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
Рис.8.29. Схемы проточной части всасывающей (я), промежуточной (6) и концевой (в) компрессорных ступеней: 1 - всасывающая камера; 2 - входной регулирующий аппарат; 3 - рабочее колесо; 4 - безлопаточный диффузор; 5 - лопаточный диффузор; 6 - радиально-кольцевой поворот; 7 - обратный направляющий аппарат; 8 - спиральная камера |
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-
Таблица 8.1
|
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)
(8.54) |
7tD2b2T2<pr2qmKv2
Рис.8.30. Двухступенчатый бессальниковый холодильный центробежный компрессор конструкции ОТИХП (ОГАХ). Выноски приведены в тексте |
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.