Конструкция и принцип действия вихревого компрессора

 

Вихревые компрессоры аналогично другим типам турбокомпрессоров, являются машинами динамического действия. В первом приближении рабочий процесс в ступени вихревого компрессора можно считать аналогичным процессу в центробежном компрессоре с многократной циркуляцией компримируемой среды через рабочее колесо и неподвижные элементы ступени.

Ступень вихревого компрессора (рисунок 55) состоит из рабочего колеса 1, на котором равномерно по окружности расположены лопатки, всасывающего 3, нагнетательного 2 и рабочего 5 каналов. Всасывающий и нагнетательный каналы разделены специальной перегородкой 4, которая называется разделителем.

Принцип действия вихревого компрессора заключается в следующем. Рабочая среда через всасывающий патрубок поступает на участок всасывания рабочего канала, а затем в межлопаточные каналы рабочего колеса. Подсос газа в межлопаточные каналы осуществляется порциально, преимущественно в осевом направлении. Здесь происходит преобразование механической энергии двигателя в энергию газового потока. В результате под действием центробежных сил частицы газа выбрасываются преимущественно в радиальном направлении в канал вихревого компрессора, где происходит преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.

Рисунок 55 – Конструктивная схема ступени вихревого компрессора

Тангенциальная скорость движения частиц уменьшается, они начинают отставать от рабочего колеса и через определенной промежуток времени опять попадают (на всасывание) в межлопаточные каналы рабочего колеса. Таким образом, частицы рабочей среды движутся от всасывающего патрубка к нагнетательному по сложной спиралеобразной траектории и лопатки рабочего колеса в отличие от других машин динамического сжатия не один, а несколько раз воздействуют на частицы газа. Это обстоятельство обеспечивает значительно больший напор вихревых компрессоров, чем у центробежных. Между нагнетательным и всасывающем патрубками в рабочем канале установлен разделитель, который предотвращает проникновение основного потока газа на участок всасывания и обеспечивает его подачу в нагнетательный патрубок компрессора.

Часть газа, заключенного в межлопаточных каналах рабочего колеса, переносится на участок всасывания. Это, с одной стороны, обеспечивает беспомпажный режим работы вихревых компрессоров, а с другой стороны,- является источником объемных и термодинамических потерь и обуславливает низкую экономичность этих компрессоров. Указанные особенности рабочего процесса приводят к тому, что у вихревых компрессоров давление газа повышается по длине проточной части. Типичная картина распределения статического давления вдоль проточной части вихревого компрессора приведена на рисунке 57.

 

Рисунок 56 – Распределение статического давления по длине проточной части вихревого компрессора

Угол в радиальной плоскости принято отсчитывать линии, проходящей через ось вращения рабочего колеса и центр разделителя. Как следует из рисунка, процесс изменения давления в вихревом компрессоре можно условно разделить на четыре участка: всасывания , нагнетания , рабочий , дросселирования среды в разделителе .

На участке всасывания происходит разгон потока, смешение его со средой, поступающей из разделителя. Протяженность этого участка ограничивается сечением, в котором достигается начальное давление , т.е. .

На рабочем участке происходит монотонное повышение давления рабочей среды, чаще всего по линейному закону.

На участке нагнетания происходит процесс взаимодействия основного и возвратного (отраженного от разделителя) потоков характер изменения давления здесь существенно отличается от аналогичного на рабочем участке.

На последнем участке происходит процесс дросселирования газа, заключенного в межлопаточных каналах рабочего колеса. От давления нагнетания до давления на участке всасывания. На протяженность этих участков значительное влияние оказывают режимные параметры и геометрические соотношения проточной части вихревых машин.

Общий принцип действия вихревых компрессоров позволяет отнести их к классу машин динамического принципа действия и использовать основные понятия и определения, характеризующие рабочий процесс в этих машинах. В частности эффективность процессов преобразования энергии в проточной части вихревого компрессора принято оценивать с помощью адиабатных или политропных коэффициентов напора или КПД .

Производительность вихревых компрессоров оценивают с помощью коэффициента расхода , который представляет собой отношение среднерасходовой (тангенциальной) составляющей абсолютной скорости потока к окружной скорости в центре тяжести меридионального сечения рабочего канала . Поскольку для оптимальных проточных частей величина близка к окружной скорости на наружном диаметре рабочего колеса , то, как правило, коэффициент расхода определяют по этой скорости, т.е.

