РАЗДЕЛ 6. МАШИНЫ ДЛЯ СЖАТИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГАЗОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРОВ И МЕТОДЫ ИХ РЕГУЛИРОВАНИЯ

РАЗДЕЛ 6. МАШИНЫ ДЛЯ СЖАТИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГАЗОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРОВ И МЕТОДЫ ИХ РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

ЛЕКЦИЯ 11. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

 

Центробежный компрессор ЦБК и центробежный насос ЦБН относятся к одному классу динамических машин. Принцип действия их одинаков, они также имеют, как это следует из предыдущего параграфа, конструктивное сходство. Уравнение Эйлера, используемое для ЦБН, применяется также для компрессоров. Для них также можно записать выражение теоретического напора. Используя теорему об изменении момента количества движения, можно записать

Н_Т = k·Н_Т∞ , (5.1)

где k - поправочный коэффициент на конечное число лопаток, зависящий от кинематики и конструктивных параметров компрессора (находится в пределах 0, 5..0, 9);

(5.2)

Коэффициент k в теории ЦБК называют также коэффициентом циркуляции. В реальных колесах компрессоров Z = 20…30, в колесах ЦБН обычно Z = 4…8. В случае отсутствия закрутки на входе α ₁ = 90⁰, cos α ₁ = 0 и выражение (5.2) упрощается.

 

Рисунок 5.1

С₂ - вектор абсолютной скорости на выходе из колеса;

W₂ - вектор относительной скорости на выходе из колеса;

U₂ - окружная скорость вращения колеса при радиусе его на выходе r₂;

С_2r - радиальная скорость на выходе из колеса.

Угол β ₂ = 30…60⁰ (он обычно больше, чем в ЦБН, что приводит к увеличению напора). Радиальную скорость V_2r легко связать с подачей колеса Q₂, что видно из рис 5.2.

, (5.3)

где S₂ - площадь выхода потока из колеса с учетом коэффициента стеснения потока (≈ 0, 95). Из треугольника скоростей (рис. 5.1) можно также записать

.

Подставляя это выражение в (2) с учетом (1) и (3) получим

. (5.4)

Это выражение связывает теоретический напор компрессора с его подачей на выходе из колеса.

В формуле (5.4) под Н_Т понимается величина энергии А, передаваемая единице веса газа, как это принято в гидравлике.

. (5.5)

Рисунок 5.2

 

В термодинамике удельную энергию принято относить к единице массы (l_Т). Это понятие ниже будет использоваться в термодинамических задачах.

. (5.6)

Связывая массовую подачу компрессора Q_m с объемной, получим

, (5.7)

где v₂ – удельный объем газа на выходе из компрессора.

Используя (5.5) и (5.6), выражения (5.2) и (5.4) представляем в виде

, (5.8)

, (5.9)

где

.

Нетрудно установить, что

. (5.10)

Запишем еще известное соотношение между приростом давления в колесе и удельной работой:

. (5.11)

Анализ уравнения (5.11) показывает, что в отличие от ЦБН в ЦБК для получения такого же перепада давления необходимо затратить значительно большую удельную работу. Это объясняется меньшими значениями ρ _г по сравнению с плотностью жидкости (примерно на три порядка).

Чтобы выяснить технические пути этого увеличения , рассмотрим выражение (5.9).

Для данной конструкции компрессора (k, F₂, β ₂) и заданной массовой подачи М мы имеем единственное решение - значительное увеличение окружной скорости U₂ = ω ·R₂. Иначе говоря, компрессоры по сравнению с ЦБН должны иметь значительно большую угловую скорость вращения и диаметр рабочего колеса. Обычно число оборотов вала ЦБК, которые применяются в нефтяной промышленности, находятся в пределах 4000... 12000 об/мин, а диаметр колеса достигает 0, 9 м. Линейные скорости вращения U₂ достигают при этом 300 и более м/с, того же примерно порядка будут и абсолютные скорости движения газа. Это обстоятельство требует при энергетических расчетах ЦБК учитывать удельную кинетическую энергию газа .

Сечение канала рабочего колеса ЦБК сужается к периферии. Это объясняется уменьшением удельного объема v₂ по мере роста давления при движении газа к выходу, а, следовательно, и объемной подачи (5.7). Массовая подача вдоль проточной части компрессора не меняется. Таким образом, имея аналогию ЦБК и ЦБН, мы усматриваем в них принципиальные кинематические и конструктивные различия.

Большие скорости газа могут вызвать в ЦБК критические и закритические (сверхзвуковые) режимы, что требует особого подхода к их гидродинамическим расчетам.

 

Помпаж

 

Помпаж, неустойчивая работа центробежного или осевого компрессора, - явление, характерное для этих машин.

Помпаж возможен на нисходящей ветви характеристики компрессора, где ∂ Р_к/∂ Q> 0 (рис.5.5), когда в сети имеется достаточно большой статический напор (аккумулирующие емкости). Он приводит к неустойчивой работе системы. Режим компрессора, подключенного к какой-либо сети, называется неустойчивым, если после малого возмущения равновесного состояния не будет восстанавливаться первоначальный режим. И наоборот, режим называется устойчивым, если после исчезновения возмущения происходит восстановление первоначального режима.

В первой зоне помпажа ВК гидродинамические режимы движения газа в проточной части компрессора далеки от расчетных. В точке К происходит срыв потока с поверхности лопаток (отрыв пограничного слоя). Срыв этот имеет периодический колебательный характер. Особенно это характерно для компрессоров, имеющих большие числа Маха. Срыв наблюдается на входных кромках рабочего колеса, лопаточного диффузора.

