СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Вихревые компрессорные машины (компрессоры, воздуходувки, вакуум-компрессоры, вакуум-насосы) совмещают в себе преимущества машин динамического принципа действия (отсутствие сложных кинематических и трущихся пар, надежность, безопасность, длительный срок службы, «сухая» проточная часть, сравнительно небольшие масса и габариты) и объемных машин (способность развивать большие напоры при малых расходах). Эти машины отличаются простотой конструкции, технологичностью и дешевизной в изготовлении, удобством и минимумом затрат при эксплуатации, стабильностью и устойчивостью характеристик во всем диапазоне изменения режимных параметров (в частности, в них отсутствует явление помпажа, свойственное центробежным компрессорным машинам). Максимум эффективности вихревых компрессорных машин достигается при сравнительно малых оборотах и окружных скоростях, что часто позволяет исполнять их без мультипликаторов.

Вихревые компрессорные машины находят применение в области относительно малых расходов и высоких напоров, где они составляют успешную конкуренцию центробежным компрессорам и объемным компрессорам роторного типа (в частности, водокольцевым, типа Рутс и др.). Коэффициент адиабатного напора вихревых компрессоров на номинальном режиме может быть 2-5 и более, в то время как для центробежной ступени он меньше 1. Таким образом, при прочих равных условиях для получении того же отношения давлений рабочее колесо вихревого компрессора должно иметь окружную скорость в несколько раз меньшую, чем рабочее колесо центробежного компрессора, а при одинаковых скоростях на ободе колеса вихревая ступень может заменить несколько центробежных. Это позволяет во многих случаях при создании вихревых компрессоров даже со сравнительно высоким отношением давлений отказаться от применения повышающей передачи или специальных высокооборотных электродвигателей и использовать электродвигатели промышленной частоты, создавая компрессоры в моноблоке с электродвигателем. В итоге снижаются габариты, вес и стоимость компрессорной установки.

По способу преобразования энергии вихревые машины относятся к машинам динамического принципа действия. Согласно регенеративной гипотезе, которая подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями, частицы газа в проточной части движутся по спиралеобразным траекториям от входа к выходу машины, многократно взаимодействуя с лопатками рабочего колеса и постепенно получая от него энергию. Это продольно-вихревое течение является базовым при обмене энергией между лопатками колеса и частицами газа в канале корпуса; на его интенсивность большое влияние оказывают тип проточной части и геометрические параметры, характеризующие как ступень в целом (отношение диаметра проточной части к диаметру рабочего колеса, отношение площади входного (выходного) патрубка к площади проточной части и др.), так и отдельные ее элементы (углы установки и наклона, число лопаток рабочего колеса, углы наклона входного и выходного патрубков и др.).

Особенностью рабочего процесса вихревой машины является перенос части рабочего тела через отсекатель с выхода на вход ступени, что приводит (особенно при работе на сжимаемой среде) к дополнительным потерям энергии и экономичности машины вследствие перемешивания и изменения термодинамического состояния потока, поступающего через входной патрубок с потоком, переносимым через отсекатель. Неизбежными являются также потери на организацию и поддержание продольно-вихревого течения в проточной части машины. Кроме этого, по длине проточной части от входа к выходу ступени изменяется плотность газа и происходит перераспределение массы рабочего тела между рабочим каналом и колесом. Во многом из-за этих обстоятельств вихревые машины имеют сравнительно низкий КПД. Однако, говоря об эффективности компрессорных машин вообще и вихревых в частности необходимо учитывать особенности технологических линий, в которых они работают. Например, если газ после компрессора еще дополнительно подогревается, то положительным эффектом с точки зрения преобразования энергии в компрессоре в этом случае может являться не только приращение механической энергии потока, но и приращение теплоты, в том числе и за счет гидравлических и термодинамических потерь. В этом случае целесообразно ввести понятие коэффициента использования энергии, подразумевая под ним отношение энергии (мощности), переданной газу в единицу времени в форме работы и в форме теплоты к мощности, подведенной на вал компрессора. В этом случае потерями энергии будут являться только объемные потери и теплота, отводимая от потока газа к корпусу компрессора. Хотя для оценки совершенства проточной части компрессора нужно применять общепринятые КПД (адиабатный, политропный и др.).

