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
	с двусторонним входом и двусторонним колесом
по конструкции лопаток колеса	с радиальными лопатками
	с лопатками, расположенными под углом к радиусу, против вращения
по типу колеса	открытое
	полуоткрытое
	закрытое
по числу ступеней сжатия	одноступенчатые
	многоступенчатые
по типу диффузора	с безлопаточным
	с лопаточным

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) 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) 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.

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

Центральную 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.