Неустойчивость пограничного слоя в компрессоре является первопричиной возникновения низкочастотного колебательного процесса масс газа между компрессором и сетью. Частота (около 1 Гц) и интенсивность этих колебаний зависят от давления газа, его плотности, размеров и конструкции машины, сборной емкости, куда компрессор подает газ.

Помпаж проявляется в форме вибрации и периодических толчков, которые могут привести машину к аварии, и сопровождается акустическими явлениями (свистом, шумом).

Схематически, упрощенно колебательный процесс в системе компрессор-сеть можно представить следующим образом (рис. 5.8).

Рассмотрим сначала рабочий режим в устойчивой зоне характеристики компрессора, точка А, где Р_к/∂ Q < 0.

Прикроем слегка дроссель в нагнетательной линии, уменьшив подачу на Δ Q, затем дроссель мгновенно поставим на прежнее место. Возникнет колебательный процесс следующего характера.

Рабочая точка при Δ Q по характеристике компрессора перейдет в точку А₁, но в сети при этом давлении столь резко измениться не успеет. Оно останется примерно прежним, соответствующим точке А₂ (Р_А=Р_А2).

Рисунок 5.8

 

Возникший избыток давления в компрессоре Δ Р=Р_А-Р_А2 (избыток потенциальной энергии) перейдет в кинетическую энергию, вызывая увеличение подачи, которое стремится к точке А. Колебательный процесс прекратится, режим снова установится в точке А. Аналогичное явление будет, если приоткрыть дроссель, а затем его быстро поставить в прежнее положение. В этом случае давление в сети будет больше, чем в компрессоре, но он получит избыток кинетической энергии (прирост подачи), что приведет к ее снижению при нагнетании в сеть с большим давлением. Режим снова вернется в точку А.

Таким образом, в зоне II, где всегда имеет место условие

, (5.45)

работа компрессора будет устойчивая.

Рассмотрим случай работы компрессора с емкостью в зоне помпажа (характеристика сети Р_С2) - рабочая точка С на выходящем участке ВК. На этом участке характеристика компрессора имеет положительную производную ∂ P/∂ Q> 0. Прикрывая дроссель, перейдем по характеристике компрессора в точку С₁, где потенциальная энергия в компрессоре ниже, чем в сети (она останется в сети примерно на уровне Р_С). Избытка потенциальной энергии в компрессоре уже нет, нет также и избытка подачи (кинетической энергии), так как расход в сети будет несколько больше, чем в компрессоре (точка С₂, по характеристике сети). По этой причине давление и подача в системе будут уменьшаться, а рабочая точка будет стремиться к точке В.

Так как расход в сети Q_в^, больше подачи компрессора (Q_в^, > Q_в), давление в системе должно уменьшаться. По характеристике компрессора это невозможно; незначительное уменьшение давления в системе приводит к переходу работы компрессора из режима в точке В в режим в точке D.

Теперь компрессор будет подавать значительно большее количество газа, давление в системе будет расти, и рабочий режим уйдет влево в точку К. Процесс, таким образом, циклически будет повторяться, что приведет к низкочастотным колебаниям давления и подачи в компрессоре и начальном участке нагнетательного трубопровода.

Неустойчивая зона напорной характеристики газовых компрессоров значительно шире, чем у насосов, главным образом, за счет применения больших углов β ₂, приводящих к большим напорам.

Устранение помпажа может быть достигнуто сдвигом рабочей точки системы компрессор-сеть в область устойчивых режимов или смещением границы помпажа в область меньших расходов.

Первое мероприятие решается путем изменения характеристики сети, уменьшением сопротивления в ней (смещение рабочей точки в область больших подач).

Эта задача выполняется, в частности, с помощью установки антипомпажного устройства, обеспечивающего сброс части потока газа из сети во всасывание компрессора 1 (рис. 5.9), - байпасирование.

Рисунок 5.9

 

В этом случае из-за уменьшения Q_c сопротивление в ней падает и рабочая точка смещается влево:

Q_с = Q_к – Q_б.

На байпасной линии установлен дроссельный регулятор (измерительная шайба 3), соединенный сервоприводом с антипомпажным клапаном 2. Когда потребление в сети уменьшается до Q_K (точка помпажа), по перепаду давления на дросселе включается регулятор, открывающий клапан 2, и часть потока сбрасывается во всасывание.

Смещение границы помпажа может быть достигнуто за счет конструктивных изменений в гидродинамической части компрессора. Это делают путем изменения угла установок лопаток диффузорного отвода или изменения угла атаки на входе в рабочее колесо (установка входного направляющего аппарата). Эти мероприятия усложняют конструкцию компрессора.

Более удобным методом смещения границы помпажа является регулирование частотой вращения вала. Смысл этого метода можно уяснить из рис. 5.10.

Рисунок 5.10

 

При изменении частоты вращения точки помпажа К₁, К₂, К₃, соответствующие оборотам n₁, n₂, n₃, смещаются по параболе подобия влево, сужая зону помпажа. На рисунке заштрихована неустойчивая зона. Пере­строение напорных ха­рактеристик производит­ся в соответствии с частными формулами подобия (5.43), давление Р₂ меняется пропорцио­нально квадрату, а пода­ча - линейно от оборотов.

 

РАЗДЕЛ 6. МАШИНЫ ДЛЯ СЖАТИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГАЗОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРОВ И МЕТОДЫ ИХ РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

12Следующая ⇒

Поделиться: