разное

Турбокомпрессоры

Турбокомпрессоры (компрессоры динамического действия) подразделяются на два больших класса:

• центробежные компрессоры, в которых поток рабочего вещества в основном движется в радиальном направлении от центра к периферии;

• осевые компрессоры, в которых поток рабочего вещества движется в осевом направлении - параллельном оси вращения.

Динамический принцип сжатия в турбокомпрессорах осу­ществляется в результате подвода механической энергии от двигателя к вращающейся решетке лопаток и силового взаимодействия лопаток с потоком рабочего вещества. Сообщаемая газу кинетическая энергия в неподвижных диффузорных элементах проточной части переходит в потенциальную, т. е. в энергию давления.

В парокомпрессорных холодильных машинах (тепловых насосах) преимущественно применяют центробежные компрессоры малой и средней производительности. Осевые компрессоры используют только в воздушных холодильных машинах большой производительности.

Как все типы холодильных компрессоров центробежные компрессоры предусматривают использование любого рабочего веще­ства. Эти компрессоры бывают сальниковыми и бессальниковыми. Сальниковые компрессоры приводятся в движение посредством электродвигателя или турбины (воздушной или работающей на том же рабочее веществе, что и компрессор - глава 19 и 20).

Центробежный компрессор состоит из вращающихся рабочих колес, насаженных на вал, и неподвижных аппаратов. Все элементы проточной части компрессора представляют собой в основном диффу­зоры. Поэтому центробежный компрессор можно рассматривать как систему последовательно соединенных вращающихся и неподвижных диффузоров. Совокупность одного рабочего колеса с располо­женными за ним неподвижными аппаратами называется ступенью турбокомпрессора. Это понятие связано с конструктивной схемой компрессора. Турбокомпрессор может иметь несколько ступеней, однако в целом компрессор будет одноступенчатым относительно осуществления термодинамического цикла холодильной машины (теплового насоса). Однако двухступенчатый или трехступенчатый холодильный центробежный компрессор (с двумя или тремя рабочими колесами) может работать как по циклу одноступенчатого сжатия, так и по циклу многоступенчатого сжатия.

В зависимости от конструктивной схемы различают три типа компрессорных ступеней: всасывающую, промежуточную и концевую (рис.8.29).

Всасывающая ступень состоит из осесимметричного входного патрубка или всасывающей камеры, входного регулирующего аппа­рата, рабочего колеса, безлопаточного диффузора, лопаточного диф­фузора, радиально-кольцевого поворота, обратного направляющего аппарата.

Промежуточная ступень содержит те же элементы, что и всасывающая, за исключением входного регулирующего аппарата. Промежуточных ступеней может быть несколько. В двухступенчатых компрессорах за всасывающей ступенью непосредственно следует концевая. После рабочего колеса этой ступени устанавливают короткий безлопаточный диффузор, спиральную камеру или сборную камеру.

Все элементы проточной части ступени, кроме всасывающего устройства, представляют собой плоские или конические диффузоры, т. е. каналы с увеличивающейся по длине площадью поперечного сечения. В таких каналах в соответствии с уравнением сплошности скорость потока уменьшается от входа канала к его выходу. При этом по закону сохранения энергии кинетическая энергия переходит в

Потенциальную. Поэтому даже в неподвижных элементах ступени, где отсутствует подвод энергии извне, давление увеличивается.

Рабочий процесс в центробежном компрессоре осуществля­ется следующим образом (рис.8.29). Пары рабочего вещества поступают из испарителя во входное устройство, предназначенное для подвода пара к рабочему колесу. В этом элементе реализуется конфузорное течение паров вследствие того, что площадь канала к выходу уменьшается. На участке Н-0 поток ускоряется, благодаря чему выравнивается эпюра скоростей на входе в колесо и уменьша­ются газодинамические потери (течение в конфузорном канале сопровождается меньшими потерями энергии, чем в диффузорном из - за отсутствия отрыва пограничного слоя). На этом участке ступени скорость потока рабочего вещества увеличивается, а давление и энтальпия уменьшаются.

В рабочем колесе рабочее вещество меняет направление дви­жения с осевого на радиальное. На участке осерадиального поворота между сечениями 0 и 1 площадь канала практически не изменяется, энергия к потоку извне не подводится, поэтому его скорость и давление изменяются незначительно. В сечении 1 пары захватываются лопатками колеса. В результате стеснения потока увеличивается скорость паров и, следовательно, уменьшается их давление. В колесе к потоку подводится механическая энергия, передаваемая лопатками. Вследствие этого увеличивается скорость паров и давление.

Из рабочего колеса пары рабочего вещества, движущиеся с большой скоростью, поступают сначала в безлопаточный диффузор (сечение 2), а затем в лопаточный диффузор (сечение 3). В диф­фузорах скорость паров снижается, давление и энтальпия увеличива­ются. После диффузора в радиально-кольцевом повороте между сечениями 4 и 5 поток поворачивает от периферии к центру и по обратному направляющему аппарату подводится к рабочему колесу второй ступени. На участках 4-5 и 5-6 скорость и давление паров практически не изменяются.

