Компрессоры
8.1 Общие сведения о компрессорах
Машины для подачи сжатого воздуха при давлении свыше 3 атм. называются компрессорами.
По конструкции и принципу действия различают компрессоры поршневые, центробежные и ротационные. Наибольшее распространение получили поршневые и центробежные компрессоры.
Поршневые компрессоры обычно применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить большое давление (свыше 10 атм.) при малой производительности (не свыше 100 - 150 м3/мин), центробежные — когда требуется большая производительность (не менее 50 м3/мин) при сравнительно малом давлении (до 7 - 8 атм.), и ротационные - при средних: давлениях.
Таким образом, области применения поршневых и центробежных компрессоров различны.
Поршневые компрессоры отличаются высоким коэффициентом полезного действия, однако они имеют ряд существенных недостатков, свойственных всем машинам с возвратно - поступательным принципом движения: тихий ход, большие габариты, а также большой вес фундаментных масс; чувствительны к загрязнению; имеют быстроизнашивающиеся трущиеся части.
Центробежные компрессоры имеют большие преимущества перед поршневыми:
1) не требуют внутренней смазки, газ не загрязняется маслом, менее опасны в отношении взрыва; смазываемыми частями являются только подшипники, в связи с этим небольшой расход масла;
2) ротор центробежной компрессорной машины вращается с большим числом оборотов;
3) можно непосредственно соединять с быстроходными паровыми турбинами, электродвигателями и газовыми турбинами;
4) компактны, имеют небольшой вес и простую конструкцию, рабочим узлом является ротор машины, что обеспечивает удобство обслуживания;
5) воздух проходит через компрессор в одном направлении и равномерно, благодаря чему в установках с центробежными компрессорами нет необходимости применять ресиверы между отдельными ступенями и после нагнетательной камеры;
6) для установки требуется небольшое помещение машинного зала.
Центробежные компрессоры имеют и некоторые недостатки: трудно получить малую производительность при больших давлениях (малая производительность требует малых оборотов, а при малых оборотах невозможно получить высокое давление) и коэффициент полезного действия центробежного компрессора меньше, чем поршневого.
8.2 Поршневые компрессоры
Принцип действия поршневых компрессоров
По принципу работы и чередованию процессов всасывания и нагнетания поршневые компрессоры ничем не отличаются от поршневых насосов. В поршневых насосах при нагнетательном ходе поршня (ввиду не сжимаемости жидкости) сразу же начинается выталкивание жидкости через нагнетательный клапан, а в поршневом компрессоре при нагнетательном ходе поршня воздух сначала сжимается, и уже затем выталкивается (поршнем) через нагнетательный клапан.
Одноступенчатый компрессор простого действия имеет открытый с одного конца цилиндр, в котором движется поршень, приводимый в действие от кривошипного механизма и совершающий возвратно-поступательное движение. В левой крышке размещены всасывающий клапан, открывающийся в сторону поршня, и нагнетательный клапан, открывающийся в сторону нагнетательного трубопровода.
При движении поршня вправо в пространстве между крышкой и поршнем создается разрежение, вследствие чего поднимается и, открывая клапанное отверстие, впускает воздух в цилиндр. Когда поршень достигает крайнего правого положения, клапан под действием пружины опускается на свое седло и закрывает отверстие, в результате чего воздух прекращает поступать в цилиндр. В течение всего периода всасывания отверстие нагнетательного клапана остается закрытым.
При движении поршня влево воздух, находящийся в цилиндре, сжимается до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет величины, достаточной для преодоления сопротивления специально отрегулированной пружины нагнетательного клапана. По достижении этого давления нагнетательный клапан поднимается, и сжатый воздух выталкивается из цилиндра в нагнетательный трубопровод. Заметим, что сжатый воздух, выталкиваемый поршнем из цилиндра, преодолевает, кроме жесткости пружины, и давление воздуха в нагнетательном трубопроводе.
Совокупность описанных выше процессов называется циклом работы компрессора. Полный цикл работы компрессора простого действия происходит, таким образом, за два хода поршня (вперед и обратно), т. е. за один оборот приводного вала.
8.3 Классификация поршневых компрессоров
В зависимости от способа действия, числа ступеней и т. п. поршневые компрессоры классифицируются следующим образом.
1) По способу действия:
а) простого действия;
б) двойного действия.
2) По расположению оси цилиндра:
а) горизонтальные;
б) вертикальные, обычно производительностью не более 40 мг/мин;
в) со звездным расположением цилиндров, применяемые при небольших производительностях в передвижных установках.
3) По числу ступеней:
а) одноступенчатые;
б) двухступенчатые;
в) многоступенчатые.
4) По числу цилиндров:
а) одноцилиндровые;
б) двухцилиндровые;
в) многоцилиндровые.
5) По конечному давлению:
а) низкого давления (до 10 атм.)
б) высокого давления (максимальное давление, достигнутое в настоящее время, не превышает 1000 aтм).
6) По способу охлаждения:
а) с воздушным охлаждением - мелкие по габаритным размерам;
б) с водяным охлаждением - водяная рубашка и наружное охлаждение в промежуточных холодильниках для многоступенчатых компрессоров.
7) По числу оборотов:
а) тихоходные - не выше 200 об/мин,
б) средней быстроходности - от 200 до 250 об/мин;
в) быстроходные - от 450 до 1000 об/мин.
8) По роду сжигаемого газа:
а) воздушные;
б) кислородные;
в) аммиачные и т. п.
9) По установке:
а) стационарные;
б) передвижные.
8.4 Центробежные компрессоры
Центробежный компрессор состоит из нескольких центробежных колес, закрепленных на одном валу. Во избежание обратного расширения сжатого воздуха при переходе его от колеса к колесу, последующие колеса выполняются меньшей ширины или меньшего диаметра. Лопатки этих колес могут быть загнутыми назад или радиальными (последние применяются при больших оборотах). Колеса последовательно соединены переходными каналами и расположены в общем кожухе с направляющими аппаратами.
Воздух, всасываемый через фильтр в компрессор, поступает от одного колеса к другому и постепенно сжимается.
Отношение конечного давления воздуха, развиваемого одним колесом, к начальному его давлению называется степенью сжатия. Степень сжатия в одном колесе невелика, а именно:
(8.1)
и лишь в исключительных случаях достигает 1,5÷1,8. Однако очень высокая степень сжатия требует увеличения окружной скорости колес до 400 м/сек, что осуществимо при условии изготовления колес из специальных сортов стали, так как окружная скорость ограничивается прочностью материала колеса. Обычно же, число оборотов колеса, берется из расчета окружной скорости 150 - 200 м/сек.
Компрессоры создают высокие давления, и общая степень сжатия значительна. Поэтому центробежные компрессоры имеют несколько последовательно соединенных колес. Диаметр колес чаще всего колеблется в пределах от 700 до 1400 мм.
При средних окружных скоростях поток выходит из рабочего колеса, со скоростью около 160 - 170 м/сек, вследствие чего теряется часть кинетической энергии. Для увеличения давления на выходе из машины и уменьшения потерь в газопроводе на выходе из каждого колеса устанавливают направляющие аппараты.
Выходя из направляющего аппарата, газ меняет направление под углом 180° и подводится к центру следующего рабочего колеса; из последнего направляющего аппарата поток газа поступает в нагнетательную камеру и далее в газопровод. Полость, через которую поток подводится к следующему рабочему классу, разбита лопатками на каналы и образует неподвижную круговую решетку, которая называется обратным направляющим аппаратом или обратными каналами. Эти каналы служат для раскручивания потока воздуха и превращения кинетической энергии движения в потенциальную энергию давления.
И те и другие направляющие аппараты превращают часть кинетической энергии выходящего воздуха в энергию давления и впускают газ в трубопровод с меньшей скоростью.
Направляющие аппараты применяются двух видов: безлопаточные и лопаточные.