Вихревые компрессоры применяются во многих отраслях народного хозяйства: для отсоса пыли, агрессивных газов, отходов волокна на ткацких, прядильных, вязальных машинах; на ТЭЦ и химкомбинатах для систем наддува в котлы и печи; в системах вентиляции различных производств; в пневмотранспорте для транспортировки документов, бумаги, гранулированных и других сыпучих материалов; для создания воздушной подушки при транспортировке тяжелых грузов; для наддува двигателей внутреннего сгорания; для аэрации в системах водоочистки; в судовых установках и др.

Известно довольно много исследований в области вихревых компрессоров в бывшем СССР, СНГ и в дальнем зарубежье [1-13]. Наиболее общим трудом, в котором приводится анализ теоретических гипотез рабочего процесса вихревых компрессорных машин, обобщаются и анализируются результаты известных экспериментальных исследований и дается методика расчета геометрических и режимных параметров одноступенчатого вихревого компрессора на основе регенеративной гипотезы, является литература [10].

В настоящее время вихревые компрессоры разрабатываются, исследуются и изготавливаются, в частности, в МГТУ им. Н.Э. Баумана и ООО «ЭНГА» (г. Москва), в ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» (г. Сумы), в ООО «ТРИЗ» (г. Сумы).

В МГТУ им. Баумана и ООО «ЭНГА» разработана и в настоящее время серийно выпускается промышленностью целая гамма отечественных турбовоздуходувок вихревого типа. Конструкции оригинальны и защищены патентами России, США и ряда стран Европы [14-17]. По своим характеристикам машины не уступают лучшим зарубежным аналогам. Уже накоплен достаточно богатый опыт эксплуатации таких машин, в том числе и на очистных сооружениях. Это в первую очередь машины марки ЭФ 100. Диапазон их производительностей - от 200 до 800 м3/час и давлений -до 80 кПа. На рис. 1 представлена вихревая воздуходувка из серии ЭФ 100. Машина установлена на одной раме с электродвигателем и связана с ним клиноременной передачей. Подбором шкивов и мощности электродвигателя практически на одной машине получают целую сеть различных характеристик (рис. 2).

Характеристики представляют собой практически обратно пропорциональную зависимость давления от производительности, что весьма удобно для автоматизации и регулирования. Важно и то, что в отличие от характеристик турбомашин центробежного типа эти характеристики не имеют помпажных зон. Т. е., практически, машина устойчиво работает выше номинального давления, потребляя при этом лишь дополнительную мощность. Важно и то, что потребляемая мощность падает с ростом производительности. У центробежных турбомашин все наоборот. Поэтому вихревым турбомашинам не страшны пусковые режимы.

Подбор шкивов и электродвигателей, как это сделано в серии ЭФ 100, самый простой и дешевый способ получения сети рабочих характеристик на одной вихревой машине. Однако, это неудобно с точки зрения регулирования, как процесса автоматического изменения параметров. Например, в системах аэрации потребность в воздухе может существенно изменяться, как в течение суток (дневное и ночное время), так и в зависимости от сезона (лето, зима). В целях экономии электроэнергии, а эта экономия может достигать до 40%, в последнее время все большее применение находят системы автоматического регулирования подачи воздуха путем изменения частоты вращения турбовоздуходувки. Благодаря появившимся на рынке устройствам преобразования частоты тока, система автоматического регулирования стала простой и доступной. В вихревой турбовоздуходувке изменение частоты вращения смещает характеристику в ту или иную сторону практически эквидистантно первоначальной. Иными словами, поле характеристик, изображенное на рис. 2, может быть получено практически на одной машине путем изменения частоты вращения с помощью преобразователя частоты. Такая машина была разработана – это вихревой вакуум-компрессор ВВК-3 (см. рис. 3), который выполнен в виде моноблока, с рабочим колесом, установленным непосредственно на валу двигателя. Номинальные параметры машины: производительность - 700 м3/час, давление нагнетания - 40 кПа, частота вращения - 3000 об/мин. Понижая частоту вращения с помощью преобразователя частоты, включенного в цепь питания электродвигателя, можно получить практически любую рабочую точку на поле характеристик, изображенном на рис. 2.

ВВК-3 – самая крупная машина из серии вихревых воздуходувок ВВК. Все машины этой серии имеют общую особенность – это моноблоки. Первая машина из этой серии – ВВК-1 была разработана в МГТУ им. Н.Э. Баумана и серийно выпускалась на НПО «Энергия» с 1991 г. Машина предназначалась для систем пневмотранспорта муки в пекарнях. Ее рабочие параметры: производительность – 120 м3/час; давление нагнетания – 28-30 кПа; мощность электродвигателя – 5,5 кВт; масса – 80 кг; габариты – 500x500x500 мм.

В 1999 г. эти машины начали применяться в системах аэрации. В настоящее время создана и выпускается серийно отечественным предприятием ООО "ЭНГА" новая версия - ВВК-2 (см. рис. 4).

В отличие от ВВК-1 в ВВК-2 внесены много конструктивных изменений, повышающих надежность при круглосуточной эксплуатации. ВВК-2 - машина универсальная, так как позволяет с помощью несложной трансформации получить два исполнения и, соответственно, две разных характеристики со следующими рабочими точками:

С учетом тенденции расширения строительства небольших очистных сооружений, в МГТУ им. Н. Э. Баумана в настоящее время разработаны и созданы опытные образцы микровоздуходувок вихревого типа на производительность 5 м3/час и 20 м3/час с мощностью электродвигателей соответственно 0,5 и 1,5 кВт.

В ООО «ТРИЗ» и СумГУ были спроектированы, изготовлены и испытаны несколько вихревых воздуходувных машин:

- воздуходувка с периферийным рабочим каналом для наддува магнитных подшипников газоперекачивающих агрегатов (производительность - 2 нм3/мин, давление нагнетания - 100 мм вод. ст., (0.101 МПа));

- вакуум-насос с периферийно-боковым рабочим каналом для вакуумной уборки в цехе аэросила на одном из предприятий химической промышленности (производительность - 15 нм3/мин, давление всасывания - 85600 Па);

- воздуходувка с периферийно-боковым рабочим каналом, предназначенная для индивидуального наддува воздуха в котлы сжигания угольной пыли на тепловых электростанциях ВВ 12/1-1,6 (производительность - 12 нм3/мин (подача 10 м3/мин), давление нагнетания - 0,16 МПа); эта воздуходувка (рис. 5) конструктивно выполнена двухступенчатой с двухвенечным рабочим колесом и подводом газа во вторую ступень по внешнему обводному каналу, для разгрузки подшипниковых узлов от радиальных усилий входные и выходные патрубки ступеней смещены относительно друг друга в окружном направлении.

Все воздуходувки выполнены с приводом непосредственно от электродвигателя.

В ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» вихревые воздуходувки нашли применение в системах наддува воздуха для запирания утечек газа в «сухих» уплотнениях и системах продувки и охлаждения магнитных подвесов центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов. Для этих целей были созданы:

- воздуходувка ВХ2-5/1,2 с двухканальным периферийно-боковым рабочим каналом (производительность - 5 нм3/мин, давление нагнетания - 200 мм вод. ст.);

- воздуходувка ВХ2-2/1,2 с периферийно-боковым рабочим каналом (производительность - 2 нм3/мин, давление нагнетания - 0.12 МПа).

Все воздуходувки выполнены с приводом непосредственно от электродвигателя.

Одним из основных производителей воздуходувок вихревого типа в Европе является фирма "Сименс". Фирма выпускает целую гамму машин серии "ЕLМО-G" (см. рис. 6).

Одна из типичных конструкций и общий вид вихревого компрессора фирмы "Сименс" показаны на рис. 7 [18].

Методика предварительного расчета и методика расчета геометрических и режимных параметров одноступенчатого вихревого компрессора изложена в литературе [10]. В процессе проектирования вихревых компрессорных машин в последние годы была уточнена и расширена методика предварительного расчета, изложенная в литературе [10]; разработаны методика расчета геометрических и режимных параметров многоступенчатых машин, а также методика расчета характеристик как одноступенчатых, так и многоступенчатых вихревых компрессорных машин при изменении с определенным шагом степени повышения давления в ступени [12, 13]. На алгоритмическом языке "Паскаль" в системе "Турбопаскаль" разработан пакет прикладных программ, основными составными частями которого являются:

- предварительный расчет (позволяет определить рациональную схему машины: выбрать число ступеней, оценить наружные диаметры рабочих колес и потребляемую мощность (см. рис. 8, 9, 10);

- расчет геометрических и газодинамических параметров проточной части (для оптимального режима работы и для режимов, отличных от оптимального, но лучших по массогабаритным показателям);

- расчет различных характеристик машины, как для проектируемого варианта, так и по заданной геометрии проточной части при изменении условий эксплуатации или для других исходных данных.

На рис. 11 для примера показаны расчетные зависимости напора (разности давлений на входе и выходе) потребляемой мощности, и адиабатного КПД от производительности для вихревой двухступенчатой воздуходувки ВВ12/1-1,6.

Результаты испытаний показали очень высокую точность расчетов: расчетные и экспериментальные характеристики практически совпали. На рис. 12 показаны многократно проверенная экспериментальная зависимость, расчетная проектная зависимость и зависимость, рассчитанная по известной геометрии при условиях испытаний, которые отличались от проектных.

Известно, что вихревые турбомашины чувствительны к зазорам. На рис. 13 показаны зависимости давления нагнетания от подачи компрессора при различных торцевых зазорах. Из рисунка видно, что с уменьшением торцевых зазоров характеристики компрессора заметно улучшаются.

Разработано поле характеристик для вихревых воздушных компрессоров и вакуум-насосов. На рис. 14 показаны зависимости степени повышения давления в вихревом компрессоре от производительности для нескольких значений мощности электродвигателя. Аналогичные зависимости для вихревых вакуум-насосов даны на рис. 15. Каждая точка на зависимостях представляет собой оптимальный режим работы (режим работы, соответствующий максимальному значению КПД) конкретного компрессора, т.е. эти зависимости - совокупность оптимальных режимов. Для машин, соответствующих оптимальному режиму с наибольшей производительностью, построена характеристика машины для зоны максимального КПД (тонкие линии на рис. 14, 15). Зависимости, приведенные на рис. 14, 15 относятся к неохлаждаемым двух- и одноступенчатым воздушным вихревым компрессорам и вакуум-насосам при температуре на входе 40 С и частоте вращения ротора 2950 об/мин. Имеются расчеты, позволяющие построить поле характеристик также и для трех- и четырехступенчатых неохлаждаемых машин. Можно построить поле характеристик также и для охлаждаемых машин или в других обозначениях координат. При расчетах полей характеристик вводились ограничения по температуре нагнетания (не выше 200 С), по наружному диаметру рабочих колес (не более 700 мм). Предлагаемые поля характеристик позволяют при работе с заказчиком быстро оценить целесообразность проектирования вихревой машины.

Подводя итог можно отметить, что в настоящее время кроме традиционных областей применения вихревые компрессорные машины начали применяться также в системах «сухих» уплотнений турбомашин, для продувки магнитных подшипников, в небольших очистных сооружениях для аэрации сточных вод.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004