Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия - файл 1_Классификация и принцип действия.doc


Загрузка...
Лекции - Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия
скачать (6312.1 kb.)

Доступные файлы (22):

0_введение.doc37kb.29.01.2007 16:23скачать
0_обложка.doc667kb.26.01.2007 04:00скачать
10_Методы регулирования ТК.doc887kb.29.01.2007 22:01скачать
11_Нестационарные процессы.doc794kb.29.01.2007 23:48скачать
12_Проектирование.doc3407kb.30.01.2007 00:19скачать
13_роторы.doc702kb.30.01.2007 00:31скачать
14_Многоступенчатые компрессоры.doc1958kb.30.01.2007 00:42скачать
15_Уплотнения ТК.doc863kb.30.01.2007 16:13скачать
16_Технология.doc741kb.30.01.2007 01:30скачать
17_эксплуатация ТК.doc242kb.30.01.2007 01:32скачать
1_Классификация и принцип действия.doc251kb.29.01.2007 16:37скачать
2_Термодинамические основы.doc936kb.22.02.2007 19:03скачать
3_Газодинамические основы.doc1762kb.30.01.2007 16:35скачать
4_Физические явления.doc837kb.29.01.2007 17:25скачать
5_Безразмерные газодинамические параметры.doc861kb.11.05.2007 18:57скачать
6_Кинематические схемы ступеней КМДД.doc501kb.29.01.2007 18:19скачать
7_Пространственое течение.doc1865kb.05.07.2007 11:49скачать
8_Характеристики ТК.doc966kb.29.01.2007 21:36скачать
9_Работа компрессоров на сеть.doc631kb.29.01.2007 21:51скачать
Библиографический список.doc43kb.30.01.2007 04:36скачать
Литература.doc46kb.19.06.2004 02:22скачать
Оглавление.doc153kb.30.01.2007 04:29скачать

1_Классификация и принцип действия.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
1. Классификация, область применения и принцип действия компрессорных машин динамического действия
Компрессорными машинами называют машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов и их смесей. Компрессоры являются потребителями внешней энергии, т.е. механическая энергия привода преобразуется в работу перепада давлений и теплоту.

По принципу действия компрессорные машины подразделяются на два основных класса: объемного сжатия и динамического сжатия. Существуют также компрессорные машины термического и электрогазодинамического принципа действия, однако они существуют в стадии опытных разработок.

В компрессорах динамического сжатия повышение давления происходит за счет создания ускорения в потоке газа, вследствие чего происходит изменение кинетической энергии газа. Подвод энергии происходит либо за счет силового взаимодействия лопаток с потоком газа, либо за счет смешения потоков разных энергий (струйные компрессоры).
1.1. Классификация компрессорных машин динамического действия
На рис. 1.1. приведена классификация компрессорных машин динамического действия, а на рис. 1.2. – принципиальные схемы, показывающие характер движения газового потока в турбокомпрессорных машинах.

Рис. 1.1. Классификация компрессорных машин динамического действия

а) б) в) г)

Рис. 1.2. Принцип действия турбокомпрессоров: а) осевой компрессор (ОК); б) центробежный компрессор (ЦК); в) диагональный компрессор (ДК);
г) вихревой компрессор (ВК)
В осевом компрессоре поток газа в меридиональной плоскости имеет осевое направление. В центробежном компрессоре – в основном радиальное (от центра к периферии) направление. В диагональном компрессоре – направление промежуточное между осевым и радиальным. В проточной части вихревого компрессора в радиальной плоскости поток газа имеет сложное вихревое движение, по ходу которого частицы газа неоднократно попадают в межлопаточные каналы и выходят из них.

Принцип действия турбокомпрессоров заключается в том, что в рабочем колесе к газу подводится энергия, которая идет на увеличение кинетической энергии (скорости) и потенциальной энергии (давление). При движении газа в неподвижных элементах компрессора его кинетическая энергия преобразуется в давление (газ тормозится).

Сформулируем основные преимущества и недостатки турбокомпрессоров по сравнению с компрессорами объемного принципа действия.

Достоинства турбокомпрессоров:

  1. Большая производительность.

  2. Невысокие массогабаритные показатели, обусловленные большой производительностью и непрерывностью подачи газа.

  3. Отсутствие возвратно–поступательно движущихся элементов конструкции упрощает эксплуатацию и снижает требования к фундаменту.

  4. Чистота сжимаемого газа (смазочное масло практически не попадает в проточную часть).

  5. Отсутствие пульсаций газа на выходе из компрессора (отсутствует необходимость в установке ресивера).

  6. Возможность непосредственного (без редуктора) соединения компрессора с мощным быстроходным приводом (газовой или паровой турбиной).

  7. Большие межремонтные сроки эксплуатации.

Недостатки турбокомпрессоров:

  1. Невысокая степень повышения давления πк≤20-25; в одной ступени π≤1,5-2 (авиационные ступени π≤10-12).

  2. Трудность создания экономичных турбокомпрессоров, особенно осевых, имеющих малую производительность (G≤1 кг/с).

  3. Неустойчивая работа компрессора в области малых расходов (вращающийся срыв, помпаж).


^ 1.2. Области применения компрессорных машин динамического действия
Благодаря достоинствам турбокомпрессоров в последние годы наблюдается расширение области применения турбокомпрессоров (особенно центробежных) до области больших давлений и малых производительностей. Примерные области применения компрессорных машин различных типов указаны на рис. 1.3.



Рис. 1.3. Области предпочтительного применения различных типов компрессоров по производительности и конечному давлению

Среди различных типов турбокомпрессоров (центробежных, осевых, диагональных, вихревых) первое место по распространенности в различных отраслях промышленности занимают центробежные компрессоры и нагнетатели, затем следуют осевые и вихревые.

Перечислим основные отрасли промышленности, где применяются центробежные компрессоры.

^ Химическая и нефтехимическая промышленность

В химической промышленности центробежные компрессоры применяют в установках:

  • производства аммиака (для сжатия азотоводородной смеси и подачи ее в колонны синтеза аммиака, для сжатия природного газа и азота);

  • производства метанола (для сжатия синтез-газа, состоящего из водорода, окиси углерода и углекислого газа);

  • производства кислорода (для сжатия воздуха и подачи его в блоки разделения, для сжатия кислорода и транспортирования его по трубопроводам);

  • производства хлора (для сжатия осушенного хлора, для работы в составе холодильной машины термостатирования технологического процесса);

  • производства полиэтилена (для сжатия газообразного этилена до высокого давления и подачи его в реактор для полимеризации);

  • производства ацетилена из природного газа (для сжатия газов пиролиза метана и подачи их в колонны выделения ацетилена, для сжатия ацетилена);

  • производства азотной и серной кислот (для сжатия нитрозных газов и подачи их в окислитель и абсорбционную колонну; для сжатия сернистого газа).

В нефтехимической промышленности центробежные компрессоры применяют в установках:

  • каталитического крекинга и риформинга (для сжатия и циркуляции водородсодержащего газа в процессах гидроочистки);

  • депарафинизации масел (для охлаждения масляных фракций с целью кристаллизации парафинов);

  • производства этилена (для сжатия газа пиролиза этана и подачи его в реактор, работы в составе холодильных машин в двухкаскадном холодильном цикле для сжатия пропилена и этилена);

  • производства синтетического каучука (для сжатия контактного газа дегидрирования изопентана и изоамиленов).

^ Нефтедобывающая, газовая промышленность

В нефтедобывающей промышленности центробежные компрессоры применяются при добыче нефти газлифтным способом. В этом случае в компрессорах сжимается попутный нефтяной газ и закачивается в скважины.

В газовой промышленности центробежные компрессоры обеспечивают транспортирование природного газа от мест добычи до потребителей по магистральным газопроводам, компенсируя потери давления на участках газопровода.

^ Металлургическая промышленность

В металлургии при выплавке чугуна в доменных печах компрессорами подается воздух (или воздух обогащенный кислородом) в печь, где протекают окислительно-восстановительные процессы, обеспечивающие превращение железной руды в чугун. В производстве стали кислородно-конвертерным способом, центробежными компрессорами продувается чистый кислород через расплавленный чугун.

Для удаления образующихся дымовых газов в агломерационных машинах, где обработкой железной руды известью осуществляется подготовка сырья для доменной плавки – рудной шихты, центробежными нагнетателями просасывается воздух.

При производстве сталей в мартеновских печах центробежными нагнетателями отсасываются продукты сгорания.

^ Горнодобывающая промышленность

Сжатый воздух в компрессорных установках, расположенных на поверхности подается по трубопроводам к шахтному оборудованию (пневмотранспортеры, отбойные молотки, лебедки и др.).

^ Машиностроительная промышленность

Практически на каждом предприятии имеется система снабжения сжатым воздухом цехов, где потребителями его являются различный пневмоинструмент (пневмодрели, пневмошлифовальные машинки, пневмогайковерты и др.), пневматические прессы, домкраты и др. оборудование. На крупных предприятиях для выработки сжатого воздуха используют центробежные компрессоры.

Транспорт

На авиационном транспорте осевые и центробежные компрессоры входят в состав газотурбинных двигателей. Назначением их является сжатие воздуха и подача его в камеру сгорания, где при подаче топлива осуществляется окислительный процесс, а продукты сгорания затем направляются на турбину, где в результате расширения газовоздушной смеси возникает движущая сила.

В автомобильном транспорте центробежные нагнетатели применяются в агрегатах турбонаддува для увеличения мощности двигателей внутреннего сгорания за счет увеличения количества воздуха, подаваемого в цилиндры.

На судовом транспорте (ледоколы) применяют осевые компрессоры для предотвращения обледенения корпуса за счет подачи нагретого в результате процесса сжатия воздуха.
^ 1.3. 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 газа к промежуточным газоохладителям или за пределы компрессора.

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

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

Рассмотрим принципиальные схемы стационарных осевого (рис. 1.4) и центробежного (рис. 1.5) 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. 1.4. 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. 1.5. 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. 1.5). 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.1.5) 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. 1.5). 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. 1.5), 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.1.4 и 1.5 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.

^ 1.4. История развития теории и конструирования турбокомпрессоров
Широкое внедрение в промышленность турбокомпрессоров началось в начале XX века, а до этого единственным типом компрессоров были поршневые.

Развитию турбокомпрессоростроения предшествовали теоретические работы в области газо- и аэродинамики членов Петербургской Академии наук, немецкого ученого Леонардо Эйлера (1707–1783) и швейцарского ученого Даниила Бернулли (1700–1782). Знаменитый трактат Л.Эйлера (1756), в котором представлены выведенные им уравнения движения идеальной жидкости и уравнение неразрывности, послужил основой для зарождения теории турбомашин.

Дальнейшее развитие теория турбомашин получила в трудах словацкого инженера Ауреля Стодолы (1859–1942), который создал научные основы проектирования и расчета паровых и газовых турбин, процессов преобразования энергии в лопаточных аппаратах, истечения газов через лабиринтные уплотнения, прочности деталей турбомашин.

Методы расчета осевых компрессоров и турбин основаны на классических работах Н.Е. Жуковского и С.А. Чаплыгина по аэродинамики крыла и решеток профилей в конце XIX – начале XX века.

Классическими по механике жидкости и газа и теории решеток являются работы Л.Г. Лойцянского, Г.Н. Абрамовича, К.И. Страховича,
Г.Ф. Проскуры, Л. Прандтля, Х. Шлихтинга.

Первый работоспособный центробежный вентилятор с четырехлопастным рабочим колесом и ручным приводом был создан в 1832 г. Александром Александровичем Саблуковым (1783–1857). Первый вентилятор имел производительность 2000 м3/час и использовался для проветривания производственных помещений кожевенных и сахарных заводов. Позднее, в 1835 г., вентилятор был применен на Чагирском медном руднике.

В 1835 г. А.А. Саблуковым предложена также конструкция осевого вентилятора и обоснованы его преимущества перед центробежным.

В конце XIX века английский конструктор паровых турбин Чарлз Парсонс построил несколько конструкций осевых компрессоров, однако они имели очень низкий КПД (около 50 %) и дальнейшего распространения не получили.

Разработкой конструкций центробежных компрессоров занимался французский инженер Огюст Рато. Его фирма «Rateau» в 1900 г. выпустила первый центробежный компрессор для подачи воздуха в доменные печи.

В начале XX века начинается применение турбокомпрессоров в авиационной технике. В 1914 г. О. Рато предложил использовать для наддува в поршневые авиационные двигатели турбокомпрессор.

В 1934 г. фирмой «Brown-Boveri» (Швейцария) выпущен впервые многоступенчатый осевой компрессор для сверхзвуковой аэродинамической трубы с КПД 84 %. После чего этой фирмой выпускались осевые компрессоры для газотурбинных установок.

В настоящее время проектированием и изготовлением стационарных центробежных и осевых компрессоров, тягодутьевых машин в России и странах СНГ занимаются следующие организации: ОАО «Невский завод» и ОАО «Компрессорный комплекс» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Казанькомпрессормаш» и НИИ «Турбокомпрессор» им. В.Б. Шнеппа (г. Казань), ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск), ОАО НПО «Искра» (г. Пермь), ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» (г. Сумы, Украина), ПК «Сибэнергомаш» (г. Барнаул); авиационных и судовых турбокомпрессоров – ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, ЦИАМ им. П.И. Баранова, ОАО «Люлька-Сатурн» (г. Москва), ОАО «ОМКБ» (г. Омск), СНТК им. Н.Д. Кузнецова (г. Самара), ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь), ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» (г. Казань), НПП «Машпроект», ОАО «Заря» (Николаевский судостроительный завод, г. Николаев, Украина).

За рубежом производство и разработку турбокомпрессоров различного назначения ведут следующие крупные фирмы и концерны: «General Electric», «Cooper-Bessemer», «Ingersoll-Rand» (США), «Cooper Rolls» (Великобритания), «Nuovo Pignone» (Италия), «Mitsubishi» (Япония), «Termodin», «Creusot-Loire» (Франция), «Siemens», «MAN Turbo», «Demag Delaval», «Gardner Denver» (Германия), «Atlas Copco», «Sulzer», (Швейцария) и др.
Следует отметить значительный вклад в теорию и конструирование турбокомпрессоров таких ученых, как К. Пфлейдерер, Б. Эккерт, И.И. Кириллов, К.И. Страхович, В.Ф. Рис, К.П. Селезнев, Г.Н. Ден, Ю.Б. Галеркин и др.






Скачать файл (6312.1 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru