Центробежные компрессоры. Виды, характеристики центробежных компрессоров.
Центробежные компрессоры
По назначению компрессоры подразделяются на воздушные и газовые (кислородные).
Наибольшее распространение получили воздушные компрессоры, или компрессоры общего назначения. Они вырабатывают сжатый воздух давлением до 5 МПа, который широко применяется в промышленности. Например, в металлургии сжатый воздух используется для дутья в доменных и мартеновских печах, вагранках, нагревательных и термических печах и пр. Сжатый воздух как энергоноситель используется для привода различных пневмомеханизмов, молотов, трамбовок, вибраторов, обрубных молотов,
патронов для зажима деталей в станках, пневмоподъемников и т.д.
Воздух широко применяется для транспортирования и перемешивания сыпучих материалов, сепарации пыли и во многих других процессах.
Рост сети газопроводов и увеличение их протяженности способствовали развитию газовых компрессоров на высокие давления — до 40 МПа и выше. Для доставки природного газа в пункт потребления через каждые 100— 150 км газопроводов необходимо устанавливать компрессорные станции, перекачивающие до нескольких миллионов кубометров газа в сутки.
По принципу действия различают поршневые (объемные) компрессоры и турбокомпрессоры.
В поршневых повышение давления происходит из-за уменьшения объема замкнутого пространства, в котором находится газ, за счет перемещения стенки (например, поршня в цилиндре). При сжатии газ практически неподвижен, силы инерции в нем не проявляются (статическое сжатие). Характерной особенностью этих компрессоров является периодичность рабочего процесса.
В турбокомпрессорах сжатие происходит вследствие использования сил инерции потока газа. Преобразование энергии в турбокомпрессорах можно условно разделить на два этапа: на первом — газу сообщается кинетическая энергия (например, вращающимся лопаточным аппаратом), а на втором — поток газа тормозится и его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную (в диффузоре). Оба этапа могут совершаться одновременно. Характерной особенностью этих турбокомпрессоров является непрерывность рабочего процесса.
Следует заметить, что получение сжатых газов является весьма энергоемким производством. Например, на многих машиностроительных заводах для привода компрессоров расходуется около 30% общих затрат энергии, а на предприятиях горнорудной промышленности еще больше.
Конструктивная схема центробежного компрессора представлена на рис. 4.1. Можно сказать, что центробежный компрессор действует аналогично центробежному насосу.
Реальный компрессорный процесс сжатия считается политропным. Работу политропного сжатия идеального газа (без учета потерь на трение) можно определить по уравнениям термодинамики в специальной литературе (погрешность составляет 2—3 %).
Рис. 4.1. Трехступенчатый центробежный компрессор:
1 — вал; 2 — диффузор; 3 — неподвижные направляющие лопатки; 4 — лабиринтовые уплотнения; 5 — концевые уплотнения; 6 — рабочее колесо; 7 — рабочие лопатки; 8 — корпус компрессора
Удельная работа L, совершаемая над потоком в реальном компрессоре, расходуется на сжатие и перемещение газа, изменение его кинетической энергии и внутренние потери.
При наличии потерь в зависимости от интенсивности внешнего охлаждения процесс сжатия в компрессоре может протекать с показателем политропы п = 1,2÷1,7, меньшим или большим показателя адиабаты.
К основным параметрам компрессора относятся подача, конечное давление, мощность на валу и КПД (относительный), так как совершенство компрессорного процесса оценивают при помощи относительных термодинамических КПД — изотермического hиз и изоэнтропного hа.
Если действительный политропный процесс в компрессоре происходит с показателем n при удельной энергии L, то изотермический и изоэнтропный КПД определяют по формулам:
где Lиз и La — удельные энергии изотермического и изоэнтропного процессов.
Центробежные и осевые компрессоры (с неинтенсивным охлаждением) оцениваются при помощи изоэнтропного КПД hа. Это объясняется тем, что для компрессоров этого типа изоэнтропный процесс является эталонным и наиболее совершенным.
Подачей называется количество газа (воздуха), подаваемого компрессором в единицу времени. Различают массовую т, кг/с, и объемную Q, м3/с, подачи. В характеристиках машины обычно указывается объемная подача, отнесенная к условиям всасывания либо к нормальным условиям по ГОСТ 2939—63 (tн = 20 °С, рн = 101,325 кПа). Давление р, развиваемое компрессором, можно рассматривать как энергию, сообщаемую одному кубическому метру газа (1 Дж/м3= 1 Н. м/м3= 1 Па).
Мощность на валу центробежного компрессора для одной ступени, кВт,
где r — плотность газа (воздуха), кг/м3; Lа — удельная энергия изоэнтропного процесса сжатия, Дж/кг; hа= 0,8÷0,9; hмех= 0,96÷0,98 — механический КПД.
Мощность многоступенчатого компрессора представляет собой сумму мощностей отдельных ступеней.
Характеристиками центробежных компрессоров называются графически изображенные зависимости: р = f1(Q), Nв= f2(Q) и hк= f3(Q). Наиболее важной из них является зависимость между давлением (удельной работой) и подачей р = f1(Q).
Центробежные компрессоры выполняются с большим разнообразием схем и конструкций проточной части, отдельных узлов и деталей. Их изготовляют одноступенчатыми и многоступенчатыми. Повышение давления, создаваемого одной ступенью центробежного компрессора, ограничивается аэродинамической прочностью рабочего колеса. Поэтому для достижения требуемого конечного давления применяются многоступенчатые компрессоры. В современных центробежных компрессорах в зависимости от требуемого конечного давления в одном корпусе размещают шесть— восемь ступеней. Многоступенчатые центробежные компрессоры могут иметь промежуточные теплообменники (охладители). После сжатия в секции, состоящей из одной—трех неохлаждаемых ступеней, газ охлаждается в теплообменнике (рис. 4.2).
Центробежные компрессоры общего назначения выпускаются с подачей 1,66; 4,166 и 8,33 м3/с,
для кислородных блоков — 15 м3/с и выше, для доменных печей — от 50 до 200 м3/с. В отдельных случаях производят компрессоры с малой подачей 1,0—1,5 м3/с (для нефтехимии и др.). Компрессоры с подачей более 50 м3/с имеют в основном паротурбинный привод.
Рис. 4.2. Схема трехсекционного шестиступенчатого центробежного компрессора:
1 — компрессор; 2 — редуктор; 3 — привод; 4 — охладитель II секции; 5 — охладитель I секции
Компрессоры со средней и высокой подачей большей частью выпускаются с разъемом корпуса в горизонтальной плоскости по аналогии с современными паровыми турбинами. Диффузоры и обратные направляющие аппараты составляют одно целое с корпусом или же, что встречается чаще, они размещаются на диафрагмах, плотно вставленных в корпус. Диафрагмы также имеют разъем в горизонтальной плоскости.
Все центробежные компрессоры, как правило, многоступенчатые. Охлаждение корпуса компрессора улучшает его энергетические характеристики.
На рис. 4.3 представлено устройство широко распространенного в промышленности воздушного компрессора К-250-61-1. Компрессор шестиступенчатый, трехсекционный, имеет корпус с горизонтальным разъемом. Все подводящие и отводящие патрубки отлиты как одно целое с нижней половиной корпуса. Диффузоры компрессора канального типа имеют горизонтальный разъем и плотно вставлены в корпус. Привод компрессора электрический и соединен с компрессором через повышающий редуктор.
Регулирование подачи компрессора производят следующими способами: изменением частоты вращения вала, закруткой потока перед рабочим колесом и дросселированием потока на всасывании или нагнетании.
Характеристики турбокомпрессоров и воздуходувок отечественных и зарубежных производителей приведены в табл. 4.1—4.5.
Рис. 4.3. Воздушный компрессор К-250-61-1:
а — 1 — рабочее колесо I секции; 2 — диффузор канального типа первого колеса; 3 — рабочее колесо II секции; 4 — рабочее колесо III секции; 5 — думмис; б — характеристики компрессора при tн = 20 °С; п = 11230 мин–1
Таблица 4.1. Технические характеристики центробежных компрессоров ТКА
| Параметр | ТКА 80/9 | ТКА 130/9 | ТКА 250/9 |
| Номинальная объемная подача, м3/мин | 80 | 130 | 260 |
| Регулируемый диапазон подачи, м3/мин | 58—80—86 | 95—130—140 | 170—260—276 |
| Конечное абсолютное давление, МПа (кгс/см2) | 0,882 (9) | 0,882 (9) | 0,882 (9) |
| Потребляемая мощность в регулируемом диапазоне, кВт | 380—500—530 | 560—745—780 | 880—1430—1450 |
| Изотермический КПД в рабочем диапазоне, не менее | 0,66 | 0,67 | 0,68 |
| Частота вращения роторов компрессора, мин–1 | 16815/24409 | 16993/24581 | 17283/24844 |
| Габариты блока, м | 2,3x2,4x1,8 | 3,1x2,6x2 | 2,5x3,92x2,3 |
| Габариты агрегата, включая двигатель, м | 4,2x2,4x2 | 9,8x2,6x2,1 | 7x3x2,6 |
| Масса (без двигателя), т | 5,4 | 7,5 | 13 |
Примечание. Компрессоры ТКА 80/9 и ТКА 130/9 — четырехступенчатые (четыре колеса диагонального типа); ТКА 250/9 — трехступенчатые.
Таблица 4.2. Технические характеристики центробежных низконапорных нагнетателей (воздуходувок) ОАО «Дальэнергомаш»
| Марка | Q,м3/мин | pк, МПа | Nв, кВт | Габариты (ДxШxВ), м | Массаm, т | Nдв, кВт | n, мин–1 | U, В |
| ЦНВ60/1,2 | 60—70 | 0,121—0,12 | 24—30 | 1,9x1,6x1,8 | 4,73 | 30 | 2945 | 220/380 |
| ЦНВ100/1,2 | 90—100—130 | 0,1205—0,12—0,118 | 36—38—45 | 2,0x1,6x1,8 | 4,87 | 45 | 2945 | |
| ЦНВ60/1,4 | 45—60—100 | 0,145—0,14—0,132 | 42—50—72 | 2,1x2,1x1,8 | 7,20 | 75 | 4125 | |
| ЦНВ60/1,6 | 40—60—80 | 0,165—0,16—0,157 | 50—70—89 | 2,2x2,1x1,8 | 7,26 | 90 | 4898 | |
| ЦНВ100/1,4 | 75—100—150 | 0,145—0,14—0,135 | 65—85—110 | 2,4x2,3x1,8 | 7,60 | 110 | 4139 | |
| ЦНВ100/1,6 | 65—100—150 | 0,165—0,16—0,145 | 74—110—132 | 2,5x2,3x1,8 | 7,67 | 132 | 4914 | 380/660 |
| ЦНВ160/1,4 | 130—160—150 | 0,145—0,14—0,132 | 115—130—150 | 2,6x2,4x1,8 | 7,80 | 160 | 4139 | |
| ЦНВ160/1,6 | 120—160—210 | 0,165—0,16—0,146 | 133—170—194 | 2,6x2,3x1,8 | 8,01 | 200 | 4914 | |
| ЦНВ200/1,4 | 140—200—230 | 0,144—0,14—0,135 | 119—155—160 | 2,6x2,3x1,8 | 7,82 | 160 | 4139 | |
| ЦНВ200/1,6 | 140—200—260 | 0,165—0,16—0,147 | 165—215—245 | 2,6x2,4x1,8 | 8,35 | 250 | 4914 | |
| ЦНВ80/1,85 | 70—80—92 | 0,192—0,185—0,177 | 120—132—150 | 2,6x2,3x1,8 | 4,27 | 160 | 16764 | 380/660 |
| ЦНВ100/1,8 | 75—100—110 | 0,190—0,18—0,170 | 125—153—165 | 2,6x2,3x1,8 | 4,55 | 200 | ||
| ЦНВ130/1,85 | 115—130—140 | 0,192—0,185—0,180 | 187—207—222 | 2,6x2,3x1,8 | 4,32 | 250 | ||
| ЦНВ160/1,8 | 120—160—175 | 0,190—0,18—0,170 | 202—247—262 | 2,6x2,3x1,8 | 4,85 | 315 | ||
| ЦНВ80/3,2 | 75—80—105 | 0,32—0,34—0,32 | 230—255—325 | 3,3x2,2x1,8 | 5,70 | 315 | ||
| ЦНВ100/3,2 | 85—100—110 | 0,335—0,32—0,29 | 270—310—335 | 3,5x2,2x1,8 | 5,85 | 400 | ||
| ЦНВ130/3,2 | 120—135—140 | 0,34—0,33—0,32 | 375—405—430 | 3,7x2,4x2,0 | 5,90 | 500 | 6000 | |
| ЦНВ160/3,2 | 130—160—170 | 3,4—3,2—2,7 | 410—480—500 | 3,8x2,4x2,1 | 6,60 | 630 | 6000;10000 |
Таблица 4.3. Технические характеристики центробежных компрессоров ОАО «Казанькомпрессормаш»
| Марка компрессора (компрессорной установки) | Сжимаемый газ | Q,м3/мин | p, МПа | Привод | |
| начальное | конечное | ||||
| ЦК-135/8М1 | Воздух, азот | 135 | 0,1 | 0,78 | Электрический |
| ЦК-115/9 | Воздух, азот | 115 | 0,1 | 0,9 | |
| 543ЦК-450/35М1 | Воздух | 450 | 0,1 | 3,5 | |
| ВЦ1-75/10 | Воздух | 75 | 0,1 | 1 | Дизель |
| 32ВЦ-100/9 | Воздух, азот | 100 | 0,1 | 0,9 | Электрический |
| 43ВЦ-160/9 | Воздух, азот | 160 | 0,1 | 0,9 | |
| АЭРОКОМ 22-63/9 | Воздух | 62,6 | 0,099 | 0,9 | |
| АЭРОКОМ 2-60/3,5УХЛ 4 | Воздух | 60 | 0,102 | 0,35 | |
| АЭРОКОМ АА-250/9,4 | Воздух | 262 | 0,102 | 0,94 | |
| АЭРОКОМ АА-100/35 | |||||
| АЭРОКОМ АА-250/9Д | Воздух | 253 | 0,102 | — | Дизель |
| АЭРОКОМ 43-120/9 ОМ5 | Воздух | 113 | 0,0985 | 0,9 | Электрический |
| ЦНОН-160/1,8 | Воздух | 160 | 0,1 | 0,18 | |
| ЦКОН-43-160/9Р | 0,098 | 0,9 | |||
| ЦНОН-60/2,5 | Воздух | 60 | 0,1033 | 0,25 | |
| КТК-7/14 | Кислород | 117 | 0,1 | 1,4 | |
Таблица 4.4. Технические характеристики центробежных компрессоров фирмы «Атлас Копко»
| Модель | p, МПа | Q, м3/ч | Nдв, кВт | Уровень шума, дБ | Масса, кг | Габариты (ДxШxВ), мм |
| Компрессоры среднего давленияДвухступенчатые | ||||||
| ZH7000 | 0,35; 0,39;0,42; 0,46 | 4332—7280 | 315—500 | 68 | 6 500 | 5000x2120x2400 |
| ZH10000 | 6720—10933 | 500—710 | 68 | 10 500 | 5250x2120x2400 | |
| ZH15000 | 10900—17032 | 710—1250 | 68 | 18 000 | 5800x2370x2630 | |
| Трехступенчатые | ||||||
| ZH7000 | 0,7; 0,8;0,9; 1,04 | 4360—7350 | 450—800 | 74 | 8 000 | 5000x2120x2400 |
| ZH10000 | 6700—11246 | 630—1120 | 74 | 12 000 | 5250x2120x2400 | |
| ZH15000 | 10870—16910 | 1120—1850 | 74 | 15 000 | 5800x2370x2630 | |
| Безмасляные центробежные компрессоры низкого давления | ||||||
| ZB80VSD | 0,03—0,1 | 25,4—59,3 | 80 | 67 | 1 130 | 1520x1446x2076 |
| ZB120VSD | 0,03—0,14 | 23,2—63,7 | 120 | 67 | 1 180 | |
| ZB160VSD | 0,03—0,17 | 23,2—70 | 160 | 67 | 1 230 | |
Таблица 4.5. Технические характеристики компрессоров серии ТМ компании Samsung
| Параметр | ТМ400 | ТМ500 | ТМ600 | ТМ700 | ТМ800 | ТМ900 | ТМ1000 | ТМ1250 | ТМ1500 | ТМ1750 | ТМ2000 | ТМ2250 |
| Мощность двигателя, кВт | 221—2355 | |||||||||||
| Подача, м3/ч | 2200—22000 | |||||||||||
| Выходное давление (избыточное), МПа | 0,25—2 | |||||||||||
| Габариты (ДxШxВ), мм | 2900x160x1800 | 3210x1900x1930 | 3985x2070x1980 | 5800x2300x2550 | ||||||||
| Масса, т | 4,5—12 | |||||||||||