие лопатки очень резко реагируют на влияние радиальных зазоров и вторичных течений. Компрессоры такого комбинированного типа, несмотря на незначительную потерю КПД, имеют значительно меньшие линейные размеры и вес, если сравнивать их с осевым компрессором с теми же значениями степени сжатия.
Данный тип компрессоров сегодня находится на стадии разработок.
5) Диагональные компрессоры (радиально-осевые). По принципу действия и конструктивным показателям диагональный компрессор почти не отличается от радиальных компрессоров и является промежуточным типом. Это подтверждается направлением выхода нагнетаемой среды – под некоторым углом в радиально-осевом направлении.
Компрессоры лопастного типа могут различаться по количеству роторных устройств:
По количеству корпусов лопастные компрессоры делятся на:
По типу потока лопастные компрессоры делятся на:
В дополнение хочется выделить ещё раз все преимущества компрессорного оборудования лопастного типа, которые проявляются при сжатии большого количества газа:
а) вал компрессора соединён с валом двигателя напрямую, без каких-либо промежуточных устройств преобразования частоты вращения;
б) подача рабочей среды равномерная и непрерывная, поэтому нет нужды в установке больших ёмкостей со стороны нагнетания;
в) силы инерции минимальны, поэтому можно использовать более легкий фундамент;
г) нет всасывающих или нагнетательных клапанов, что повышает надежность установки;
д) газ при подаче не загрязняется смазочными средствами от рабочих элементов.
Несколько слов следует сказать относительно выбора компрессорной установки. Наиболее важный аспект при выборе компрессора – это характеристика его производительности. Единицы её измерения: л/мин, либо м3/мин, если он обладает достаточными мощностными характеристиками. Рассчитывать этот показатель следует при учете всех технических параметров пневматических устройств.
В нижеследующей таблице содержатся расчетные формулы для характеристик лопастных компрессоров:
Пересчет характеристик лопастных компрессоров:
| Характеристика | Производительность, P | Степень повышения давления, λ | Мощность, N |
|---|---|---|---|
| изменение частоты вращения | P2/P1 ≈ n2/n1 | λ2 ≈ [1 + (n2/n1)²·(λ1[(k-1)/k]-1)][k/(k-1)] | N1/N2 ≈ [ρ12/ρ11]·[n2/n1]3 |
| изменение свойств газа | P1 ≈ P2 | λ2 ≈ [1 + (T11/T12)(λ1[(k-1)/k]-1)][k/(k-1)] | N1/N2 ≈ ρ1/ρ2 |
| формулы применимы для диапазона отношений частот вращения от 0,5 до 2 и геометрических размеров от 0,5 до 2 | |||
Большое значение при выборе компрессорной установки имеет определённость с источником питания. Обычно используется однофазная сеть, однако крупным производствам необходимы три фазы. Если режим работы удалённый, то есть установка расположена далеко от энергосетей, то необходима компрессорная установка, оснащённая автономным бензиновым или дизельным двигателем.
Есть определённые исходные данные, которые необходимо рассматривать при выборе компрессора:
1) объёмный расход входящего газа;
2) необходимое конечное давление установки;
3) температура, давление на всасывании, относительная влажность входящего газа;
4) молярный состав, загрязнённость перекачиваемого газа, его вредность, способность к полимеризации;
5) приводы (тип, требования);
6) специальный перечень требований (не должно быть смазки в газовом тракте, ограниченный вес оборудования, требования к размерам, к вибрациям, уровню шума, уплотнениям для обеспечения герметичности).
Основными же показателями изготовленного компрессора являются конечное давление (Рк) и объёмный расход входящего газа (Vн). Они и определяют тип и марку компрессора.
Некоторые справочные сведения по средним характеристикам лопастных компрессоров приведены в следующей таблице:
Средние характеристики лопастных компрессоров
| Характеристика | Тип компрессора | |
|---|---|---|
| Центробежный | Осевой | |
| Степень повышения давления в одной ступени, λ1 | не более 1,4 | 1,1… 1,3 |
| Адиабатный КПД, ηад | 0,8… 0,9 | 0,85… 0,95 |
| Механический КПД, ηмех | 0,96… 0,98 | 0,98… 0,99 |
Правильность выбора того или иного типа компрессора определяет срок его службы. При покупке компрессора необходимо предусматривать запас по производительности и интенсивности работы.
Срок службы любого компрессора связан с различными факторами:
Персонал компании Интех ГмбХ (Intech GmbH) всегда готов предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемым лопастным компрессорам, осевым компрессорам.
Расчет и подбор трубопроводов. Оптимальный диаметр трубопровода
Классификация компрессоров
Объемные компрессоры
Применение винтовых компрессоров
Применение поршневых компрессоров
Применение центробежных компрессоров
Роторные компрессоры
Смазка цилиндров поршневых компрессоров
Винтовые компрессорные установки
Мембранные компрессоры
Основные характеристики компрессора. Производительность компрессора. Мощность компрессора
Передвижные дизельные (винтовые) компрессоры
Поршневые компрессоры
Расчет компрессоров. Подбор компрессорного оборудования
Сравнительный анализ компрессоров
Центробежные компрессоры. Азотные компрессоры