Центробежный компрессор, его конструкция, принцип действия.

На рис. 2.3 показано устройство центробежного компрессора. Действует он аналогично центробежному насосу.

Вал центробежного компрессора соединяется с валом приводного двигателя (электродвигатель, паровая или газовая турбина) или непосредственно, или через механическую передачу, повыша ющую частоту вращения вала компрессора. Последним достигается уменьшение размеров компрессора, снижается его масса и стоимость.

Рис. 2.3. Одноступенчатый центробежный компрессор.

Центробежным компрессором называется лопаточная машина, в которой происходит преобразование подводимой механической работы в энергию давления, при этом сжатиеосуществляется за счет действия центробежных сил инерции на массы рабочего тела, увлекаемые во вращательное движение совместно с рабочим колесом компрессора.

Центробежные компрессоры, применяемые для компримирования природного газа, называются центробежными нагнетателями.

Центробежный компрессор состоит из следующих элементов: подвода 1, рабочего колеса 2, отвода 3 и корпуса 4 (рисунок 1).

1-подвод (входное устройство); 2-рабочее колесо; 3-отвод (лопаточный диффузор); 4-корпус.

Рисунок 1. Схема устройства центробежного компрессора.

Подводом называется часть проточной полости центробежного компрессора, предназначенная для создания равномерного осесимметричного потока рабочего тела на входе в рабочее колесо. При осесимметричном входе вектор аб­солютной скорости потока направлен по оси симмет­рии компрессора. Под абсолютной скоростью понимается скорость потока, измеренная в неподвижной относительно центробежного компрессора системе координат, одна из осей которой совпа­дает с осью симметрии машины.

Подвод в центробежных компрессорах изготавливают в форме сужающегося канала (конфузора). Конфузорный эффект позволяет увеличить скорость движения рабочего тела во входном устройстве(до 70…90 м/сек) за счет снижения давления, т.е. потенциальная энергия переходит в кинетическую. Вследствие наличия газодинамического трения потока о стенки канала в конфузоре возникают потери энергии, составляющие примерно 5 %.

В некоторых случаях вход газа в рабочее колесо может выполняться с предва­рительной закруткой потока.

Рабочее колесо представляет собой диск с торцевы­ми радиальными лопатками, образующими расширяющиеся межлопаточные каналы.

В центробежном колесе рабочее тело движется по линии наименьшего сопротивления. Гладкая вращающаяся поверхность входного участка рабочего колеса не оказывает воздействия на поток, поэтому на входе в рабочее колесо вектор аб­солютной скорости потока остается направлен по оси симмет­рии машины. Перед входом в межлопаточные каналы поток разворачивается на 90⁰ и направление течения потока изменяется из осевого в радиальное. Вход рабочего тела в межлопаточный канал также происходит по кратчайшему расстоянию. В межлопаточном канале колеса рабочее тело взаимодействует с вращающейся лопаткой и центробежные силы инерции совершают работу по перемещению рабочего тела по радиусу рабочего колеса (от центра к перифирии). При этом на входе в рабочее колесо образуется значительное разряжение, вызывающее поступление в центробежный компрессор новой порции рабочего тела. Работа центробежных сил на пути движения рабочего тела по межлопаточным каналам сопровождается увеличением абсолютной скорости и ростом кинетической энергии потока. Поскольку межлопаточный канал рабочего колеса представляет собой вращающийся диффузор в рабочем колесе также происходит повышение давления.

Рисунок 2. Схема течения рабочего тела в центробежном колесе.

Отводом (диффузором) называется часть проточной полости центробежного компрессора, в которой кинетическая энергия потока (динамическое давление) преобразуется в потенциальную энергию (статическое давление). Он устанавливается непосредственно за рабочим колесом. Наибольшее распространение в центробежных лопаточных машинах получил ло­паточный отвод (лопаточный диффузор) с кольцевой полостью (рисунок 3).

I – рабочее колесо; 2 - лопаточный отвод (диффузор); 3 - кольце­вая полость

Рисунок 3. Схема лопаточного отвода с кольцевой полостью.

