§ 62. Теоретические основы работы центробежных компрессоров

Режим работы центробежного компрессора характеризуется начальным состоянием газа, его конечным давлением, производи­тельностью, мощностью, КПД, а для компрессоров с водяным охлаждением также расходом и начальной температурой охлаж­дающей воды.

За начальные принимают параметры газа вблизи входа во всасывающий патрубок компрессора: абсолютное давление р,„ начальная температура tH и относительная влажность фн.

Массовая производительность Q— это масса газа, который за­сасывается в единицу времени через сечение всасывающего пат­рубка, исключая газ, подсасываемый из различных полостей компрессора.

Объемная производительность G связана с массовой произво­дительностью зависимостью Q = G/pH, где р„ — начальная плот­ность газа, кг/м3.

За конечное давление рк принимают давление вблизи выхода газа из нагнетательного патрубка.

Степенью сжатия г называют отношение Рк/Рн-

156

Мощность компрессора N — мощность, измеренная на муфте привода компрессора.

Изотермический КПД Циз определяют отношением Акз/А, где Лиз—работа при изотермическом сжатии газа; А— работа, за­траченная в действительности на сжатие газа.

Теоретический напор, создаваемый центробежным компрессо­ром, определяют по формуле Эйлера: Hi = c2v2 cos a2/g-

Формула для расчета теоретического напора действительна только при радиальном входе газа в рабочее колесо и бесконеч­ном числе лопаток. Действительный напор определяют по формуле Нд=K(с2V2 cos a2/g),

где К — общий коэффициент напора, учи­тывающий конечное число лопаток, по­тери на трение газа внутри компрессора, равен 0,5 для колес с лопатками, загну­тыми назад.

При одностороннем всасывании газа ротор центробежного компрессора испы­тывает действие силы, направленной по оси вала в сторону всасывания. Уравно­вешивание осевой силы достигается сим­метричным по линии всасывания распо­ложением рабочих колес на валу, а так­же установкой разгрузочного поршня — думмиса.

Разгрузочный поршень (рис. 79) представляет собой диск 3, смонтированный на валу за рабочим колесом 1 последней ступе­ни. Диск на ободе имеет лабиринтное уплотнение. Вставные коль­ца 2, укрепленные в корпусе компрессора, вместе с выступами и впадинами на ободе думмиса обеспечивают необходимое уплот­нение. Проникающий через уплотнение газ отводится на всасыва­ние компрессора. Силы, действующие па думмис, должны урав­новешивать осевую силу, но так как думмис не обеспечивает пол­ного уравновешивания, то центробежные компрессоры имеют опорно-упорные подшипники.

При работе центробежного компрессора его вал вращается с некоторым прогибом, так как на вал непрерывно действуют две силы: центробежная, направленная перпендикулярно оси враще­ния вала, стремящаяся увеличить, прогиб, и сила массы, направ­ленная вниз. При вращении вала эти силы то совпадают по направлению, то направлены в противоположные стороны. В ре­зультате этого на вал действует переменная по значению сум­марная сила, частота изменения которой зависит от частоты вра­щения вала. Если при определенной частоте вращения вала ча­стота изменения этой силы равна частоте собственных колебаний вала, то наступает явление резонанса. Резонансная частота вра­щения называется критической, так как вал вместе с колесами,

157

а также подшипники и корпус испытывают сильные колебания и вибрацию.

Если вал работает с частотой вращения ниже критической, то такой вал называется жестким, если выше критической — гибким.

Рабочая частота вращения вала для жестких валов 0,7—0,8, для гибких— 1,2—1,3 об/мин.

Длительная работа компрессора при критической частоте вра­щения не допускается. В компрессорах с гибким валом переход через критическую частоту вращения во время пуска должен

быть по возможности более быстрым.

Характеристикой центро­бежного компрессора служат графики зависимости основ­ных его параметров: давления, мощности и КПД от произво­дительности.

