24 Конструкция осевых холодильных компрессоров

Схема и принцип действия ступени турбины.

Газовая
турбина представляет собой лопаточную
машину, в которой потенциальная энергия
сжатого и подогретого газа преобразуется
в механическую работу на валу турбины
с помощью вращающегося ротора, снабженного
лопатками.

Газовая
турбина обладает рядом ценных качеств,
основными из которых являются: высокая
экономичность, возможность получения
большой мощности, малые габаритные
размеры и масса, удобство эксплуатации.

Турбина
состоит из соплового аппарата (СА) и
рабочего колеса (РК).

Рис.
4.2. Схема ступени газовой турбины:

0-0
–
сечение на входе СА; 1-1
сечение на выходе из СА (на входе в РК);
2-2
– сечение на выходе из РК;
р,
Т,
с
– давление, температура, скорость перед
СА; р₁,
Т₁,
с₁
– давление, температура, скорость за
РК; w₁–
относительная скорость на входе в РК;
w₂–
относительная скорость на выходе из РК

На
рис. 4.2 приняты следующие обозначения:
сечение -на
входе в сопловой аппарат, сечение 1-1
на
выходе из соплового аппарата (на входе
в рабочее колесо) и сечение 2—2
на
выходе из рабочего колеса. Параметрам
газа в различных сечениях присвоены
соответствующие индексы.

Состояние
газа на входе в сопловой аппарат турбины
характеризуется давлением ри
температурой Т.
Лопатки
соплового аппарата образуют криволинейные
каналы, сужающиеся от сечения 0-0
к
сечению 1-1.
Течение
газа на этом участке сопровождается
падением давления и температуры и
соответствующим увеличением скорости.
Направление потока на выходе из соплового
аппарата в основном определяется
направлением выходных кромок лопаток
и составляет с плоскостью вращения
колеса
угол α₁.
Таким образом, в сопловом аппарате часть
потенциальной энергии газа преобразуется
в кинетическую. Одновременно в результате
поворота потока обеспечивается его
закрутка у входа в рабочее колесо.

Относительная
скорость w₁на
входе в рабочее колесо определяется из
треугольника скоростей как разность
векторов с₁и
и.
Величина
и направление относительной скорости
при заданных значениях скорости истечения
газа из соплового аппарата с₁
и угла выхода α₁
зависят от окружной скорости и.
Чем
меньше и,
тем
больше w₁и
меньше β₁,и
наоборот. От величины угла β,в
свою очередь, зависит форма рабочих
лопаток, так как для предотвращения
срыва потока в колесе входные кромки
рабочего колеса должны быть ориентированы
по направлению относительной скорости
w₁.
Лопатки
рабочего колеса обычно также образуют
сужающиеся каналы, поэтому газ продолжает
в них расширяться от давления р₁
до
давления р₂.
При
этом относительная скорость движения
газа увеличивается от w₁
на входе до w₂на
выходе, а температура газа падает от Т₁до
Т₂.
Таким
образом, течение газа через сопловой
аппарат и лопатки рабочего колеса может
рассматриваться как течение через
систему неподвижных и вращающихся сопел
с увеличением абсолютной скорости в
сопловом аппарате и относительной – в
рабочем колесе, а также уменьшением
давления и температуры в обоих элементах.

При
обтекании газом лопаток соплового
аппарата и рабочего колеса вследствие
поворота потока на вогнутой поверхности
лопаток (корытце) образуется повышенное
давление, а на выпуклой (спинке) –
пониженное.

При
повороте потока в канале на частицы
газа действуют центробежные силы,
стремящиеся отбросить их к вогнутой
части лопаток. Равнодействующая сила
давлений, действующих на поверхности
лопаток, создает крутящий момент,
приводящий рабочее колесо во вращение.

Скорость
газа в абсолютном движении за рабочим
колесом с₂
определится
как векторная сумма относительной
скорости w₂и
окружной скорости и.
Следует отметить, что скорость с₂значительно
меньше с₁.
Уменьшение
абсолютной скорости газа в колесе при
одновременном уменьшении давления
объясняется тем, что газ совершает
внешнюю работу.

Необходимо
отметить, что осевую скорость в ступени
турбины (в отличие от осевого компрессора)
в пределах ступени и от ступени к ступени
вдоль оси не уменьшают, а увеличивают.
Это вызвано необходимостью частично
компенсировать падение плотности при
расширении газа и не получить чересчур
длинные лопатки, особенно для последней
ступени. Увеличение осевой скорости
(при прочих равных условиях) осуществляют
увеличением α₁.
Для первой ступени принимают α₁=
16…18°, а для последней 30… 35°. Однако на
практике встречаются турбины со
значительно меньшими α₁.Так,
например, на одноступенчатой турбине
высокого давления Е3
фирмы Пратт-Уитни принято α₁=
8,74° (ступень турбины сверхзвуковая, π_СТ
=
4),
а на последней ступени четырехступенчатой
турбины низкого давления α₁
= 19,4°.

25 Вихревые компрессоры

Вихревые компрессоры
— сравнительно новые машины. Начало их
исследования и применения относится к
1950 годам.

Вихревые
компрессоры сначала использовались
как вспомогательные машины для сложных
условий эксплуатации, например в качестве
побудителей циркуляции, во внутреннереакторных
контурах газового охлаждения атомных
реакторов. С течением времени они стали
находить применение как автономные
малорасходные средства подачи и отсоса
воздуха и газов, обеспечения их циркуляции,
в том числе как машины общего назначения.
Так, в последнее время они используются
в химической промышленности, текстильной
(в системах вентиляции и отсоса отходов
волокна на ткацких, прядильных и вязальных
машинах), в производстве пластмасс (для
транспортировки гранулята и подачи
воздуха в установках для сварки
пластмасс). Кроме того, разработаны
вихревые компрессоры для атомной
энергетики, а также для малых криогенных
установок.

Преимущества
вихревых компрессоров:

Основными
преимуществами вихревых компрессоров
являются: высокая напорность ступени,
простота конструкции, низкая стоимость
изготовления, а также более высокая
надежность по сравнению с центробежными
и ротационными компрессорами, имеющими
те же параметры. Характеристики вихревого
компрессора практически устойчивы во
всем диапазоне режимов. Эти достоинства
обеспечивают вихревым компрессорам
достаточно широкую область применения.

Недостатки
вихревых компрессоров:

Одним из крупных
недостатков вихревых компрессоров
является их невысокий КПД (30-55%), который
в ряде случаев заметно ниже, чем у
поршневых, осевых и ротационных
компрессоров, — на 15-30%. Этот недостаток
ограничивает области применения вихревых
компрессоров

Шестеренные и винтовые насосы.

Роторные насосы работают главным
образом по принципу вытеснения, причем
один или несколько вращающихся поршней
или винтов образуют друг с другом в
цилиндре насоса рабочие полости, причем
размеры полости всасывания наибольшие,
а на­порной полости— наименьшие;
поэтому жидкость из полости всасывания
и выталкивается в напорную полость.
Однако не­которые роторные насосы
имеют постоянные рабочие полости (объем
вытеснения) как на входе, так и на выходе.

По конструктивному исполнению рабочих
органов все ротор­ные насосы делят
на пять основных типов, а именно:
шестеренные; винтовые; коловратные;
пластинчатые; роликовые. На рис. 5
приведены эти типы роторных насосов.

Шестеренные насосы(рис. 6) подразделяют
в основном по числу шестерен (на двух-
и много шестеренные), по типу зацепле­ния
(с наружным и внутренним зацеплением)
и по числу потоков жидкости (на одно- и
многопоточные насосы).

Основными элементами являются 2 шестерни,
находящиеся в зацеплении и помещенные
в корпус. Одна из шестерен является
ведущей, а 2-ая ведомой. Эти насосы имеют
достаточно высокий КПД (0,7-0,9).

Насосы применяют в основном в системе
смазки, т.е. чем больше вязкость масла,
тем больше производительность насоса.
При перекачке маловязких жидкостей
увеличиваются внутренние перетечки.

Преимущества насосов с внутренним
зацеплением: меньшие габариты, меньше
шум и пульсация, но по стоимости они
дороже. Это связано с те, что нарезать
внутренние зубья значительно дороже
и требуется высокая точность нарезки.

При вращении шестерен рабочая жидкость,
заключенная между зубьями подвергается
сжатию, что приводит к росту давления.
В результате возрастает нагрузка на
зубья и на подшипники.

При выходе зубьев из зацепления давление
резко падает, начинается выделение
газов. Для устранения такого явления
выполняют узкие канавки на нерабочих
торцевых поверхностях зубьев или выемки
в торцевых крышках корпуса.

Шестеренные насосы являются реверсивными.
Кроме того они являются обратимыми
машинами, т.е. могут работать в режиме
гидромотора. Насос преобразует мех.
энергию в энергию движущейся жидкости.
В гидродвигателе наоборот энергию
движущейся жидкости преобразует в мех.
работу исполнительного механизма.

Винтовые насосы

Винтовые насосы подразделяют в основном
по количеству рабочих органов на одно-
и многовинтовые, а по направлению потока
жидкости на одно- и двухпоточные винтовые
(рис. 7).

В противоположность шестеренным насосам
процесс перемеще­ния жидкости в
винтовых насосах происходит в осевом
направле­нии по свободным межвинтовым
полостям от стороны всасывания к
напорной стороне.

Рабочими органами служат винты,
находящиеся в зацеплении и размещенные
в корпусе с очень малым зазором. Число
винтов может быть 1,2 или 3.

Рабочая жидкость из всасывающей полости
поступает во впадины нарезки винтов.
Они имеют герметизацию между всасывающей
и нагнетательной камерами. Эта
герметизация обеспечивается по наружной
поверхности винтов, точностью их
изготовления и посадке в корпус, а по
внутреннему зацеплению винтов
герметичность обеспечивается спец.
циклоидным профилем зубьев.(рис. 9,17 и
9,18).

Винтовые насосы являются
обратимыми машинами и с этой точки
зрения они более выгодны, чем шестеренные,
так как у них более равномерный крутящий
момент и большая частота вращения. Эти
насосы применяют для перекачки чистых
и слабозагрязненных жидкостей с T=353
К, а также для перекачки нефтепродуктов
неагрессивных жидкостей. Их преимущества:
быстроходность, небольшие габариты и
масса, равномерная подача, способность
перекачивать жидкости с различной
вязкостью.

6. РЕГУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

Регулирование работы центробежных
компрессоров, т. е. изменение основных их параметров (давления нагнетания и
производительности), осуществляется с целью обеспечения их значений на
определенном уровне.
Причины, которые могут привести к изменению Q и р, в
основном зависят от работы системы нагнетания: увеличение отбора сжатого газа
приводит к снижению давления и необходимости повысить производительность
компрессора. Уменьшение расхода газа в линии нагнетания приводит к снижению
производительности машины.
Процесс регулирования сводится к поддержанию в сети
заданного давления (например, при подаче газов на газоразделительные
установки или в системы пневматических приводов) или к сохранению неизменным
расхода (в системах доменного дутья, а также в системах газоснабжения).
Регулирование работы центробеяшых компрессоров
производится теми же способами, которые применяются при регулировании
центробеяшых насосов.
Регулирование дросселированием на потоке газа
Регулирование дросселированием на линии нагнетания.
Принцип такого регулирования состоит в искусственном изменении характеристики
сети: прикрывая дроссель или задвижку ка линии нагнетания, увеличивают
сопротивление сети, что приводит к росту давления нагнетания с рА до рг и
снижению производительности с QA до Q ( 11.14). Открытие дросселя на линии
нагнетания приводит к падению давления нагнетания с рА до р2 и
соответствующему росту производительности до 2. Этот вид регулирования
наименее экономичный, так как увеличивается расход энергии на преодоление
гидравлических сопротивлений системы на величину приращения напора,
развиваемого машиной. Снижение мощности, затрачиваемой компрессором с N&
до Nx, имеющееся при этом, не компенсирует долю энергии, затрачиваемую на
дросселирование.
Регулирование дросселированием на линии всасывания более
экономично по сравнению с дросселированием на линии нагнетания, особенно при
больших степенях сжатия. В этом случае выигрыш в энергии может доходить до
б—8%

Кроме того, при дросселировании на линии всасывания уменьшается область
неустойчивой работы (зона помпажа), что также важно с точки зрения
обеспечения нормальной эксплуатации компрессора. *
Регулирование воздействием на поток газа
Регулирование работы компрессора воздействием на поток
газа может осуществляться как закручиванием потока во всасывающем
трубопроводе, так и изменением положения лопаток в диффузоре компрессора.
Выше было указано, что профилирование лопаток рабочего
колеса производится таким образом, чтобы составляющие напора сгиг cos аг = 0,
При регулировании работы закручиванием потока искусственно создают
положительную составляющую иъ что приводит к уменьшению конечного давления
компрессора и снижению производительности.
Регулирование изменением положения лопаток в диффузоре.
Регулирование этого вида основано на том, что согласно уравнению Бернулли
увеличение динамического напора в потоке сжатого газа приводит к снижению
статического напора и, следовательно, давления, развиваемого компрессором.
Динамический напор повышается за счет увеличения окружной скорости газа и4

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  Насосы и
компрессоры

КОМПРЕССОР.
Винтовые, поршневые, центробежные компрессоры…

Центробежные компрессоры,
т.е. турбокомпрессоры в зависимости от требуемой степени сжатия хладоагента
имеют неск. рабочих колес; при этом газообразный хладагент…

ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР. Особенности и преимущества винтовых…

Компрессор. Поршневые и ротационные компрессоры

Поршневые и ротационные компрессоры называются
объемными. Кроме них известны лопаточные компрессоры, к которым
относятся центробежные и осевые машины.

Поршневые вакуум-насосы и компрессоры

КОМПРЕССОРЫ —
поршневые компрессоры и винтовые компрессоры.
Винтовые, поршневые, центробежные компрессоры …

Турбокомпрессоры. Турбокомпрессор используют для нагнетания
воздуха…

Он состоит из среднего корпуса, центробежного компрессора
и газовой турбины, колес, которые жестко закреплены на общем валу 4.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ. Абсорбционные бромистолитиевые машины

Для СКВ чаше применяют компрессионные холодильные
машины с электрическим приводом с поршневыми, винтовыми и центробежными компрессорами.

ХОЛОДИЛЬНЫЙ
АГЕНТ, хлад-агент аммиак и хладоны фреоны

В компрессоре пары холодильного агента сжимаются
до давления конденсации и.КОМПРЕССОР. Винтовые, поршневые, центробежные компрессоры
…

Роторный компрессор

Роторные компрессоры занимают промежуточное положение между поршневыми и центробежными. При производительности менее 1 5 м3 / с, когда необходимо получить сжатый газ, не загрязненный маслом, применяют роторные ( в частности, винтовые) компрессоры. Лучшие маслозаполненные винтовые компрессоры большой производительности ( до 1 м3 / с) при давлении нагнетания Р 0 9 МПа потребляют менее 200 кВт / ( м3 — с); при производительности Q 0 2 — 1 0 м3 / с винтовые компрессоры сухого сжатия, а также маслонаподненные уступают поршневым компрессорам по удельной потребляемой мощности. Поэтому в основном при такой производительности применяют поршневые компрессоры.
 

Роторные компрессоры, действующие по принципу передачи энергии сжимаемому газу, относятся к классу объемных компрессоров. В них, как и у поршневых компрессоров, сжатие газа происходит в замкнутом пространстве при уменьшении его объема.
 

Роторные компрессоры подразделяются на пластинчатые, винтовые и с двумя вращающимися поршнями.
 

Роторный компрессор подает рабочее тело отдельными порциями в результате изменения величины объемов, образуемых поверхностями основных рабочих органов.
 

Роторные компрессоры могут работать как на компрессорном режиме, так и на режиме вакуум-насоса. В первом случае компрессор из окружающей среды подает рабочее тело в пространство нагнетания с повышенным давлением. Во втором случае компрессор из пространства впуска с пониженным давлением откачивает рабочее тело в окружающую среду.
 

Роторные компрессоры различаются по устройству и взаимному расположению основных рабочих органов, их числу, способу подвода и отвода рабочего тела и по характеру рабочего процесса. Компрессоры могут иметь внешнее или внутреннее зацепление роторов. Те и другие компрессоры могут быть с плоскостной кинематикой ис пространственной кинематикой рабочего тела. У компрессоров с плоскостной кинематикой рабочее тело совершает плоское движение. У компрессоров с пространственной кинематикой рабочее тело совершает пространственное движение, хотя у большинства конструкций кинематика зацепления роторов может быть сведена к плоской задаче.
 

Роторный компрессор должен подавать рабочее тело по объемному принципу при полной уравновешенности агрегата и высокой эффективности, экономичности, равномерности и надежности работы.
 

Роторные компрессоры необходимо проектировать так, чтобы перевальный объем отсутствовал. Для этого необходимо применять роторы, профильные поверхности которых полностью образованы взаимной обкаткой.
 

Роторный компрессор, как правило, является компрессором с нерегулируемыми фазами распределения. У-о зависят от кон — р струкции компрессора и остаются постоянными на всех режимах работы компрессора.
 

Роторный компрессор с однозубыми прямолинейными роторами обладает внутренним сжатием при сравнительно простой и технологичной форме роторов.
 

Роторные компрессоры с частичным внутренним сжатием могут найти применение в качестве низконапорных компрессоров различного назначения и агрегатов наддува легких двигателей упрощенной конструкции. Конструкция роторного компрессора с частичным внутренним сжатием предложена сравнительно недавно.
 

Роторные компрессоры с частичным внутренним сжатием обладают несколько более совершенным рабочим процессом, чем нагнетатели с внешним сжатием, но в то же время имеют достаточно простую и технологичную форму роторов.
 

Роторным компрессором с частичным внутренним сжатием называют компрессор, обеспечивающий подачу рабочего тела по объемному принципу со сжатием одних порций рабочего тела и простым переносом со стороны впуска на сторону нагнетания других порций и имеющий в качестве основных рабочих органов прямозубые роторы, равномерно вращающиеся в неподвижном корпусе. Роторы, помимо подачи рабочего тела, выполняют функции органов газораспределения.
 

Все роторные компрессоры не имеют всасывающих клапанов, а нагнетательные клапаны устанавливают лишь в компрессорах с катящимся ротором и в некоторых пластинчатых. Для малых машин и вакуумных насосов, а при низкой степени повышения давления и для крупных компрессоров используют воздушное охлаждение. В других случаях цилиндры охлаждают водой. Применяется также впрыскивание масла и воды в рабочую полость. При этом достигается такое охлаждение газа, что отпадает необходимость в промежуточном охладителе.