Циклы компрессоров

Компрессорами называются машины, предназначенные для сжатия воздуха, других газов и паров. Они широко применяются во многих областях техники, в том числе являются одним из основных элементов газотурбинных и холодильных установок.

По принципу действия различают компрессоры объемные и лопаточные. В объемных компрессорах рабочее тело сжимается механическим путем за счет сближения ограничивающих стенок; в лопаточных компрессорах рабочему телу сообщается за счет вращения ротора значительная скорость, а затем кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную. В обоих случаях давление повышается и в конце сжатия доходит до 0,3 МПа и более (машины, создающие давление до 0,01 МПа, называются вентиляторами, от 0,01 до 0,3 МПа – воздуходувками или газодувками).

В свою очередь объемные компрессоры делятся на поршневые и ротационные, а лопаточные компрессоры – на центробежные и осевые.

Производительность поршневых компрессоров, выпускаемых промышленностью, не превышает 500 м³/мин, ротационных – 500 м³/мин, центробежных – 4000 м³/мин, у осевых же она доходит до 15000 м³/мин и более.

Поршневой компрессор простейшей конструкции (рис. 3.1) представляет собой цилиндр 1, в котором совершает возвратно поступательное движение поршень 2. Это движение сообщается ему посредством шатуна 3 от кривошипа или коленчатого вала 4, который приводится во вращение двигателем.

При перемещении поршня вправо в цилиндр через всасывающий клапан 5 поступает рабочее тело, при обратном ходе поршня оно сначала сжимается, затем через нагнетательный клапан выталкивается.

Ротационные компрессоры (рис. 3.2) по характеру рабочего процесса близки к поршневым и после них являются наиболее распространенными. В них воздух

Рис. 3.1

Рис. 3.2

сжимается в отдельных камерах переменного объема, образуемых пластинками 1, скользящими в пазах ротора 2 и прижимающимися под действием центробежной силы к стенкам корпуса 3. Ротор и корпус расположены эксцентрично, поэтому при перемещении камер снизу вверх объем их возрастает, а при последующем перемещении сверху вниз – уменьшается. Воздух или газ поступает в компрессор через приемный патрубок 4, заполняя в пределах зоны I увеличивающиеся рабочие камеры, затем проходит зону сжатия II, где его давление повышается. Затем по мере сообщения рабочих камер с зоной нагнетания III воздух выходит из них и попадает в сжатом виде через напорный патрубок 5 в нагнетательный трубопровод. В зоне IV происходит расширение воздуха, оставшегося во вредном пространстве рабочих камер.

Простейший центробежный компрессор (рис. 3.3) имеет рабочее колесо 1 с радиально направленными каналами, которое укреплено на валу 2 и вращается с помощью двигателя в корпусе 3. Воздух или газ, поступающий в каналы рабочего колеса, отбрасывается центробежной силой к периферии и попадает в лопаточный аппарат 4, лопатки которого образуют расширяющиеся каналы. В этих каналах происходит преобразование кинетической энергии воздуха, сообщенной ему рабочим колесом, в потенциальную энергию, т.е. за счет уменьшения скорости повышается его давление. Далее сжатый воздух через напорный патрубок 5 поступает в нагнетательный трубопровод.

Рис. 3.3

Осевой компрессор (рис. 3.4) состоит из корпуса 1, внутри которого вращается ротор 2. На роторе укреплено несколько рабочих лопаток, перед первым рядом рабочих лопаток на корпусе укреплены неподвижные лопатки направляющего аппарата 4, а после каждого ряда рабочих лопаток – неподвижные лопатки спрямляющего аппарата 5. Каждый ряд рабочих лопаток со следующим за ним спрямляющим аппаратом составляет одну ступень повышения давления. Обычно осевой компрессор имеет 5-10 ступеней, в отдельных случаях число их доводится до 16-20.

Рис. 3.4

Профиль рабочих и спрямляющих лопаток (рис. 3.4) выбран таким образом, что при прохождении через межлопаточные каналы рабочих лопаток воздух получает от ротора механическую энергию и скорость его значительно возрастает, а при прохождении через спрямляющий аппарата скорость воздуха уменьшается, за счет чего возрастает его давление.

В качестве привода центробежных и осевых компрессоров обычно используются быстроходные паровые турбины, соединяемые непосредственно с валом компрессора или синхронные электродвигатели на 1000 и 3000 об/мин, соединяемые с валом компрессора через редуктор.