Транспортные системы

Всё об автомобильном, ЖД и авиатранспорте в России

Судовые турбинные установки и их эксплуатация: теория компрессорной ступени

Судовые турбинные установки и их эксплуатация

 

Теория компрессорной ступени

 

 

 

Лопаточные компрессоры широко используются на судах в составе главных и вспомогательных установок, а также в ряде отраслей народного хозяйства: черной металлургии, химической, газовой, нефтяной, нефтехимической, машиностроительной и др.

Темпы и задачи развития лопаточных компрессоров диктуются появлением новых технологических процессов. Исследования в лабораториях институтов и заводов позволили разработать большое число специальных компрессоров, отличающихся повышенной надежность и экономичностью.

В лопаточных компрессорах повышение давления осуществляется в результате увеличения кинетической энергии сжимаемого газа за счет энергии двигателя с последующим преобразованием кинетической энергии в потенциальную. В зависимости от характера движения газа в проточной части они могут быть осевыми, центробежными, диагональными, комбинированными. В зависимости от подачи различают компрессоры с малой (G<10 кг/с), средней (G=10÷30 кг/с), и большой (G>30 кг/с) подачей. По степени повышения давления лопаточные компрессоры разделяют на вентиляторы, у которых pк£1,1, нагнетатели (pк=1,1÷3,0) и компрессоры (pк>3).

 

ТЕОРИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ

 

1.1. Основные параметры, принятая терминология

Основными термодинамическими параметрами центробежного компрессора являются следующие: массовая производительность G, кг/с; конечное давление рк, мПа; начальное давление р0, начальная температура Т0, К; удельная газовая постоянная R, Дж/кг× К; показатель адиабаты k.

Начальные и конечные параметры газа предполагаются измеренными вблизи всасывающего и нагнетательного патрубков компрессора.

Наряду с массовым расходом используется объемная производительность (м3/с): clip_image002, (1.1)

где r0 – плотность газа по параметрам состояния на входе во всасывающий патрубок.

Геометрические размеры компрессоров определяет не массовый расход, а объемный, который имеет важное значение для физических процессов сжатия. В противоположность массовой производительности, объемная производительность изменяется от начального сечения к конечному.

Отношение конечного давления рк к начальному давлению р0 называется степенью повышения давления pк:

clip_image004, (1.2)

В промышленности используются как одноступенчатые, так и многоступенчатые центробежные компрессоры. На судах, в основном, используются одноступенчатые центробежные компрессоры. В общем случае компрессорная ступень состоит из входного устройства, рабочего колеса, диффузора и входного устройства. Любая ступень может быть выполнена с осевым всасыванием, с всасывающей камерой или с предшествующим обратным направляющим аппаратом.

Для соответствующих типов диффузоров приняты следующие наименования: безлопаточный, лопаточный, образованный круговой решеткой, канальный, когда диффузорное течение осуществляется в отдельных каналах, не образующих круговой решетки.

В промежуточной компрессорной ступени после безлопаточного или лопаточного диффузора располагается обратный направляющий аппарат лопаточного типа, тогда как за канальным диффузором всегда следует обратный направляющий аппарат канального типа, при этом каналы диффузора непосредственно переходят в каналы обратного направляющего аппарата.

Выходное устройство последней ступени может быть выполнено в виде спиральной камеры (улитки) – внешней или внутренней, в последнем случае сечения улитки по ходу потока развиваются в направлении к центру. Выходное устройство, имеющее постоянное по ходу газа сечение, называется кольцевой камерой.

На рис. 1 приведена схема центробежного компрессора с радиальными лопатками рабочего колеса, где приведены следующие геометрические характеристики:

d0 – диаметр втулки колеса;

dH– периферийный диаметр лопаток во входном сечении;

d1– средний диаметр входного сечения;

d2 – наружный диаметр рабочего колеса;

d3 – внутренний диаметр лопаточного диффузора;

d4 – наружный диаметр лопаточного диффузора;

dв – диаметр вала;

b1, b2 - ширина лопаток соответственно на входе и выходе рабочего колеса;

b3, b4 – ширина лопаточного диффузора соответственно во входном и выходном сечениях;

dщ.д. – ширина щелевого диффузора:

clip_image006 (1.3)

За характерный геометрический размер центробежного компрессора (центробежной компрессорной ступени) принимается наружный диаметр d2 рабочего колеса. Все относительные размеры выражаются в долях этого диаметра. Относительные геометрические размеры центробежного компрессора характеризуются следующими значениями:

clip_image008= 0,15¸0,27; clip_image010= 0,45¸0,65; clip_image012= 1,1¸1,2; clip_image014= 1,3¸1,5; clip_image016= 0,04¸0,10.

В качестве контрольных сечений центробежного компрессора принимают: 0-0- входное приемного патрубка; 1-1- перед рабочим колесом; 2-2- за рабочим колесом; 3-3- перед лопаточным диффузором; 4-4- за лопаточным диффузором; 5-5- выходное выпускного патрубка. В обозначении термодинамических и геометрических параметров принято давать индексы, представляющие собой контрольные сечения.

clip_image018

Рис.1 Схема центробежного компрессора

В целях упрощения технологии изготовления рабочего колеса и создания различных модификаций его входную часть с отогнутыми входными кромками лопаток выполняют отдельно и насаживают на вал с помощью шпонки. Эту часть колеса называют вращающимся направляющим аппаратом (ВНА).

Входные кромки лопаток можно не отгибать, если перед рабочим колесом поместить неподвижный направляющий аппарат и обеспечить с его помощью закрутку потока в окружном направлении так, чтобы относительная скорость w1 имела осевой вход.

Лопатки неподвижного направляющего аппарата могут быть поворотными. В этом случае безударный вход потока может обеспечиваться и на частичных режимах, что повышает КПД компрессора и увеличивает устойчивую зону его работы.

Судовые компрессоры преимущественно изготавливают с вращающимся направляющим аппаратом и осевым входом в рабочее колесо как более простые по конструкции. Такие компрессоры называют осерадиальными.

Лопатки рабочего колеса в выходном сечении могут быть загнутыми вперед (в сторону вращения рабочего колеса), у которых лопаточный угол b<900, радиальными - b= 900, загнутыми назад (в строну, противоположную направлению вращения колеса), у которых b > 900. В компрессорах применяют рабочие колеса с радиальными лопатками и лопатками загнутыми назад. Рабочие колеса с лопатками загнутыми вперед используются в вентиляторах.

По конструкции различают рабочие колеса закрытого типа с покрывающим диском и полузакрытого типа без покрывающего диска. В судовых компрессорах, в основном, применяют колеса полузакрытого типа с фрезерованными заодно с колесом рабочими лопатками. Они более простые в изготовлении и в них допускается большая окружная скорость на наружном диаметре.