где – площадь меридионального сечения рабочего канала;

– объемная производительность вихревого компрессора, определяемая по параметрам на всасывании.

 

Примеры конструкций вихревых компрессоров

В ступени вихревого компрессора при равных окружных скоростях можно получить в несколько раз больший напор, чем, например, в ступени центробежного компрессора. В связи с этим оказалось целесообразным соединить вихревую ступень непосредственно с электродвигателем, не применяя мультипликатора. Моноблочная конструктивная схема наиболее типична для вихревых компрессоров. Применение такой схемы уменьшает массогабаритные показатели, стоимость компрессора, упрощает выбор опор и при необходимости герметизацию компрессора.

Вихревой компрессор серии СН фирмы “Сименс-Шукерт” (рисунок 57) с двусторонним скругленным переферийно-боковым каналом имеет колесо с плоским радиально-наклонными лопатками, которое консольно расположено на валу электродвигателя (частота вращения 3000 оборотов в минуту). Компрессор имеет единый с электродвигателем литой корпус, в нижней части которого перпендикулярно к плоскости колеса расположены всасывающий и нагнетательный патрубки.

 

Рисунок 57 – Вихревой компрессор общего назначения фирмы “Сименс-Шукерт”

Наплывы на патрубках используются для крепления к фундаменту. В качестве опор используются шарикоподшипники с консистентной смазкой. Для улучшения акустических характеристик в патрубках установлены шумоглушители. Конструкцию отличают простота, надежность, малые габаритные размеры и масса, технологичность.

Фирма разработала ряд воздушных компрессоров общего назначения (41 модификация), которые перекрывают диапазон по производительности от 15 до 90 , по напору 1-27 кПа. Массовое производство компрессоров этой серии оправдывает изготовление общего литого корпуса для вихревой ступени и электродвигателя. Чаще приходится встречаться с конструкциями, где используются стандартные электродвигатели без переделок.

Герметичный воздушный вихревой компрессор МВ-12-1, разработанный в ЛенНИИхиммаше (рисунок 58), выполнен в виде моноблока с приводным электродвигателем с частотой вращения 12000 оборотов в минуту. Корпус компрессора с двусторонним скругленным переферийно-боковым каналом состыкован непосредственно с корпусом электродвигателя, на валу которого установлено полуоткрытое рабочее колесо. Герметичность компрессора достигается применением непроницаемого защитного кожуха цилиндрической формы. Компрессор установлен внутри кожуха эксцентрично, за счет чего в полости между защитным кожухом и корпусом компрессора образуется выпускной патрубок. Вход и выход потока из ступени тангенциальные. Охлаждение электродвигателя осуществляется воздухом, выходящим из компрессора. Компрессор при требуемой производительности 15 обеспечивает повышение давления 0,97 кПа при давлении на всасывании 26,5 кПа.

 

Рисунок 58 – Герметичный воздушный вихревой компрессор МВ-12-1

Герметичный вихревой компрессор ВГ-1 (рисунок 59) предназначен для сжатия агрессивной и пожароопасной среды с молекулярной массой, близкой к молекулярной массе атмосферного воздуха. Конструкция – моноблочная. В качестве привода используется асинхронный трехфазный электродвигатель с частотой вращения 2800 , мощностью 18 кВт. Полуоткрытое рабочее колесо установлено консольно на валу электродвигателя. В качестве опор используются подшипники с консистентной смазкой. Применение асинхронного электродвигателя позволило сравнительно просто решить задачу герметизации машины. Для этого была использована неподвижная экранирующая гильза, отделяющая проточную часть компрессора от полости статора и окружающей среды. Уплотнение – щелевое. В целях обеспечения минимальных торцевых и радиальных зазоров применена облицовка соответствующих поверхностей корпуса ступени антифрикционным материалом, допускающим контакт с рабочим колесом. Корпус проточной части, электродвигатель и подшипниковые узлы имеют водяное охлаждение. Для предотвращения прорыва газа в подшипниковые узлы используются лабиринтные уплотнения, действующие в осевом и радиальном направлениях. При отношении давлений компрессор обеспечивает производительность 150 .

 

 

Рисунок 59 – Герметичный вихревой компрессор ВГ-1

 

На рисунке 60 изображен двухступенчатый вихревой компрессор ВК-11 с прямоугольной формой меридионального сечения переферийно-бокового канала. Компрессор предназначен для компримирования высококонцентрационного фтора; при производительности 0,5-1 повышает давление рабочей среды в 1,5-1,56 раза. Конструкция вертикальная, моноблочная. Односторонние закрытые рабочие колеса с плоскими радиальными лопатками (z=24) установлены на валу герметичного асинхронного электродвигателя.

Первая ступень расположена внизу в районе электродвигателя. После выхода из первой ступени через ребристый теплообменник (холодильник) поступает во вторую ступень компрессора. Наружное кольцо верхнего подшипника запрессовано в крышку электродвигателя. Внутреннее кольцо, внутрь которого входит стакан для удержания смазки, плотно насажено на втулку. Смазка верхнего подшипника осуществляется периодически. Охлаждение компрессора водяное. Герметизация достигается уплотнением в месте стыковки корпуса компрессора с корпусом электродвигателя. Уплотнение между ступенями – лабиринтное, а между колесами и рабочими каналами – щелевое. Для разгрузки опор от радиальных усилий ступени развернуты одна относительно другой на 180 градусов. В качестве опор используются подшипники качения.

 

 

 

Рисунок 60 – Герметичный вихревой компрессор ВК-11

На рисунке 61 показан герметичный вихревой компрессор с центральным телом, предназначенный для сжатия гелия в микрокриогенных системах. Конструкция – моноблочная. Колесо с нетрадиционными для вихревых компрессоров геометрическими соотношениями (D2=77мм). В проточной части ступени установлено неподвижное тороидальное центральное тело, образующее совместно с корпусом криволинейный рабочий канал. Вход и выход газа из ступени – осевые. Колесо консольно насажено на вал асинхронного электродвигателя (; N=4 кВт).

Особенностью данной конструкции является использование в качестве опор газодинамических самоустанавливающихся подшипников в карданных подвесах. Радиальные подшипники – гладкие цилиндрические с упругодемпфирующей заделкой. Пластинчатый демпфер изготовлен из стальных и фторопластовых лент толщиной 0,1 и 0,05 мм. В результате применения демпферов полностью устранен полускоростной вихрь и снижена амплитуда дробноскоростных микровихрей до 20% от величины радиальных зазоров (). Осевые подшипники выполнены со спиральными канавками глубиной 0,03-0,04 мм. Данная конструкция предусматривает двухступенчатую модификацию. Вторая ступень выполнена из унифицированных деталей и расположена симметрично первой на другом конце вала электродвигателя. Компрессор при окружной скорости 194 способен компримировать от 5 до 20 гелия с отношением давлений 1,17 ().

 

 

Рисунок 61 – Микрорасходный гелиевый вихревой компрессор с центральным телом

 

Двухступенчатый вихревой бустер-компрессор, разработанный в НКИ (рисунок 62), имеет выносной привод. Бустер-компрессор предназначен для подачи воздуха в топливные форсунки газотурбинного двигателя при его работе на тяжелом топливе. Ограничительные конструктивные особенности бустер-компрессора связаны с условиями его работы: на всасывание подается воздух, отбираемый от компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, в связи с этим в процессе работы компрессора давление на входе изменяется почти на порядок, а абсолютная температура - почти в два раза.

Ступени - односторонние, с криволинейным профилем меридионального сечения переферийно-бокового канала. Колеса вихревого компрессора отличаются числом лопаток, шириной и закреплены на одном валу с мультипликатором. В качестве опор используются подшипники качения. Смазка - жидкостная, принудительная. Вход в первую ступень и выход из второй ступени тангенциальные. Перепуск газа из первой ступени во вторую – осевой. В качестве привода используется асинхронный электродвигатель (N=55 кВт, ). Мультипликатор – одноступенчатый с передаточным отношением 3,55. Все детали компрессора изготовлены из высокопрочной жаростойкой стали.

Для разгрузки подшипниковых опор от радиальных нагрузок используется реакция, возникающая в зубчатом зацеплении мультипликатора, для чего корпус компрессора смещен относительно мультипликатора на определенный угол. Кроме того, вторая ступень смещена с помощью перепускного канала относительно первой ступени на угол обеспечивающий взаимокомпенсацию радиальных сил, возникающих при работе ступеней. Реализация этих мероприятий позволила снизать нагрузку на подшипники: в первой опоре – в 5,6 раза, во второй – в 1,9 раза.