В одноступенчатом компрессоре и концевой ступени много­ступенчатого компрессора пары рабочего вещества после диффузора поступают в улитку, основное назначение которой заключается в сборе паров после диффузора или непосредственно после рабочего колеса в случае применения бездиффузорной улитки. Поэтому в последнее время во многих конструкциях центробежных компрессоров улитка заменяется сборной камерой с постоянной площадью поперечного сечения, которая играет роль парового коллектора. После улитки или сборной камеры пары рабочего вещества через выходной патрубок направляются в конденсатор.

На всех участках проточной части течение потока сопровож­дается необратимыми потерями, в результате чего энтропия рабочего вещества в процессе сжатия непрерывно возрастает.

Энергетическую эффективность процессов, протекающих в центробежных компрессорах, оценивают на основании анализа уравнений энергии и механики потока.

Значения основных конструктивных параметров, коэффи­циентов расхода и напора, степени реактивности для разных типов ступеней приведены в табл. 8.1.

Из анализа таблицы 8.1 следует, что насосная ступень является малорасходной и низконапорной, а ступень авиационного типа - вы­сокорасходной и высоконапорной. Однако вследствие большой сте­пени реактивности и некоторых других особенностей насосная ступень имеет несколько более высокий КПД. Ступень компрес­сорного типа по своим характеристикам занимает промежуточное положение.

Производительность центробежных компрессоров обычно ха­рактеризуют объемным расходом, отнесенным к условиям всасыва-

Вания. Выразим эту величину через параметры характерного сечения на выходе колеса

VH=7iD2b2T2cr2Kv2

7t D2 b2 •т2 -<рг2 и2 Kv2 ,

Где ^2=b2/Z)2 - относительная ширина лопатки; Kv2=vH/v2 - отношение удельных объемов пара рабочего вещества.

Расходную характеристику холодильного турбокомпрессора определяют холодопроизводительностью

Qo=V»-q»'Z (8.55)

= Jt D2 ■b2-т2 •<pi2-u2-qVH Kv2 .

Из последнего уравнения определяют наружный диаметр колеса при известной холодопроизводительности

D2 = ------------- ^------------------------------ (8.56)

n-b2-T2<pr2-u2-qm-Kv2

И частоту вращения

„_ _____ Qo

3 - ------- -. (8.57)

7tD2b2T2<pr2qmKv2

Для более подробного анализа параметров и характеристик центробежных компрессоров необходимо использовать специальную литературу.

В качестве примера на рис.8.30 представлена конструкция бессальникового двухступенчатого холодильного центробежного компрессора, разработанная в 1970-ых годах в ОТИХП под руко­водством А. Б.Баренбойма. Компрессор предназначался для исполь­зования в холодильной машине, специально созданной для системы кондиционирования воздуха и охлаждения аппаратуры сверхзвуко­вого самолета.

Центробежный компрессор имеет две ступени, расположенные по обе стороны двигателя. Особенностью конструкции является при­менение рабочих колес 7, 11 с сильно загнутыми назад лопатками и вертикальное расположение вала 10. Наружный диаметр рабочего колеса первой ступени 180 мм, второй - 160 мм. Лопатки выполнены заодно с основным диском. Неподвижные элементы проточной части компрессора представляют собой бездиффузорные двухзаходные улитки 5, 12. Во вторую ступень пары подводятся по каналам 8, расположенным с наружной стороны корпуса. На вал компрессора напрессован ротор 4 электродвигателя, статор 3 установлен в корпусе турбоагрегата.

Ротор турбоагрегата вращается в двух высокоскоростных радиально-упорных подшипниках 1 с текстолитовыми сепараторами. Наружное кольцо верхнего подшипника прижато пружиной 6. Под­шипники смазываются жидким рабочим веществом с незначительной примесью масла (2 ... 5%). Отнимая тепло трения, рабочее вещество испаряется в подшипниках и по каналам в корпусах подшипников поступает в полость электродвигателя и далее во всасывающий патрубок компрессора.

Система охлаждения электродвигателя смешанная. Часть тепла отводится водой, протекающей через охлаждающую полость 9, другая - кипящим рабочим веществом. Перед подачей на обмотки жидкость рабочего вещества дросселируется в капиллярных отвер­стиях 2 до давления р0. Расход рабочего вещества, направляемого в систему охлаждения электродвигателя и смазки подшипников не превышает 7% общего расхода рабочего вещества, циркулирующего в холодильной машине.

Холодопроизводительность при работе на R-11 в режиме Т0 - 0°С и Тк = 60°С составляла Q0= 35 кВт. Габариты компрессора 430 х 400 х 400 мм, масса 40 кг.