Каждый компрессор нагне­тает сжатый газ в определен­ную сеть, состоящую из тру­бопроводов, аппаратов, арма­туры и др. Для определения режима работы центробежно­го компрессора строят харак­теристику сети. Режим работы выбирают по максимальному значению КПД.

Точку А пересечения характеристики компрессора с характери­стикой сети называют предельной рабочей точкой, определяющей предельную производительность Qa при постоянной частоте враще­ния (рис. 80).

Кривая характеристики Q—р состоит из двух ветвей: восходя­щей, называемой зоной неустойчивой работы, и нисходящей, назы­ваемой зоной устойчивой работы. Рассмотрим работу компрессора в этих зонах. Нагнетательный трубопровод и присоединенная аппа­ратура имеют определенную вместимость. Предположим, что пер­воначальная рабочая точка К находится на нисходящей ветви кри­вой характеристики Q—р. Этой точке соответствует режим работы: производительность Q*, давление Рк, мощность Nk, КПД щ- Если потребление газа возрастает, то рабочая точка переместится впра­во и производительность компрессора увеличится, т. е. станет рав­ной потреблению. Однако в данную сеть компрессор большую про­изводительность, чем Qa, дать не может.

Если потребление газа уменьшается, то рабочая точка К сме­щается влево, при этом производительность компрессора умень­шится, а давление в сети возрастет. Максимальное давление, кото­рое может развить компрессор, равно рв- Этому давлению соответ­ствуют на характеристике Q—р точка В и производительность Qb-

Точка В называется критической, так как при дальнейшем умень­шении подачи работа машины становится неустойчивой.

При дальнейшем уменьшении потребления газа давление в сети еще больше возрастет и становится выше рв — максимального дав­ления, развиваемого компрессором при данной частоте вращения. Тогда часть сжатого газа из сети поступает на рабочие колеса» производительность компрессора падает до нуля, он не нагнетает газ, а потребляет. Компрессор начинает издавать резкий свистя­щий звук, сильно вибрировать. Поскольку потребление газа не пре­кращается, то происходит освобождение сети, и давление в ней быстро падает, становясь меньше давления холостого хода (точка С). При этом давлении компрессор снова развивает большую про­изводительность, соответствующую точке Е на рабочей характери­стике. Сеть быстро наполняется, давление в ней возрастает выше Рв, производительность компрессора снова падает. Это явление на­зывается помпажем. Таким образом, помпаж — неустойчивая рабо­та компрессора, сопровождающаяся в течение короткого проме­жутка времени резким изменением производительности и направ­ления движения газа. Помпаж сопровождается вибрацией компрес­сора, усилением шума и нагрева его при работе. Так как работа компрессора в зоне помпажа не допускается, то центробежные компрессоры снабжают антипомпажными устройствами. Наиболее простой способ предотвращения помпажа — выпуск сжатого газа в атмосферу или линию всасывания компрессора, осуществляемый автоматически. В некоторых компрессорах к напорному трубопро­воду подключен регулятор количества, который с помощью серво­мотора воздействует на антипомпажный клапан. Регулятор коли­чества вступает в действие при уменьшении производительности машины до минимально допустимой, т. е. Qb-

В центробежных компрессорах регулирование может быть вы­полнено по следующей схеме:

а) изменение производительности при постоянном давлении;

б) изменение давления при постоянной производительности;

в) одновременное изменение производительности и давления. Изменение частоты вращения вала, если привод компрессора

позволяет это сделать, — один из экономичных способов регули­рования турбокомпрессорных агрегатов. Дросселирование на вса­сывании уменьшает массовую производительность компрессора, но и несколько уменьшает КПД. Перепуск газа с нагнетания на вса­сывание или в атмосферу прост, но не экономичен, так как теряет­ся часть работы, затраченной на сжатие. При использовании из­лишков газа для работы газовой турбины часть энергии, затрачен­ной на сжатие, возвращается.

Каждый из способов регулирования может быть осуществлен вручную или автоматически.