Центробежный компрессор

Центробежный компрессор

Центробежный омпрессор — устройство для перемещения газа и повышения полного давления последнего. Данный вид компрессора относится по принципу действия к динамическому типу компрессоров. Они широко применяются в быту, и в промышленности. Для вентиляции помещений и в турбореактивных двигателях. Для вентеляции покрасочных мастерских и для смены объема воздуха в туннелях метро.

По своим характеристикам и устройству центробежные компрессоры разделяют:

по конструкции входа с односторонним входом и односторонним колесом центробежный компрессор с односторонним входом и односторонним колесом
с двусторонним входом и двусторонним колесом центробежный компрессор с двусторонним входом и двусторонним колесом
по конструкции лопаток колеса с радиальными лопатками  rad_kril
с лопатками, расположенными под углом к радиусу, против вращения  центробежный компрессор с односторонним входом и односторонним колесом с расположенными лопатками под углом
по типу колеса открытое  Рабочее колесо центробежного компрессора открытого типа
полуоткрытое  Рабочее колесо центробежного компрессора полуоткрытого типа
закрытое  Рабочее колесо центробежного компрессора закрытого типа
по числу ступеней сжатия одноступенчатые  Центробежный компрессор одноступенчатая ступень сжатия
многоступенчатые  Центробежный компрессор двухступенчатая ступень сжатия
по типу диффузора с безлопаточным  1_stup_kompr
с лопаточным  diffuzor-napr-lopat

Устройство рабочего колеса

Колеса открытого типа применяются редко. В основном их используют в двух­ступенчатых или многоступенчатых компрессорах, на второй и последующих ступенях. Условия работы начиная со второй ступени связаны с высокими температурами, т.к. выходящий сжатый газ с первой ступени имеет высокую температуру, в следствии механического сжатия.

При таких условиях работы ступеней компрессора со второй и далее,  центробежные колеса из алюминиевых сплавов не годятся. И их изготовляют из ста­ли или титановых сплавов.

Преимущества таких колес — простота в изготовлении, маленькая масса колеса, инерционные осевые усилия почти полностью отсутствуют

Недостатки — не­сколько увеличенные гидравлические потери при изменении направле­ния воздуха с осевого на радиальное (из-за плохой формы канала), большие потери на трение колеса о воздух, склонность лопаток к вибрации.

Лопатки, отхо­дящие от ступицы в радиальном направлении, фрезеруются из стальной или титановой штамповки. Штамповка обеспечивает увеличению прочности лопаток (увеличивается усталостная прочность) в сравнении с листовым не обработанным материалом. Штамповка обеспечивает расположение волокон материала по конфи­гурации детали и создает локации упрочнения материала. Так как диск в колесе частично отсутствует, масса колеса существенно умень­шается. Инерционные осевые усилия в таком исполнении колеса по сравнению с другими видами колес почти отсутствуют.

У колес открытого типа есть ряд недостатков, из за которых их почти не используют, а именно:

  • увеличенные гидравлические потери при изменении направле­ния воздуха с осевого на радиальное (из-за плохой формы канала),
  • большие потери на трение колеса о воздух,
  • склонность лопаток к вибрации.

В подавляющем большинстве современных компрессоров применяются ко­леса полуоткрытого типа. Лопатки такого колеса выпол­няются за одно целое со сплошным диском, придающим всей детали прочность и жесткость. Форма канала здесь более благоприятна (бо­лее плавный поворот струи), в силу чего гидравлические потери и по­тери на трение колеса о воздух меньше, чем у колес открытого типа.

Колеса закрытого типа имеют самые маленькие показатели трение о воздух. Зазор между колесом и стенкой корпуса не имеет значение и могут достигать больших значений (при значениях которых, колеса других типов не могли бы эффективно работать) для данного колеса и никак не влияет на гидравлические потери, чем при полуоткрытых колесах. Закрытые колеса по ряду причин применя­ются редко:

  • сложность изготовле­ния,
  • недостаточной прочностью при высоких окружных скоростях передней стенки, ограничивающей радиальные межлопаточ­ные каналы. Передняя стенка ослаблена входным отверстием,
  • сложная механическая обработка, часто при обработки передней стенки колеса, в ней частично перерезаются волокна материала, что также уменьшает ее прочность.

Такие колеса изготов­ляются путем механической обработки — штамповки из алюминиевого сплава.

Полуоткрытые колеса компрессоров современных компрессоров изготовляются из жаростойких алюминиевых сплавов штамповкой с последующей механической обработкой и полированием наружных поверхностей. После полирования поверхности колес подвергаются анодному оксидирова­нию (анодируются). Анодированная поверхность имеет высокую твердость, а так же выполняет защитную функцию от механических повреждений и предотвращает коррозию и, кроме того, она становит­ся более гладкой, что уменьшает по­тери па трение воздуха о стенки колеса.

Окончательная чистовая обработка межлопаточ­ных каналов центробежных колес всех типов должна соответ­ствовать 8 или 9-му классам, что достигается зачисткой и по­лированием. Если при балансировке с диска снимается металл, то ано­дирование выполняется после балансировки.

Соединение колеса с валом

Переда­ча крутящего момента от вала к колесу происходит несколькими способами.

  • фланцевое соединение, участки вала крепятся к колесу с помощью фланцев и шпилек. Крутящий момент от вала к колесу передается по большей части упругой силой металла шпильки на срез, а так же силой трения, возникающей на поверхности соприкосновения фланца вала с колесом. Крепежные шпильки ввернуты с малым натягом или без натяга. При этой конст­рукции допустимы несколько большие окружные скорости, чем при дру­гих, так как колесо меньше ослаблено в ступице, так как шпильки ввернуты без натяга.
  • Шлицевое соединение. Крутящий момент передается гранями шлицов. Такое соединение ослабляет колесо. И не допустимо для компрессоров, которые используются при больших окружных скоростях. Ослобление конструкции происходит по двум причинам: во-первых, вследствие концентрации напряжений в шлицах и, во-вторых, вследст­вие увеличения напряжений при посадке колеса на вал с натягом. Натяг обеспечивает между колесом и валом отсутствие зазора при тепловом расширении и от расширения посадочных размеров ступи­цы под действием центробежных сил. Появление зазора нарушило бы балансировку колеса и вызвало ряд дефектов при работе двигателя.

В итоге получается, что при соединении, вала и колеса при помощи шпилек, которые работающих на срез, колесо ослаблено меньше. Концентрация напряжений в отверстиях под шпильки меньше, чем у шлицев. Соединение шпильками и фланцем используют в компрессорах реактивных двигателей. А способ шлицевого крепления применяют для соединения колеса с валом в нагнетателях поршневых двигателей и так же применяемые в турбостар­терах,

При большой передаваемой мощ­ности и больших окружных скоростях шлицы может срезать.

Направляющий аппарат

Направляющий аппарат (НА) устанавливают перед колесом компрессора в случае 2ух стороннего колеса, когда поток газа поступает с боку и его надо перенаправить на колесо, развернув поток на 90 0.
НА центробежного компрессора мо­жет быть:

  • неподвижным, укрепленным на входе,
  • вращающимся, сое­диненным с колесом.

Неподвижный направляющий аппарат (ННА)Неподвижный направляющий аппарат (ННА) устанавливается на входе в компрессор в том случае, когда необходимо создать закрутку воздуха в направлении вращения колеса. Эта закрутка служит для уменьшения относительной скорости входа воздуха на лопатки колеса, соответствующего относительной скорости по­тока на колесе. Лопатки ННА располагаются по окружности вокрут оси вращения и соединяются в узел с помощью боковых колец. Конструкция ННА обычно включает в себя, кроме того, набор разделительных профилированных колец для выравнивания поля скоростей воздуха на входе в колесо. Крепление узла неподвижного направляющего аппарата к силовой раме компрессора осуществляется болтами. Детали ННА изготовляются из листового материала (из алюми­ниевого сплава) и после слесарной зачистки анодируются.

Вращающийся направляющий аппарат (ВНА)Вращающийся направляющий аппарат (ВНА) предназначен для обеспечения входа воздуха на колесо с минимальными потерями и обычно представляет собой лопатки выполненные заодно с диском компрессора, так называемое — колесо компрессора. Лопатки ВНА получают путем механической обработки из штампованной заготовки с расположением волокон вдоль будущих лопаток. После обработки эта деталь приваривается к диску компрессора и также анодируется. Либо же ПНА отливают с диском заодно.

Углы направления потока к входным кромкам лопаток ВНА опре­деляются из газодинамического расчета. При условии безударного вхо­да воздуха на лопатку (с пулевым утлом атаки) эти углы будут в то же время представлять собой углы установки лопаток. Однако на осно­вании результатов теоретических и экспериментальных исследований конструкций ВНА можно считать, что потери на удар сказываются на к.п.д. компрессора гораздо меньше, чем потери, вызванные наличием диффузорности в каналах направляющего аппарата и колеса. Угол диффузорности больше 6 — 12° вызывает срыв потока и по­явление вихрей. Для уменьшения диффузорности в каналах ВНА углы атаки лопаток делают большой величины, доходящей на наружном диаметре ВНА до 20 — 23°.

Корпус компрессора

Корпус компрессора делается составным из нескольких частей с плоскостями разъема, перпендикулярными оси вала. Отдельные части центрируются между собой на посадочных поясках или контрольных штифтах и соединяются с помощью шпилек или болтов.

Составные части корпуса центробежного компрессора

Детали корпуса центробежного компрессора: 1—корпус диффузора; 2—лопатки диффузора; 3 и 4—выходные патрубки; 5—фланец крепления топливной форсунки; 6—задний входной канал; 7—стенка входного канала; 8—-разделительные кольца во входном канале; 9—задняя силовая ферма; 10—окна для подвода воздуха к колесу вентилятора; 11—защитная сетка; 12— каркас сетки; 13—нижняя опорная точка крепления; 14—одна из двухопорных цапф; 15—лопатки в выходном патрубке; 16—регулировочная прокладка; 17—лопатки неподвижного направляющего аппарата

патрубки к камерам сгоранияЦентральную часть корпуса компрессора (см. рисунок выше) образует кор­пус 1 диффузора, имеющий коробчатое сечение. С целью упрощения литья корпуса патрубки 4 выполняются отъемными. Ввиду малого радиуса закругления патрубков (что необходимо для уменьшения габаритных размеров компрессора) для выравнивания по­ля скоростей применяются направляющие лопатки, изготавливаемые из алюминиевого сплава и заливаемые в стенку патрубка при его отливке. Перед отливкой лопатки закрепляются в земляном стерж­не, образующем внутреннюю конфигурацию патрубка.

К корпусу диффузора крепятся с обеих сторон силовые рамы фер­менного типа с проходами для воздуха между их стержнями. При боль­ших размерах компрессора силовая ферма может иметь промежуточное кольцо, соединяющее стержни рамы.

Для предохранения компрессора от засасывания в него посторон­них предметов входное устройство обычно закрывается проволочной сеткой с толщиной проволоки около 0,8 мм и размерами ячеек 2×2 мм. Увеличение диаметра проволоки при такой частой сетке приводит к значительному уменьшению проходного сечения: при увели­чении диаметра на 0,1 мм проходное сечение уменьшается на 15%.

Подшипники ротора устанавливаются в крышках, расположенных внутри силовой фермы. Фиксация колеса относительно корпуса компрессора в осевом на­правлении осуществляется с помощью упорного подшипника.

Торцовые зазоры между колесом и корпусом компрессора при сборке компрессора регулируются кольцами 17 между фланцем корпуса подшипника и промежуточной стенкой, к которой крепится корпус, а также 18 — между внутренним кольцом подшипни­ка и бортиком вала. При этом зазор между колесом и корпусом со сто­роны камер сгорания и упорного подшипника делается больше, с про­тивоположной стороны — меньше. При нагревании корпус будет сдви­гаться влево относительно упорного подшипника, в результате чего первый зазор будет уменьшаться, а второй — увеличиваться.

Материалы изготовления компрессора

Колесо и вращающийся направляющий аппарат изготовляются из штамповок алюминиевых сплавов АК2, АК4 и ВД17 и подвергаются ме­ханической обработке, а неподвижный направляющий аппарат изготов­ляется из листового дуралюмина Д1. Отдельные части корпуса и диф­фузора отливаются из силуминов АЛ4 и АЛ5.

Когда температуры направляюще­го аппарата и колеса могут быть >250° С (для компрессоров с несколькими ступенями), колесо должно быть изготов­лено из титановых сплавов ВТЗ, ВТ10, а неподвижный направляющий аппарат — из листового титанового сплава ВТЗ-1.

Материалами для вала служат стали 18ХНВА, 12Х2Н4А, 40ХНМА.