Устройство и принцип действия турбокомпрессоров

Прежде чем перейти к изучению термогазодинамических процессов, происходящих в компрессорных машинах динамического действия, необходимо иметь представление о конструкциях этих машин и принципах осуществления процессов сжатия и перемещения газов.

Приведем основные понятия, которыми будем пользоваться, говоря о процессах, происходящих в турбокомпрессорах.

Проточная часть турбокомпрессоров состоит из вращающихся лопаточных аппаратов, в которых рабочему газу сообщается энергия от двигателя, неподвижных аппаратов (лопаточных и безлопаточных), предназначенных для изменения величины и направления скорости газа.

Ступень турбокомпрессора – совокупность одного рабочего колеса (вращающегося лопаточного аппарата) и неподвижных элементов проточной части, обеспечивающих подвод и отвод газа.

Секция в турбокомпрессорах представляет собой группу ступеней, ограниченную патрубками для подвода и отвода газак промежуточным газоохладителям или за пределы компрессора.

Ротор турбокомпрессора образуют вал с насаженными на негодеталями (рабочими колесами, дисками, втулками, муфтами).

Статор турбокомпрессора составляют корпус с закрепленными в нем неподвижными элементами ступеней.

Рассмотрим принципиальные схемы стационарных осевого (рис. 2.10) и центробежного (рис. 2.11) компрессоров.

Проточную часть осевого компрессора образуют: всасывающая камера (ВК); входной направляющий аппарат (ВНА); рабочие колеса (РК), промежуточные направляющие аппараты (ПНА); спрямляющие аппараты (СА); диффузор (Д); выходное устройство (ВУ).

Проточная часть осевого компрессора состоит из ступеней, которые в зависимости от расположения в проточной части подразделяются на всасывающую, промежуточные и концевую. К всасывающей ступени относятся всасывающая камера, ВНА, РК и следующий за ним ПНА. Промежуточные ступени состоят из совокупности одного РК и следующего за ним ПНА. Концевую ступень образуют РК, следующий за ним СА, диффузор и выходной устройство, переходящее в нагнетательный патрубок.

При передаче крутящего момента на ротор от приводного двигателя, ротор начинает вращаться и перед лопаточными аппаратами первой ступени возникает разрежение, т.е. давление становится меньше, чем давление перед всасывающим патрубком. Сжимаемый газ попадает в РК первой ступени, минуя ВНА, в задачу которого входит изменение направления газового потока от осевого, как правило, в сторону вращения ротора. В РК к газу в результате взаимодействия с лопатками подводится механическая энергия, которая идет на увеличение давления (потенциальной энергии) и скорости (кинетической энергии) газа. В следующем далее неподвижном ПНА кинетическая энергия частично преобразуется в потенциальную за счет торможения газового потока. Кроме того, вторым назначением ПНА является придание потоку требуемого направления перед следующим РК (обычно такого же, как и перед первым РК). Затем этот же процесс повторяется в последующих ступенях промежуточного типа. Особенностью концевой ступени является то, что следующий за РК спрямляющий аппарат разворачивает поток обратно к осевому направлению (в связи с тем, что поток требуется развернуть на большой угол, СА представляет собой комбинаций двух последовательно расположенных аппаратов). Дальнейшее торможение потока происходит в диффузоре и частично в выходном устройстве, которое собирает поток, выходящий из диффузора и направляет его в нагнетательный патрубок.

Проточная часть центробежного компрессора состоит из элементов, которые по своему назначению аналогичны элементам осевого компрессора, но отличаются конструктивно. Всасывающая ступень включает в себя всасывающую камеру (ВК), рабочее колесо (РК), лопаточный или безлопаточный диффузор (ЛД или БЛД), поворотное колено (ПК), обратно-направляющий аппарат (ОНА). Промежуточная ступень – РК, ЛД или БЛД, ПК, ОНА. Концевая ступень вместо ПК и ОНА имеет выходное устройство (ВУ). На рис.1.5 промежуточная ступень отсутствует, а в случае одноступенчатого нагнетателя всасывающая ступень одновременно является и концевой.

Рис. 2.10. Схема осевого компрессора: РК – рабочее колесо; ВНА – входной направляющий аппарат; ПНА – промежуточный направляющий аппарат; СА – спрямляющий аппарат; Д – диффузор; ВК – всасывающая камера; ВУ – выходное устройство; РП – радиальный подшипник; РУП – радиально-упорный подшипник; У – уплотнения

Рис. 2.11. Схема центробежного компрессора: ВК – всасывающая камера; БЛД – безлопаточный диффузор; ЛД – лопаточный диффузор; ПК – поворотное колено; ОНА – обратно-направляющий аппарат; ВУ – выходное устройство; Д – думмис

Рабочие колеса центробежного компрессора состоят из диска, на котором выполнены лопатки (может быть закрыто еще одним диском, как на рис. 2.11). Газовый поток выходи из ВК в осевом направлении и, совершая, поворот от осевого к радиальному направлению в безлопаточном участке РК, попадает на лопатки РК, которые и передают механическую энергию газу при вращении ротора.

На выходе из РК газ имеет повышенное давление и скорость. Для преобразования кинетической энергии в потенциальную служит диффузор, где происходит торможение потока за счет увеличения площади канала. Диффузор может быть лопаточным (как на рис. 2.11) или безлопаточным. Однако даже в случае ЛД перед ним имеется короткий безлопаточный участок, называемый иногда БЛД, для выравнивания потока перед входом на лопатки ЛД.

Для того, чтобы подвести газовый поток к всасывающему отверстию РК следующей ступени, необходимо развернуть поток на 180°, движущийся при выходе из диффузора от центра к периферии, а затем придать ему осевое направление. Для этих целей предназначены поворотное колено (ПК), представляющее собой, как правило, безлопаточный канал и обратно-направляющий аппарат (ОНА) – лопаточный аппарат. Требованием к этим элементам является сохранение по возможности постоянной скорости газа с наименьшими потерями энергии.

Концевая ступень заканчивается выходным устройством (ВУ), в качестве которого могут применяться улитки (с переменным по углу разворота поперечным сечением) или сборные камеры, у которых сечение постоянно по углу разворота (как на рис. 2.11). Выходное устройство собирает поток, выходящий из ЛД (БЛД) в радиальном направлении и направляет его в нагнетательный патрубок. Кроме того, в ВУ (обычно в улитках) поток газа может дополнительно тормозиться.

Далее рассмотрим элементы, которые не относятся к элементам проточной части осевого или центробежного компрессоров, но входят в конструкции этих машин.

Опорные узлы ротора стационарных машин представляют собой обычно подшипники скольжения. Один из них, воспринимающий радиальные нагрузки от веса ротора, называется радиальным подшипником (РП), или опорным. Другой, воспринимающий кроме радиальной еще и осевую нагрузку, называется радиально-упорным подшипником (РУП), или опорно-упорным.

Причиной появления в турбокомпрессорах осевого усилия, направленного в сторону всасывания, является наличие перепада давлений на дисках рабочих колес, т.к. из-за перетечек между ступенями давление на стороне диска, обращенной в сторону нагнетания больше, чем на противоположной стороне. В многоступенчатых машинах осевое усилие может достигать большой величины, и РУП не может его компенсировать. Поэтому для разгрузки компрессора от осевого сдвига применяют думмис (разгрузочный поршень), изображенный на схеме центробежного компрессора (рис. 2.11), но может применяться и в конструкциях осевых компрессоров. Сторона думмиса, обращенная к РК концевой ступени, нагружена давлением близким к давлению нагнетания, а противоположная сторона думмиса сообщается с всасывающим патрубком (или с атмосферой для воздушных компрессоров). Этот перепад давлений вызывает силу, направленную в сторону нагнетания, что компенсирует осевой сдвиг ротора.

Для уменьшения утечек сжимаемого газа за пределы компрессора и перетечек между ступенями внутри компрессора служат концевые и межступенчатые уплотнения. На рис. 2.10 и 2.11 изображены лабиринтные уплотнения, что характерно для воздушных компрессоров. Для компрессоров, сжимающих другие газы, как правило, применяются концевые уплотнения более сложных конструкций, а межступенчатые уплотнения также лабиринтные.