Лопаточный диффузор 2 представляет собой диффузорный канал с профилированными лопатками. В лопа­точном диффузоре происходит поворот потока рабочего тела, уменьшение скорости его движения и повышение давления. Кольцевая полость 3 представляет собой безлопаточный диффузор, в котором проис­ходит дальнейшее снижение скорости потока вследствие увеличения проходной площади из-за роста радиуса. Кроме того, в безлопаточном диффузоре происходит выравнивание скоростей потока после рабо­чего колеса. Таким образом, в лопаточном диффузоре с кольцевой полостью происходит дополнительное повышение статического давления.

Вывод: в центробежном компрессоре статическое давление повышается как в рабочем колесе, так и в лопаточном отводе (лопаточном диффузоре). Кроме того, повышение давления происходит в нагнетательной улитке центробежного компрессора, но ее вклад по сравнению с рабочим колесом и диффузором не велик в силу низких скоростей движения рабочего тела в улитке (практически улитка являет­ся разновидностью безлопаточного диффузора).

Отношение работы по повышению давлению в рабочем колесе к общей работе по повышению давлению в ступени центробежного компрессора характеризует параметр - степень реактивности

θ =l_р.к./l_ст

В современных конструкциях применяют центробежные компрессоры и нагнетатели со степенью реактивности θ = 0, 6…0, 7, т.е. основное повышение давления происходит в рабочем колесе (реактивные центробежные машины).

Корпус. Ротор центробежного компрессора устанавливается в корпусе на двух опорах (консольно или двухопорно). Передняя опора ротора обычно представляет собой опорный подшипник скольжения, воспринимающий радиальные нагрузки. Задняя опора ротора, как правило, представляет собой опорно-упорный подшипник скольжения, который, кроме радиальных нагрузок воспринимает осевую нагрузку. Последняя воз­никает в результате разных по значению и направ­лению давлений, действующих на внешние поверхности рабочего колеса (составляющая от разности давлений) и в результате взаимодействия потока рабочего тела с рабочим колесом при повороте его на 90º (инерционная составляющая).

В одной ступени центробежного компрессора можно получить степень повышения давления p*_ст =1, 2¸ 1, 35 (для природного газа) и p*_ст ≤ 1, 6 (для воздуха). При необходимости получения больших значений степени повышения давления центробежные компрессоры выполняют многоступенчатыми (двух- и реже трех- и четырехступенчатыми). На магистральных газопроводах в составе газоперекачивающих агрегатов применяются двухступенчатые центробежные нагнетатели газа, обеспечивающие общую степень повышения давления p_к* =1, 35...1, 45.

В двухступенчатом центробежном компрессоре (см. рисунок 4) для подвода газа ко второй ступени служит обратный направляющий аппарат 4.

1-входное устройство (подвод); 2, 5 – рабочие колеса 1-й и 2-й ступеней; 3, 8 – диффузоры; 4 – обратный направляющий аппарат; 6 – улитка выходного устройства; 7 – разгрузочный диск.

Рисунок 4. Схема двухступенчатого центробежного компрессора.

После выхода га­за из диффузора 3 первой ступени поток газа поворачивается к центру и по неподвижным криволинейным каналам обратного направляющего аппа­рата 4 при мало изменяющейся скорости поступает к рабочему колесу второй ступени. Лопат­ки обратного направляющего аппарата на выходе из него имеют радиальное или близкое к радиальному направление с тем, чтобы обеспечить осевой осесимметричный подвод газа к следующему рабочему колесу (без закручивания потока).

В рабочем колесе второй ступени сечение проточной части выпол­няется уже, чем у первой. Это необходимо из-за уменьшения объема газа вследствие его сжатия в первой ступени. Практичес­ки сужение проходного сечения достигается уменьшением ширины выход­ного канала рабочего колеса при сохранении его наружного и внутрен­него диаметров постоянными.

За последней ступенью устанавливается улит­ка 6, служащая для направленного движения потока газа к нагнетающему трубопроводу. В улитке происходит выравнивание скоростей, замедле­ние движения потока и увеличение давления.