Лабораторная работа №6. Анализ конструкций компрессоров динамического действия (центробежные компрессоры)

6.1 Общие сведения

Тема занятия: Изучение конструкций компрессоров динамического действия

Цель занятий: Целью настоящей работы является расширение и закрепление знаний студентов по дисциплине «Низкотемпературные машины».

Задача работы: Изучение типовых конструкций, узлов и элементов современных центробежных и осевых компрессоров, ознакомление с классификацией и принципом действия.

Время работы: 4 часа

Место проведения занятий: Лаборатория компрессорных машин кафедры ТОСЖ.

Учебное оборудование и наглядные пособия:

Альбом плакатов и чертежей, схемы установок и натурные образцы.

6.2 Порядок выполнения работы

1 Ознакомиться с настоящими методическими указаниями.

2 Изучить классификацию и устройство компрессоров динамического действия.

3 Изучить основные узлы и принцип работы компрессоров динамического действия.

4 Оформить отчет.

5 Подготовить ответы на контрольные вопросы.

Рекомендуемая литература

1. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -288 с.

2. Крайний И.А. Машины низкотемпературной техники: Учебное пособие. Часть 1, -Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. -Кемерово, 2004. -131с.

3. Теория и расчет турбокомпрессоров. Под ред. К.П.Селезнева. -Л.: Маши­ностроение, Ленинградское отделение, 1986.

6.3 Центробежные компрессоры

К компрессорам динамического действия относятся центробежные, осевые и вихревые компрессоры.

Приращение кинетической энергии перекачиваемой газовой среды происходит в результате, взаимодействия потока среды с вращающейся решеткой лопаток рабочего колеса. После рабочего колеса газ попадает в отводящее устройство, в котором происходит преобразование кинетической энергии потока газа в потенциальную энергию давления. Приращение энергии газового потока в проточной части за счет затрат механической энергии привода компрессора обуславливает сжатие газа при непрерывном изменении термодинамических параметров состояния. Р, V, Т.

Лопастные компрессоры по геометрической ориентации рабочих органов подразделяются на радиальные, диагональные и осевые.

В радиальном компрессоре (рисунок 6.1а) поток поступает в рабочее колесо, двигаясь параллельно оси, поворачивается в нем на 90° и выходит из колеса перпендикулярно оси ротора. В диагональном компрессоре поток выходит из рабочего колеса од углом к оси ротора (рисунок 6.1б). В осевом компрессоре поток в зоне рабочего колеса движется параллельно оси вращения ротора (рисунок 6.1в).

.

Рисунок 6.1 – Геометрическая ориентация рабочих органов

Лопастные компрессоры в зависимости от развиваемого давления делятся на :

- вентиляторы ( <1.1 ; Р_п >0,20 МПа);

- нагнетатели (газодувки) (1.1< >2,0 ; Р_п >0,20 МПа );

- компрессоры ( >2,0 ; Р_п >0,20 МПа).

По конструктивному исполнению могут быть : одностороннего и двухстороннего входа, одноступенчатые и многоступенчатые.

Ступень центробежного компрессора состоит из подводящего устройства, рабочего колеса и отводящего устройства.

Подводящее устройство зависит от конструктивной схемы компрессора. Основное назначение - организация подвода газа к рабочему колесу с минимальными потерями, определенным направлением потока, с равномерным распределением скоростей на входе в рабочее колесо. Для этого применяют специальную форму подвода ; иногда перед рабочим колесом устанавливают поворотные статорные лопатки. Скорость газа в подводе не должна превышать 30-50 м/с.

Наиболее простым подводящим устройством для одноступенчатых и многоступенчатых машин является подвод в виде патрубка, направленного по оси ротора (рисунок 6.2а).

Для уменьшения газодинамических потерь входная часть патрубка может быть закруглена; для обеспечения равномерного распределения скоростей патрубки иногда выполняют конфузорными с углом 10-15°.

Наряду с осевыми подводами применяются разные типы боковых подводов. Простейшим является угловое (0 < < 90°) колено и колено с направляющими лопатками (рисунок 6.3). Существуют также кольцевые, полуспиральные и спиральные подводы.

Рисунок 6.2 – Конструктивное выполнение осевых подводов

Рисунок 6.3 - Конструктивное выполнение боковых подводов

Рабочее колесо является тем элементом рабочей части, в котором происходит преобразование механической энергии привода в кинетическую энергию потока перекачиваемого газа. Это налагает особые требования к совершенству проточной части, точности изготовления, качеству поверхности.

