Файл: Хушпулян, М. М. Технико-экономические показатели современных компрессоров и установок.pdf

Как видно из рисунка, осевой компрессор состоит из ротора с закрепленными на нем рабочими лопатками и корпуса, к ко­ торому крепятся направляющие лопатки.

1. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

При вращении ротора двигателем энергия передается пото­ ку воздуха (газа) путем воздействия на рабочие лопатки.

энергии в потенциальную. Совокупность одного ряда рабочих лопаток и одного ряда последующих направляющих лопаток принято называть ступенью компрессора. Как рабочие, так и направляющие лопатки образуют диффузорные каналы, по­ скольку в межлопаточных каналах рабочих (в относительном движении) и направляющих лопаток происходит уменьшение скорости при одновременном повышении давления. Осевой ком­ прессор является обращенной машиной по отношению к осевой турбине. Течение в межлопаточных каналах компрессоров яв­ ляется диффузорным и криволинейным. А, как известно, диф­ фузорные криволинейные течения значительно менее устойчивы

компрессора предъявляются более жесткие требования, чем к профилированию турбинных лопаток.

Возможность достижения больших значений к. п. д. в осе­ вых компрессорах по сравнению с к. п. д. в центробежных обусловлена прямоточностью течения сжимаемого газа, т. е. преимущественно осевым (точнее, винтовым) движением пото­ ка и вследствие этого отсутствием дополнительных его поворо­ тов при переходе к последующим ступеням, что является источ­ ником потерь в центробежном компрессоре. В создании осевых компрессоров с высоким к. п. д. за последнее время достигнуты большие успехи; к. п. д. современных многоступенчатых осевых компрессоров достигает 0,91—0,95, в то время как к. п. д. цент­ робежных компрессоров обычно не превышает 0,8—0,86. Созда­ ние высокоэкономичных многоступенчатых осевых компрессоров оказалось возможным лишь после того, как трудами гениаль­ ных русских ученых Н. Е. Жуковского и А. С. Чаплыгина были заложены основы современной аэродинамики, теории подъемной силы крыла. Благодаря планомерной научно-иссле­ довательской работе удалось достигнуть высоких значений изотермического к. п. д. Немаловажную роль при этом сыграло также тщательное профилирование лопаточных аппаратов, диф­ фузора и патрубков. Осевые компрессоры в настоящее время являются наиболее экономичными из всех известных типов ком­ прессорных машин.

124

Значения окружных скоростей у компрессоров стационарных установок находятся в пределах 160—250 м/с, а у компрессоров транспортных установок — до 300 м/с и более. Число ступеней в современных осевых компрессорах колеблется от 5 до 20. Степень сжатия в ступени осевого компрессора лежит в пре­ делах от 1,1 до 1,3. Скорости движения компримируемого воз­ духа в осевых компрессорах приближаются к скорости звука, а иногда и превосходят ее, что сопровождается существенными количественным и качественным изменениями в газодинамике потока в проточной части компрессора.

В достаточной степени изученность явлений, происходящих при обтекании лопаток потоком компримируемого газа с боль­ шими скоростями, является необходимым условием для созда­ ния высокоэффективных и махостойких профилей, обладающих высокими аэродинамическими качествами при больших скоро­ стях. Это обусловлено тем, что в каждом сечении тело лопатки осевого компрессора имеет свой аэродинамический профиль. Работа лопатки основана на теории подъемных сил. Примени­ тельно к лопатке осевого компрессора под подъемной силой необходимо подразумевать усилие, которое действует на обтека­ емую лопатку в направлении, перпендикулярном к направлению движения среды.

Если в воздухе, движущемся поступательно со скоростью w, поместить крыло с аэродинамичным профилем сечения, то те­ чение воздуха вокруг крыла изменится. В этом случае поток воздуха при натекании на крыло образует за ним вихрь, вско­ ре отделяющийся от крыла, вокруг которого появляется кру­ говое движение обтекания (рис. 44). При сложении этих двух

Рис. 44. Возникновение подъемной силы крыла с аэродинамическим профилем.

движений на верхней стороне возникнут большие скорости, в то время как на нижней стороне, где скорости потоков проти­ воположны, следовательно, вычитаются и будут меньше. Раз­ ность давлений создает подъемную силу, которая в осевом ком­ прессоре обеспечивает необходимое давление нагнетания.

Из рис. 44 видно, что суммарная подъемная сила образуется

125

главным образом за счет пониженного давления на верхней поверхности крыла.

Теоретическая формула, определяющая суммарную подъем­ ную силу А (в кгс), впервые была дана проф. Н. Е. Жуков­ ским:

где Су — коэффициент подъемной силы; — — плотность сре-

г ё

ды; L — длина профиля крыла; b — длина крыла в направле­ нии, перпендикулярном плоскости чертежа; со» — скорость поступательного движения воздуха на бесконечно большом рас­ стоянии от профиля крыла в потоке.

Подъемная сила направлена перпендикулярно к направле­ нию скорости со» (см. рис. 44). Наряду с подъемной силой А вследствие вязкости среды возникает сила лобового сопротив­ ления крыла W, действующая в направлении потока. Ее вели-* на определяется по формуле

2

W = Ct -Z-----— Lb,

' g 2

где Сх — коэффициент лобового сопротивления.

Величины Су и Сх зависят от формы профиля, его положе­ ния относительно направления скорости сото или угла атаки а

(см. рис. 44) и размаха крыла Я= — .

Значения Су и Сх определены экспериментально для мно­ жества профилей путем их продувки в аэродинамических тру­ бах при конечном значении Ь, а следовательно, и величины Я,- Применяемый профиль лопатки является тем более эконо­ мичным, чем меньше его коэффициент скольжения, который представляет собой отношение силы лобового сопротивления,

крыла W к подъемной силе А:

Лопатки осевых компрессоров конструируются так, что’ каждый их элемент по радиусу создает один и тот же напор. Рабочие лопатки осевого компрессора, закрепленные на роторе, являются как бы частью винтовой поверхности, а окружающий газ служит как бы гайкой. При вращении такого винта (рото­ ра) в направлении, указанном стрелкой, будет поступательно перемещаться «гайка», т. е. газ вдоль оси вала слева направо. Двигаясь поступательно, газ одновременно участвует и во вра­ щательном движении вместе с ротором. При этом лопатки ротора передают вращающийся момент от вала к комприми­ руемому газу, который поступает к ним из всасывающей каме-

126

120

Рис. 45. Характеристика осевого и центробеж­ ного компрессоров.

ры. Таким образом, по выходе из рабочих лопаток газ посту­ пательно движется вдоль оси и имеет вокруг нее вращательное движение. Для устранения последнего газ заставляют пройти через направляющие лопатки, закрепленные на образующей по­ верхности корпуса; по выходе из направляющей лопатки газ вновь поступает в следующую ступень.

Характеристические кривые осевого компрессора, получае­ мые при испытании, несколько отличаются от кривых центро­ бежных компрессоров. Кривая V—р для осевого компрессора обычно более круто падает и в большинстве случаев при пере­ ходе за критическую точку имеет резкий срыв. На рис. 45 при­ ведены характеристические кривые осевого 1 и центробежного2' компрессоров.

Приводом осевого компрессора может быть электродвига­ тель, газовая или паровая турбины.

Ротор обычно лежит на двух опорных подшипниках преиму­ щественно скользящего типа у стационарных машин. Для ма­ шин специального назначения или с большой частотой враще­ ния для опор применяются подшипники качения.

Статор компрессора несет все венцы направляющих лопа­ ток. Они должны наилучшим способом направлять поток газа из предшествующего рабочего венца в последующий.

Статор имеет еще две важные части: входной и выходной, патрубки, которые в зависимости от условий всасывания и нагнетания выполняются различно.

Область применения осевых компрессоров весьма много­ образна. Высокий к. п. д., большая производительность, кото­ рыми не обладает ни одна из современных компрессорных ма­ шин, предопределили возросшее использование осевых ком­ прессоров во многих отраслях промышленности, например, в: металлургической для осуществления дутья в доменных печах*

127

Рис. 46. Разрез комбинированного осе­ вого компрессора.

транспортных установках для охлаждения и наддува двига- к’лей, вентилирования и охлаждения железнодорожных ваго­ нов, подачи больших количеств воздуха и газа в судовых уста­ новках для атомных электростанций, аэродинамических уста­ новок и др. Особый интерес представляют осевые компрессоры для стационарных и транспортных газовых турбин, оснащен­ ных лопатками из жаропрочных сплавов.

За последнее время в связи с необходимостью компримиро­ вания больших количеств нефтяного газа осевые компрессоры стали с успехом применяться и в нефтяной промышленности. Преимущества осевых компрессоров обеспечили им условия для их широкого использования в качестве первых ступеней центро­ бежных компрессоров. При таком сочетании двух типов газо­ динамических компрессорных машин устраняются недостатки каждого из них и достигается высокий технико-экономический эффект.

Комбинированный осевой компрессор, в котором последние несколько ступеней заменены колесом центробежного компрес­ сора, приведен на рис. 46. При такой комбинации обеспечивает­ ся увеличение общей степени сжатия компрессора.

Применение рабочего колеса центробежного компрессора исключает установку лопаток малой высоты. Кроме того, в свя­ зи с этим осевые размеры компрессора существенно уменьша­ ются, поскольку последняя ступень центробежного компрессо­ ра заменяет три-четыре ступени осевого типа.

При комбинированном исполнении осевого компрессора со­ храняется высокий к. п. д., так как ступень центробежного ком­

128

Рис. 47. Пятиступенчатый осевой компрессор фирмы «Нуово-Пиньонэ»:

а— разрез; б — характеристика.

Вустановках большой производительности и с относитель­ но высоким давлением нагнетания, превышающим максималь­ ное, которое способен создавать осевой компрессор, последний используется в качестве первой ступени к одному или несколь­ ким центробежным компрессорам. При такой комбинации до­ стигается высокий к. п. д. установки в целом и уменьшается стоимость компримирования по сравнению с чисто центробеж-

ной компрессорной установкой. Такие комбинированные ком­ прессорные машины широко применяются в установках по вы­ работке азотной кислоты, где по условиям технологического процесса требуются большая производительность и относитель­ но высокое давление нагнетания. При этом вследствие наличия хвостовых газов с большим теплосодержанием и достаточным избыточным давлением в качестве привода для комбинирован­ ной компрессорной установки используется турбодетандер или рекуперационная турбина, что существенно повышает к. п. д. Комбинированная система компримирования также находит свое применение в газотурбинных установках большой мощно­ сти. Наряду с вышеуказанными направлениями, одной из важ­ нейших тенденций современного осевого компрессоростроения является создание мощных машин с изменяющимся углом уста­ новки направляющих лопаток. Аппарат для поворота лопаток регулируется автоматически специальным управляемым устрой­ ством, контролирующим заданную производительность компрес­ сора. На рис. 47,а показан пятиступенчатый осевой компрессор фирмы «Нуово-Пиньонэ» марки А № 385/5 с регулирующим устройством. Ряд других фирм также выпускает осевые ком­ прессоры с изменяемым углом установки направляющих лопа­ ток. На рис. 47,6 приведены характеристики того же компрес­ сора, полученные в процессе экспериментальных исследований при различных значениях угла установки направляющих ло­ паток.

Как видно из рис. 47,6, поворот лопаток не только позво­ ляет изменить производительность компрессора, ио и является хорошим средством борьбы с помпажом: с уменьшением угла А установки направляющих лопаток граница помпажа сдвигается влево, в сторону меньших расходов.

То, что компрессор цутем изменения угла установки на­ правляющих лопаток может регулировать производительность в большом диапазоне, в значительной степени способствовало расширению области применения осевых компрессоров, особен­ но в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышлен­ ности.

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Осевые компрессоры выпускаются почти всеми основными компрессоростроительными фирмами: в Италии — «Нуово-Пинь­ онэ», в ФРГ — «Гутехоффнунгехюте», «Демаг», в Швейцарии — «Броун-Бовери»; «Эшер-Висс», «Эрликон», в Англии — «Ривел», «Адамсон»; в США — «Ингерсолл-Рэнд», «Эллиот», «Вор­ тингтон», «Кларк» и др.

Осевые компрессоры и воздуходувки выпускаются также заводом ЧКД (ЧССР). В табл. 36 приведены основные пока­ затели осевых воздуходувок и компрессоров этого завода.

130