Примеры конструкций вихревых компрессоров можно значительно расширить. Однако приведенные конструкции достаточно полно дают представление о многообразии конструктивных форм вихревых компрессоров.

Рисунок 62 – Двухступенчатый вихревой бустер-компрессор

 

Представленные конструкции вихревых компрессоров наглядно иллюстрируют три способа герметизации:

– применение герметичного корпуса, внутри которого расположены компрессор и электродвигатель (см. рисунок 58);

– использование неподвижной экранирующей гильзы, отделяющей проточную часть компрессора от полости статора негерметичного электродвигателя (см. рисунок 59);

– стыковку герметичного компрессора с герметичным электродвигателем (см. рисунок 60 и 61).

Кроме перечисленных выше способов герметизации при разработке компрессора с выносным приводом для предотвращения утечек газа из корпуса компрессора применяются концевые уплотнения. Конструкции концевых уплотнений (рисунок 62) не отличаются от традиционных, используемых для уплотнения турбомашин.

При проектировании многоступенчатых вихревых компрессоров используются различные компоновочные схемы, многие из которых защищены авторскими правами и патентами. Чаще всего многоступенчатый компрессор набирается из отдельных ступеней, колеса которых последовательно расположены на валу. Перепуск газа из ступени в ступень может осуществляться через патрубки снаружи (рисунок 60) или внутри (рисунок 62). Иногда ступени располагаются по обе стороны электродвигателя.

Определенный интерес представляют компоновочные схемы многоступенчатых машин, в которых на одном колесе расположено несколько лопаточных венцов. На рисунке 63 представлена конструкция вихревой машины, ступени которой расположены на периферии.

 

 

 

Рисунок 63 – Многопоточный вихревой компрессор

Рабочие каналы выполнены в цилиндрическом корпусе компрессора. Внутри корпуса вращается ротор, на котором имеются пазы, обеспечивающие наклонный профиль рабочих лопаток. Внутри рабочих каналов установлены разделители, обеспечивающие последовательный переход газа из ступени в ступень. Эта же идея используется при создании двухступенчатых вихревых машин с переферийно-боковым и боковым каналами.

Рисунок 64 – Двухступенчатый вихревой компрессор с двумя венцами лопаток рабочего колеса, расположенных на различных радиусах

Отличительной особенностью компоновочной схемы вихревой машины с боковым каналом является расположение лопаточного венца на различных радиусах и связанное с этим специфическое выполнение рабочего канала (рисунок 64).

Как правило, в таких конструкциях используются щелевые уплотнения большого диаметра, поэтому протечки через них будут значительными. Рабочие колеса с плоскими радиальными лопатками изготовляются литыми или фрезеруются.

В качестве опор наиболее рационально использовать подшипники качения с консистентной смазкой. В том случае, когда к чистоте рабочей среды предъявляются жесткие требования, применяются газодинамические опоры (см. рисунок 61), что значительно усложняет конструкцию вихревого компрессора. Редко, когда подшипниковые опоры работают в тяжелых условиях, используются подшипники скольжения или качения с жидкой смазкой (рисунок 63). Целесообразно при разработке микрокомпрессоров применение подшипников, работающих без смазки.

 

Спиральные компрессоры

 

Спиральные компрессоры относятся к одновальным машинам объемного принципа действия. Как известно, машины такого принципа действия обратимы, т.е. могут работать практически без изменения конструкции, и как компрессоры, и как моторы (детандеры или расширители.

Идея такой машины известна более ста лет, но реализовать ее и довести до промышленного производства и широкого применения удалось только в 80-е годы ХХ века. Причина та же, что и при разработке винтовых компрессоров не было достаточно точного оборудования для изготовления такой формы детали, как спирали.

В настоящее время в холодильной технике спиральные компрессоры используют в бытовых и транспортных кондиционерах, тепловых насосах, холодильных машинах малой и средней мощности до 50 кВт. Но расчеты показывают, что холодильную мощность спиральных компрессоров можно увеличить до 100 и более кВт по мере совершенствования их конструкции и технологии изготовления.