Конструктивное выполнение рабочих колес центробежных компрессоров (ЦБК) различно. Колесо закрытого типа состоит из основного 3 и покрывающего 1 (переднего) дисков, между которыми располагаются профилированные лопатки 2 , образующие круговою решетку. Диски выполняются из поковок, либо штампуются. Кованые диски применяются при окружных скоростях на выходе из рабочего колеса u₂=200 м/с. При u₂<200 м/с основной ведущий диск выполняется цельнокованым, а ведомый (покрывной) - штампованным. Соединение отштампованных лопастей с диском с помощью заклепок, сварки, пайки. Лопасти бывают одинарной кривизны (цилиндрические) и двойной кривизны (пространственные). В некоторых случаях применяют укороченные (через одну) лопасти для уменьшения стеснения потока при выходе на решетку. Клепаное соединение лопастей осуществляется заклепками. Заклепки могут изготавливаться вместе с лопаткой или быть сквозными. В первом случае сложно изготовить лопатку с заклепками, во втором требуется повышенная толщина лопатки.

Рисунок 6.4

При окружных скоростях u₂> 300 м/с применяются полуоткрытые колеса, у которых отсутствует передний покрывающий диск. Лопасти и ведущий диск получают либо фрезерованием, либо электроэрозионной обработкой из одной поковки. Торцы лопаток обрабатываются по шаблону. Рабочие колеса ЦБК выполняются с односторонним или двухсторонним входом.

Рисунок 6.5 – Конструкции отводящих устройств

Отводящее устройство лопастного компрессора предназначено для:

- обеспечения осесимметричного потока за рабочим колесом и отвода газа из него;

- гашения скорости потока за колесом ;

- преобразования кинетической энергии потока газа в потенциальную энергию давления.

В одноступенчатых компрессорах наибольшее распространение получили спиральные отводы, в многоступенчатых - лопастные и составные (рисунок 6.5).

Спиральный отвод представляет собой канал с возрастающей площадью живого сечения в направлении вращения. На участке а - б происходит отвод потока от рабочего колеса, на участке б - в - преобразование энергии (диффузор). Сечение канала в виде круга, трапеции, прямоугольника. Лопаточный диффузор представляет собой круговую решетку профилированных лопаток , расположенную за рабочим колесом: а -б - спиральный участок, б - в - диффузор. Неподвижные лопатки либо привариваются к диску, либо выфрезеровываются из поковки.

В многоступенчатом компрессоре газ необходимо подвести к следующей ступени, обеспечив определенные энергетические и кинематические условия на входе в рабочее колесо. Эти функции выполняет обратный направляющий аппарат. Он представляет собой круговую решетку неподвижных профилированных лопаток.

В большинстве своем ЦБК выполняются многоступенчатыми. Конструктивное выполнение определяется рабочей средой, отношением давлений, объемной производительностью, количеством промежуточных холодильников. Основные детали ЦБК это ротор, корпус, уплотнения и опоры.

Ротор представляет собой отдельный сборочный элемент, состоящий из вала с закрепленными на нем рабочими колесами, разгрузочным барабаном, полумуфтой втулки уплотнения и др. Рабочие колеса и барабан устанавливают на вал по неподвижной посадке. В качестве материала используются легированные стали (хромоникелевые, хромомолибденовые). Ротор в сборе балансируется на балансировочных станках.

Корпус компрессора имеет разъемы горизонтальный и вертикальный. Части корпуса уплотняются прокладкой, фиксируется штифтами. Элементы корпуса имеют сложную пространственную форму. Корпуса, как правило, чугунные. Обязательно проходят испытание пробным давлением Р_п = (1,25-1,5) Р_{раб.мах}.

Уплотнения обычно лабиринтные, многокамерные, или торцевые контактные с графитовыми кольцами.

В качестве опор применяются подшипники скольжения с принудительной смазкой. Выполнены из стали со слоем баббита, нанесенным гальваническим образом. Допускаемая температура вкладышей 60°С.

Производительность компрессора

м³/с,

где М - массовая производительность, кг/с ;

- коэффициент сжимаемости реального газа, (»1) ;

R = 8310/m - газовая постоянная ;

Т₁ p₁ - температура и давление на всасывании, (К, Па);

m - молекулярная масса .

Теоретическая производительность ЦБК отличается от действительной на величину протечек газа через зазоры между вращающимися колесами и неподвижным статорными деталями под действием перепада давлений DР = P₁- P₂.

Для уменьшения протечек выполняют лабиринтные уплотнения.

V_пр = DV₁ + V_раз + V_ky, м³/с

где DV₁ - протечки через лабиринтные уплотнения, м³/с;

V_раз - протечки через разгрузочное устройство, м³/с;

V_ky - протечки через концевые уплотнения, м³/с;

- коэффициент подачи;

- теоретическая производительность, м³/с;